机电嵌入式实训的系统论文-咸阳职业技术学院机电工程系毕业设计

0 咸阳职业技术学院机电工程系毕业设计咸阳职业技术学院机电工程系毕业设计 机电嵌入式实训的系统设计机电嵌入式实训的系统设计 姓名王振 学号071520113 专业名称五年制机电一体化 班级0701 指导教师党世红 第 1页，共 13 页 摘 要 随着电子技术的发展， 嵌入式技术成为当今信息技术发展的主 流技术。 嵌入式技术作为高校计算机专业的一个新方向已被许多学校 采用。本文通过对嵌入式技术的分析， 提出了嵌入式系统课程体系 建设的基本方法，包括专业培养计划、嵌入式系统教学实践平台建设 以及嵌入式系统教学模式与教学方法创新等。 关键词 “嵌入式技术” ； “研究” ； “设计” 第 2页，共 13 页 嵌入式系统课程的研究与设计嵌入式系统课程的研究与设计 引引言言 随着电子技术和信息技术的快速发展及嵌入式硬件技术与软件技术的不断 成熟，嵌入式系统的应用越来越广泛，如智能家电、手机、汽车电子、网络通信 及电子娱乐产品等，随之而来的是社会对嵌入式产品开发人才的需求也越来越 多。因此，许多高校都开设了嵌入式系统开发方面的系列课程。由于嵌入式系统 课程涉及的知识面宽、实践性强，对实验教学的要求较高，包括实验教师、硬件 配置、实验项目的设置等。因此，作为对新技术研究和探索最活跃的群体，高等 院校如何接受嵌入式技术带来的挑战， 尽快开设嵌入式系统的相关理论与实验课 程，并逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。 一、嵌入式系统的基本知识一、嵌入式系统的基本知识 所谓的嵌入式系统（Embedded Systems）,实际上是“嵌入式计算机系统” 的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。它是以应用为中心、软硬件可裁减 的、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要求的专用计 算机系统。简单地说，嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于一体，类似于 中的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点， 因此特别适合于要求实时和多任务的系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相 关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。 二、二、嵌入式系统的结构嵌入式系统的结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有 3 个部分，如 图一所示。 图一嵌入式系统的基本结构 嵌入式应用 嵌入式操作平台 硬件平台 应用程序与操 作系统的接口 操作系统与硬 件的接口 第 3页，共 13 页 （1）硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同 的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特 点。 （2）嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具 有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对 不变性。 （3）嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完 成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境， 是嵌入式系 统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统的 3 层结构 逐步演化成为一种 4 层结构。如图二所示。 