（物理电子学专业论文）嵌入式智能仪器基本系统设计与实现.pdf

嵌入式智能仪器基本系统设计与实现 摘要 丘入式系统即嵌入式计算机系统是当今。t 行业最热，的话题之一，其实质是针对各种 具公应用的专用计算机系统，路由器、以太网交换机、手机、p d a 、掌上电脑、机顶盒、 火星探测器等都是它的典型应用。嵌入式系统硬件与软件核心分别是嵌入式微处理器和嵌入 式操作系统。追踪国外嵌入式系统先进技术，根据国情研发具有独立知识产 软硬件平台，对提高国内嵌入式系统研究和应用水平有着非常重要的意义。 式系统 嵌入式智能仪器系统是根据嵌入式系统设计原理构建的测控仪器系统，本文讨论的嵌入 式智能仪器基本系统是我们自行研制开发的可以用作各种嵌入式智能仪器特别是手持式仪 器和网络化仪器的核心部件，它采用m o t o r o l a 公司的m c 6 8 e z 3 2 8 作为m p u ( 微处理器) ， 并配有网络接口、串行接口、l c d 显示、键盘控制等外围电路，采用u c l i n u x 为嵌入式操作 系统，具有串行通信、网络通信及人机交互等功能，可方便地扩展为针对各种具体应用的手 持式仪器和网络化仪器。 本工作研制成功了嵌入式智能仪器基本系统并对其良好的硬件软件性能进行了测试，它 为嵌入式智能仪器的研制奠定了硬件和软件基础，为此类仪器的开发提供了设计、调试的便 捷工具，主要体现在：1 ) 提出了嵌入式智能仪器硬件系统设计的技术路线；2 ) 研究了嵌入 式智能仪器软件的运行机制；3 ) 初步建立了嵌入式智能仪器硬件软件系统开发与调试平台。 在此基础上可进一步研制具有网络通信功能的手持式测色仪器和开发易学易用的嵌入式系 统教学实验平台等各应用项目。 关键词：嵌入式j 沥f 嵌入式智建磊j 嵌入式微生窿瞻，嵌入式操裙桑磊：m c 6 8 ；丢2 8 u c l i n u x ， v 嵌入式智能仪器基本系统设计与实现 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e m ，i e ，e m b e d d e dc o m p u t e rs y s t e mi so n eo ft h eb o t e s ti s s u e si n c u r r e n ti t r e l a t e d p r o f e s s i o n a c t u a l l ye m b e d d e ds y s t e m s a r es o m ed e d i c a t e d c o m p u t e rs y s t e m st h a tp o i n tt oc e r t a i nc o n c r e t ea p p l i c a t i o n s r o u t e r s ，e t h e r n e t s w i c h e r s ，m o b i l et e e p h o n e s ，p d a s ，p a l mc o m p u t e r s ，a n de v e nm a r sp r o b e r sa r ea l l i t st y p i c a la p p l i c a t i o n i t sh a r d w a r ec o r ea n ds o f t w a r ek e r n e la r ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mr e s p e c t i v e l y i t sv e r yi m p o r t a n t t o d e v e l o p e m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r m w i t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yv i af o l l o w i n gf o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g yf o ri tw i l li m p r o v e o u rd o m e s t i cd e v e l o p i n ga n da p p l y i n ga b i l i t yi ne m b e d d e ds y s t e mf i e l d e m b e d d e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts y s t e m sa r es o m em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g i n s t r u m e n t s y s t e m sw h i c ha r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ee m b e d d e d s y s t e md e s i g n p r i n c i p l e ，a n dt h eb a s i ce m b e d d e di n s t r u m e n ts y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sa p l a t f o r mt h a tw ed e v e l o p e da sak e r n e lp a r to fe m b e d d e di n s t r u m e n ts y s t e m s ，e s p p o r t a b l e i n s t r u m e n t sa n dn e t w o r k i n gi n s t r u m e n t s t h ep l a t f o r mu s e sm e t o r o l a s m c 6 8 e z 3 2 8a si t sm p u ，t h ep e r i p h e r a lc i r c u i ti n c l u d e sn e t w o r ki n t e r f a c e ，s e r i a l i n t e r f a c e ，l c dd i s p l a y ，k e y b o a r d ，e t c a n di t