图二引入硬件抽象层以后的嵌入式系统结构 这个新增加的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板级支持包，是一个介于硬 件与软件之间的中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交 互， 向操作系统硬件的直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统 的通用化。 三、嵌入式系统教学的特点三、嵌入式系统教学的特点 设置嵌入式系统课程的目的是让未来的软硬件开发人员了解和掌握必要的 嵌入式系统设计方法的概念、方法和工具。同时由于嵌入式系统对其他学科领域 的渗透，其他相关专业的学生也有学习该课程的需求与必要。如其他电子、自动 嵌入式应用 嵌入式操作系统 硬件抽象层 硬件平台 应用程序与操作系统的 接口 操作系统与硬件抽象层 的接口 硬件抽象层与硬件的接 口 第 4页，共 13 页 化专业都可开设相应的选修课程，在某种程度上可以提升毕业学生的竞争力、就 业率。嵌入式系统课程的教学内容应包括嵌入式系统体系结构、硬件构架、软件 编程及外围设备接口和驱动等，注重培养学生的设计能力和软件开发能力;尽量 反映该领域近年来最新的理论与技术，使学生了解学科的最新发展。 嵌入式系统课程的特点是涉及知识面广、综合性强、实践性强，并且学科发 展快，因而学习难度大，难以形成一个简单明确的知识体系。同时该课程讲授难 度很大，它要求教师不仅具备一般的计算机系统的软硬件知识，而且需要真正从 事过嵌入式系统的开发实践， 才能对嵌入式系统中的实时性等抽象概念和系统调 试过程有感性认识。嵌入式系统教学主要有以下三个特点:(1)基础性。嵌入式系 统技术涉及多个专业，如计算机工程、软件工程、工业自动控制、机电工程、精 密仪器和电子工程等，嵌入式技术与各个专业相互渗透融合，将逐渐形成新的学 科研究方向，因此，嵌入式系统可作为上述各专业的基础平台课，以强化专业基 础知识。(2)综合性。嵌入式系统是软件和硬件设计的完美结合。它涉及电子信 息、计算机、自动控制等诸多专业相关课程的内容，如语言、微机原理、单片机 设计和操作系统等课程，有很强的综合性，因此，可以有效地对学生进行综合能 力的培养。(3)实践性。嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。实验是嵌入 式系统课程的重要组成部分， 缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵， 因此， 学生必须通过大量的实验和实践环节，来加深对嵌入式系统理论知识的理解。 四、嵌入式系统课程体系四、嵌入式系统课程体系 嵌入式系统涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，专业性强，包括 了操作系统、微机原理、编程语言程序设计、计算机网络和接口设计等内容，是 软件、硬件的完美结合。因此，嵌入式系统的设计原理与技术不是一门课程所能 讲授的，需要建立一个课程体系。 嵌入式系统本身就是计算机系统。从广义上讲，目前计算机科学与技术专业 的课程体系中所设置的许多专业基础课，比如数字逻辑、C/C+程序设计、计算 机网络等，对嵌入式系统设计的学习者来说同样重要。在此，只从狭义的角度探 讨嵌入式系统的课程体系设置。 由于嵌入式系统涉及的知识面广、应用层面广，所以应针对嵌入式系统设计 与应用的不同层面的需求，设置不同层面的课程体系。从狭义上划分，嵌入式系 第 5页，共 13 页 统课程体系可以有以下三个不同的层面: 第一层面:针对将来只是应用嵌入式系统硬件、软件平台来进行二次开发的 学生而言， 应侧重培养其基于某个嵌入式系统平台上(包括硬件平台和软件平台) 进行应用系统设计和开发的能力。因此，针对这一层面的学生应开设以下几门主 要课程: 嵌入式实时操作系统 ：选取一个具体的操作系统比如 uCLinux 为例，讲 授嵌入式操作系统的原理及应用，重点介绍如何进行任务划分、如何编写 I/ O 驱动程序等。 嵌入式系统设计 ：重点介绍嵌入式系统设计步骤、方法，重点介绍嵌入 式应用软件的开发技术，以及嵌入式系统的测试技术及软件优化技术。 嵌入式网络技术 ：重点介绍基于嵌入式环境下的网络通信技术及应用， 比如 I2C 总线技术、USB 接口技术、嵌入式 Web 技术等，掌握相关的通信技术及 接口编程。 第二层面:针对将来从事嵌入式系统平台设计及合作开发的学生而言，除需 要学习上述三门课程外，还必须开设嵌入式系统结构课程。