se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi su c l i n u x ， t h u si th a sa b i l i t yo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c t i v ef u n c t i o nb e t w e e nt h e u s e ra n dt h ep l a t f o r m ，a n di tc a nb ee x t e n d e de a s i l yt op o r t a b l ei n s t r o m e n t so r n e t w o r k i n gi n s t r u m e n t sw i t hc e r t a i np u r p o s e n o ww eh a v ea l r e a d ym a d ea n dd e b u g g e dt h ep l a t f o r m ，w h i c he s t a b l i s h e dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o u n d a t i o nf o re m b e d d e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n dp r o v i d e d at o o lt od e s i g na n dd e b u gt h e m t h em a i ne m b o d i m e n t sa r e ：1 ) b r i n gf o r w a r dt h e h a r d w a r e d e s i g nt e c h n o l o g y r o u t ef o re m b e d d e d i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ：2 ) r e s e a r c h e dt h er u nm e c h a n i s mo ft h es o f t w a r eo fe m b e d d e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ： 3 ) f o u n d e dt h ed e v e l o pa n dd e b u gp l a t f o r mf o re m b e d d e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s n e x t s t e pw e 儿d e v e l o pak i n do fp o r t a b l ec o l o rm e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n da ne d u c a t i o n a l p l a t f o r mw i t hi t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e d i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，m c 6 8 e z 3 2 8 ，u c l i n u x - v i - 声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料 均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人 或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了 声明并表示了谢意。 作者签名： ：函函硒 日 期：塑! ：幺遴。 壁垒茎塑堕堡堡苎查墨竺堡生皇壅塑 一 第1 章引言 1 1 嵌入式系统与嵌入式智能仪器的定义 1 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统f 1 ，2 r q 即嵌入式计算机系统是当今i t 行业最热门的话题之一，嵌入式计算 机因其经常隐藏在各种产品和系统中而得名，它是后p c 时代即信息家电时代到来的标志， 其最为典型的应用有通信领域中的路由器、以太网交换机，手机、p d a 、掌上电脑等移动设 备，机顶盒，火星探测器等。但事实上嵌入式系统的应用远不止这些，凡是将计算机的主机 嵌埋在应用系统或设备之中，不为用户所知的计算机应用方式都是嵌入式应用，因此在手表、 电话，甚至电饭锅里都有其身影，在后p c 时代，嵌入式系统几乎无处不在。 嵌入式系统的正式定义f l _ 为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪， 符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。它是将先 进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。由此可见它 与通用计算机最大的不同在于：嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，因此一般情况下它 既要求有高可靠性，又具有成本敏感性，一个好的嵌入式系统应是完成目标功能的最小系统。 而且它的升级换代也应和具体产品同步进行。 嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括微处理器、存储器及各种外部设备如显 示器、触摸屏、键盘等，其核一d 为嵌入式微处理器，嵌入式微处理器有多种体系结构，如 x 8 6 、a r m 、6 8 k p o w e r p c 体系等【6 j ，本实验室用的m c 6 8 e z 3 2 8 就属于6 8 k p o w e r p c 体系。 嵌入式系统的软件又可分为两大部分：作为开发平台的嵌入式操作系统和在此基础上开发的 高级应用程序。本文所说的嵌入式智能仪器系统就是根据上述嵌入式系统设计原理构建的 各种测控仪器系统。 i 1 2 嵌入式l i n u x 系统 一个完整的嵌入式系统除了硬件平台外还需要一个与之匹配的嵌入式操作系统( e o s ) 作为其软件开发平台，而一个理想的嵌入式操作系统应具备如下特征：适应于多种c p u 和多 种硬件平台；性能稳定；裁剪性好；开发和使用都很容易。