该课程重点介绍 某个具有代表性的嵌入式 CPU(如 ARM 系列)的系统结构、汇编指令系统、中断管 理机制、常用外围接口，使学生掌握嵌入式平台设计的基础知识。前提是学生具 备数字逻辑方面的相关基础知识。对于与第一个层面相同的课程，其授课中重点 也不完全一样。比如， 嵌入式操作系统课程可以嵌入式 Linux 为主，重点介 绍进程调度、进程间通信、内存管理和 I/O 驱动机制等，使学生具备进行操作系 统的裁剪、移植的基本能力。 第三层面:针对将来从事 SOC(systemonChip)系统设计及开发的学生而言。 主要课程有数字逻辑设计与应用、电子电路原理与 PCB 技术、EDA 技术(FPGA 设 计及应用)、嵌入式系统结构、嵌入式操作系统等，偏重于底层的设计。 通过以上分析可以看出，第一层至第三层分别是嵌入式系统中由软到硬、由 高层至底层的三个不同应用层次，对应不同的知识结构需求。第一层偏软，对底 层的系统结构及接口等要求较低，是在当前比较容易实现的一个培养方向。在计 算机本科专业中，软件方向比较适合开展第一个层面的嵌入式系统教学，应用方 向比较适合开展第二个层面的嵌入式系统的教学。根据以上分析，可以提出在计 第 6页，共 13 页 算机本科专业开设嵌入式系统方向需要参照的课程体系: (1)专业基础课:嵌入式系统概论、嵌入式系统原理与接口技术。 (2)专业必修课:嵌入式操作系统、嵌入式系统应用设计。 (3)专业选修课:嵌入式网络技术、 嵌入式系统测试技术、 嵌入式工程应用(即 行业领域，如移动通信技术与应用、数字家庭网关技术等)、分布式嵌入式系统 原理与设计等。 作为课程体系的一部分，实践教学是嵌入式系统教学的关键。实践教学设置 的总体指导思想是:以培养创新动手能力为核心，建立“系统的多级课程实践” 的实验体系，包含课程基础实验、课程设计、综合项目设计;同时，以“项目为 中心”设计多层次的集中实践题目，各层次的题目难度不等，以适合不同层次的 学生4。 (1)每门课保证至少 30%以上的上机或实验学时，完成基础实验项目。 (2)至少有两门课的课程设计(约两周)，如 ARM 汇编程序设计、操作系统移 植实验、LCD/触摸屏等接口实验等等。 (3)至少完成一个综合课程设计(课余时间+综合实训时间共约 40 学时)，类 似于一个简单的工程项目，有设计、编程调试、性能测试等完整的步骤如手机游 戏、校园导航、电子词典、嵌入式 WEB 服务器等。 (4)校企合作，建立实习基地，联合完成项目设计。 五、五、嵌入式实时系统中断管理嵌入式实时系统中断管理技术技术 下面就嵌入式实时系统中断管理技术来进行讨论。嵌入式实时系统 （Real-Time System）是一个能够在指定或者确定的时间内对外部事件作出响应 的系统，其重要的特性是实时响应性。 嵌入式实时系统对外部事件的响应一般都是通过中断来处理的， 其对中 断的处理方式，直接影响到系统的实时性能。 (1)嵌入式内核的中断管理模式 实时多任务操作系统是嵌入式应用开发的基础平台。 早期的嵌入式实时应用 软件直接在处理器上运行，没有 RTOS 支持，现在的大多嵌入式应用开发都需要 嵌入式操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一个通用而复杂 的主控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行环境。因为嵌入式 第 7页，共 13 页 系统已经将处理器、中断、定时器、I/O 等资源包装起来，用一系列的 API 提供 给用户， 应用程序可以不关注底层硬件， 直接借用操作系统提供的功能进行开发， 此时的嵌入式操作系统可以视为一个虚拟机。 随着嵌入式实时系统的发展，为了方便对中断的处理，系统内核常接管中断 的处理，比如提供一些系统调用接口来安装用户的中断，提供统一的中断处理接 口等。 根据系统内核的可抢占或者非抢占性，系统内核接管中断又有两种不同处 理模式，抢占式内核的中断处理模式和非抢占式内核的中断处理模式。 在非抢占式内核的中断处理模式中， 当在中断处理过程中有高优先级任务就 绪时， 不会立即切换到高优先级的任务，必须等待中断处理完后返回到被中断的 任务中，等待被中断的任务执行完后，再切换到高优先级任务。在抢占式内 核的中断处理模式中，如果有高优先级任务就绪时，则立刻切换到高优先级的任 务。抢占式内核中断处理模式下的时序如图三。 图三抢占内核的中断处理模式时序 在时序图中，符号 A 表示有高优先级任务 N 就绪。这种处理模式有利于高优 先级任务的处理，但相应地延长了被中断的低优先级任务的执行时间。 (2) 嵌入式内核接管中断的处理机制 嵌入式内核接管中断的处理机制主要包括两个部分： 面向应用的编程接口部 分和面向底层的处理部分。 面向用户应用的编程接口的任务之一是供支持用户安 任务 M 中断现场 保护 中断处理 A 任务 N 中断现场恢复 任务 M 中断延时 中 断 响应 中断处理 第 8页，共 13 页 装中断处理例程。面向底层处理部分可以分为两个部分：中断向量表部分和中断 处理部分。中断向量表部分主要指中断向量表的定位和向量表中表项内容的形 式，一般在嵌入式内核中都提供一个中断向量表， 其表项的向量号应与处理器 中所描述的向量对应；向量表表项的内容形式一般有两种形式。最常见的形式就 是在具体的向量位置存储的是一些转移程序，转到具体的中断处理部分；另一种 形式也就是中断向量位置存放具体的中断处理程序， 此仅针对向量号之间彼此有 一定的距离，此距离足以存放中断处理程序。面向底层部分的中断处理部分，是 整个嵌入式内核中断管理的核心， 对于嵌入式内核中断管理模式图中的中断处理部分，以 Delta OS 内核为例， 详细说明其中断处理部分。Delta OS 内核中断处理部分采用了“统一接管”的 思想，即 Delta OS 为所有的外部中断都提供一个统一的入口_ISR_Handler。此 入口的主要功能是保护中断现场，执行用户的中断服务程序，判断是否允许可抢 占调度，中断现场的恢复等。 图四为 Delta OS 内核中断处理流程图中，可看出嵌入式内核中一些专用的 处理方式。 在嵌入式内核中一般有两个堆栈：系统栈和任务栈。系统栈是系统为中 断上下文处理而预留的堆栈；任务栈属于任务本身的私有堆栈，用来存储任务执 行过程中一些临时变量等信息。因为中断上下文不隶属于任何任务的上下文中， 所以嵌入式内核一般都有一个系统栈专门处理中断上下文的。 当产生中断且非中 断嵌套时，堆栈由被中断任务中的任务栈切换到系统栈；当在中断处理中又发生 中断时，堆栈不再切换，仍用系统栈；当退出最外层中断时，堆栈又由系统栈切 换到被中断的任务中的任务栈。 一般嵌入式内核有两种形式：抢占式和非抢占式。为了更好地支持系统 的实时性，很多嵌入式实时内核都是抢占式内核，如 Vxworks、pSOS 等。从上 面 Delta OS 内核中断处理流程可知 Delta OS 是抢占式内核。因为在中断处理 中，当检测到有高优先级任务就绪时，就会切换到高优先级任务里，而不是等到 退出中断后，再进行任务调度。 在嵌入式内核中，中断时机和调度时机直接影响到系统的实时性。关中 断的时机一般在执行核心操作之前。核心操作包括对链表的操作，对核心数据项 第 9页，共 13 页 图四 内核中断处理流程图 （如指示同步，反应重要信息状态）的修改等场合都须关中断。执行完相应 的核心操作后，就可以开中断。开调度时机主要提供重新调度的机会，一般在执 行操作系统核心调用前关调度，执行完后开调度。系统中开关中断与开关调度的 关系大致如下： 开关中断的粒度比开关调度要深，要细。开关中断主要是为实时性提供各种 可能的中断时机，允许响应外部中断。中断里也可以执行调度和系统调用，但中 断的上下文与任务的上下文是不一样的， 因此在中断里只能执行一些特定的系统 调用。 这些特定系统调用是不会引起调用阻塞的，不要试图在中断里执行获取信 号量，执行 I/O 操作等这些很容易引起调用阻塞的系统调用。 开始 中断现场的保护 设置中断优先级 是否中断嵌套 切换到系统专用堆栈 执行用户的中断处理句柄 恢复中断级别 是否允许任务调度 恢复中断现场 切换到高优先级任务 中断返回 第 10页，共 13 页 中断管理模型：中断前后段处理模型 在前面嵌入式内核中断管理模式分析中， 嵌入式内核一般采用中断统一接管 思想， 在中断统一接管中调用用户的中断服务程序。中断管理模式中的中断处理 部分又可以细化，如嵌入式 Linux 系统中关于中断管理机制中提出了“前半部” 和“后半部”的处理思想。其实这种中断管理的思想把中断处理部分按照重要性 分两部分，将必须要做的中断处理部分归为“前半部” ，即这部分在中断处理部 分实施；而将中断处理中可以延迟操作且影响不大的部分归为“后半部” ，这部 分在退出中断服务程序后实施。 通过这样的中断管理思想减少的中断服务时 间， 为其它外部事件的中断响应提供了更多的时机。在实时内核中还有其它的中 断处理机制，它们的思想都是尽量减少中断处理的时间。 多任务嵌入式系统，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，其由系统软件的高实时性要求来实现。正是由于 这种高实时性，是嵌入式系统广泛应用于生活的各个方面。 六、硬件平台功能概述六、硬件平台功能概述 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器和操作系统组成。硬件主要包括：微处理 器，ROM,DRAM，人机交互接口，A/D、D/A 转换电路、触摸屏等。 实验平台采用了基于 ARM 的 S3C44B0X 微处理器，通过系统总线将 CPU、电 源管理模块、存储器、控制器、LCD 控制器、中断控制器连接在一起，通过外设 总线和 A/D 转换器、看门狗定时器、通用 I/O 控制器、PWM 定时器等连在一起。 S3C44B0X 的 160 个引脚中， 71 个引脚可以通过编程的方法定义多功能输入/输出 引脚。I/O 端口有两种编址方式，键盘模块输入数字型数据或选择控制设备的操 作模式，LCD 通过数据总线寄存器及使能信号与处理器连接实现触摸屏驱动 X、Y 通道相连。 七、软件环境概述七、软件环境概述 嵌入式系统的开发环境是嵌入式操作系统，它具有以下特点：实时性、可移 植、 内核小型化、 可裁剪。 目前流行的操作系统有数十种： Vxworks、 QNX、 WindowsCE Palm os、嵌入式 Linux uc/os-II 等。其中免费的、开放源代码的 Linux 和 uc/os-II 在国内教学科研单位应用广泛。 实验采用的 ADS1.2 是基于 uc/os-II 实现的。RTOS 是 32 位嵌入式 CPU 的 第 11页，共 13 页 软件基础，提供 CPU 的管理、任务管理等。具有源码公布，可移植性强、可固化、 多任务等特点。 八、嵌入式系统的设计方法八、嵌入式系统的设计方法 总体结构设计包括：要求分析、规则说明、体系结构设计、构件设计、系统 集成。 嵌入式系统组成：硬件层、中间层、软件层和功能层。硬件层除了嵌入式微 处理器、ROM 和 DRAM 外，其他的可以增减。中间层处于硬件层和软件层之间。 被称为硬件抽象层或板级支持包，与 PC 的输入输出系统相似。软件层中，根据 不同的要求可以不使用操作系统，可以有选择的使用文件系统、图形用户接口或 任务管理程序。功能层由应用程序检测传感器的信号，计算并通过驱动器实现对 被控对象的控制需要提供友好的人机界面。系统设计方法有统一建模语言、框架 图。编程语言主要是 C 语言。 嵌入式系统开发环境三要素： 主机， 通信通道， 目标机。 主机开发软件工具， IDE、编辑器调试器。通信通道，JTAG/BDM 并口、串口 USB、网口 CPU 支持等。 目标机，开发对象运行目标程序，调试支持硬件或软件。 九、所设计作品的功能九、所设计作品的功能 功能描述: 由于基础不好和软件编程方面的欠缺，实验参考了同学的程序。对系统的设 计有一定的理解。功能：可调数字时钟，LED 显示时、分、秒，通过键盘和触摸 屏均可以校对时钟。如图 硬件电路特点: 第 12页，共 13 页 （1）PWM 定时器脉宽调制，S3C44B0X 有 6 个 16 位的定时器，每个定时器 能以基于中断或基于 DMA 方式进行操作，具有双缓冲的特点。 （2）zlg7289 是一片具有穿行接口的同时驱动 8 位数码管的只能显示驱动 芯片，单片就可以完成键盘和 LED 全部功能，内部有译码器，可以直接接受 BCD 码 16 进制码，2 种译码方式，命令两大类纯命令和带数字的命令。 （3）中断 S3C44B0X 可以管理 30 个中断源，只有 26 个中断源提供给中断 控制器。4 个外部中断请求经过逻辑或作为 1 个中断源引到中断控制器，UART0 和 URT1 错误中断经过逻辑或作为 1 个中断源引到中断控制器。 （4）触摸屏 用 AD-7843 芯片进行数据传输，先完成电机电压切换，采集 接触点处电压值进行 A/D 转换。 软件实现过程: 参考程序:（1）模块 计时，满 60 进位