生成的代码质量高，可靠性好； 有定的实时处理能力。有良好的网络功能等。嵌入式l i n u x 操作系统恰恰能很好地满足这 些要求，而所谓嵌入式1 i n u x 系统f j ”1 则正是采用嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式系统， 她是嵌入式系统的一个重要分支，正逐步成为嵌入式系统开发的主流。 l i n u x 是当前最流行的免费操作系统，具有多任务、高效、稳定的固有系统特征：嵌入 式1i n u x 则是1 i n u x 在嵌入式领域中的分支，又被称为“量体裁衣的l i n u x 系统”，将其用 作嵌入式操作系统有如下优良特性【l 】= 1 开放源码，软件资源丰富 l i n u x 遵循g p l ( 通用公共许可证) ，用法律保障了用户免费获得内核源代码的权利只 要遵守g p l 的条款，任何人都可以自由使用l i n u x 的源程序。l i n u x 上的软件资源十分丰富， 每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增加。在l i n u x 下开发程序往往不需 要从头做起，而是先选择一个类似的自由软件，再进行二次开发。这就大大减少了开发工作 量，缩短了开发时间。 2 内核功能强大，多任务、高效、稳定、可定制、灵活性好 l i n u x 的内核非常稳定，且小巧灵活，易于裁剪，各部分都可定制，与用户界面完全独 立，很适合应用于嵌入式系统。 3 支持多种体系结构 l i n u x 能支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等多种体系结构。目前，l i n u x 已被移植 到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。 4 完善的网络通信、图形和文件管理机制 l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，网络一直是l i n u x 的强项。l i n u x 支持e x t 2 、 f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等多种文件系统，有的文件系统还具有防断电特性。在图形系统方面 l i n u x 上既有成熟的xw i n d o w ，也有e m b e d e dq t 、t l i n i g u i 等嵌入式g u i ，还有s v g a i i b 、 f r a m e b u f f e r 等优秀工具可以适合不同的用途。 5 支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 l i n u x 上的驱动已经相当丰富了，能支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着 l i n u x 的广泛应用，许多芯片厂家也已经开始提供l i n u x 上的驱动了，这就进一步促进了 l i n u x 在各种硬件平台上的应用。 目前国际上用于智能终端设备的嵌入式操作系统已有两百多种，其中应用比较广泛的商 业嵌入式操作系统有g x w o r k 、i 】s o s 、n u c l e u s 和w i n d 侧sc e 等，而比较成熟的嵌入式l l n u x 操作系统则有r t - l i n u x 、e m b e d i x 、x l i n u x 、p o c k e t i x 、u c l i n u x 和红旗嵌入式l i n u x 等。 它们各有所长，应用时应作适当挑选。一般而言，嵌入式l i n u x 操作系统与专用嵌入式实 时操作系统的差异如表l 1 2 】所示： 表l专用嵌入式实时操作系统v s 嵌入式l i n u x 操作系统 专用嵌入式实时操作系统嵌入式l i n u x 操作系统 版权费每生产一件产品需交纳一份版权费免费 购买费用人民币数十万 免费 技术支持由开发商一家提供有限的技术支持全世界的自由软件开发者提供支持 网络特性另加人民币数十万购买免费而且性能优异 软件移植难，因为是封闭系统易，代码开放，有许多应用软件支持 应用产品长，因为可参考的代码有限短，新产品上市迅速，因为有许多公开 开发周期的代码可以参考和移植 实时性能好需改进，可用r t _ l i n u x 等模块弥补 稳定性好较好，在高性能系统中有待改进 嵌入式智能仪器基本系统设计与实现 通过比较各种微处理器及嵌入式操作系统的性能及成本，考虑到本实验室的开发重点是 手持式光电测控仪器，我们选用m o t o r o l a 的m c 6 8 e z 3 2 8 作为微处理器，u c l i n u x 为嵌入式 操作系统来构建自己的开发平台，因此它们将是本文的论述重点。 1 2 国内外研究历史与应用现状 嵌入式系统的历史其实和计算机本身的历史一样久远【1 1 ，六十年代晚期用于控制机电 式电话交换机的“固态控制程序”就是嵌入式程序，当时嵌入式系统还没有使用操作系统， 它们仅仅包含一些控制流程。随着嵌入式系统的功能的日益复杂，拥有一个能满足特定需求 的、有良好可伸缩性的嵌入式操作系统( e o s ) 也日益变得重要，现在，一个优秀的嵌入式 操作系统( e o s ) 己成为嵌入式系统成功的关键。 国外关于嵌入式仪器的研发起步较早，很多嵌入式系统的商品化操作系统是在八十年代 出现的。这一热潮一直持续到现在，今天，有很多可行的商品化操作系统可供选择。些大 佬已经出现了，如v x w o r k s ，p s o s ，n e c u l e u s 和w i n d o w sc e 。嵌入式微处理器也已有多种 体系结构，如x 8 6 、a r m 、6 8 k p o w e r p c 体系等。 现在，越来越多的人开始采用嵌入式l i n u x 操作系统来开发自己的嵌入式产品，l i n u x 是开放源代码软件，任何组织和个人都可以对其进行修改并重新发行，这原本是它豹大优 点，但却难免会为企业开发基于l i n u x 的产品造成一个相对混乱的环境。因此，r e df l a t 、 m o n t a v i s t a 、i b m 等公司成立了嵌入式l i n u x 联盟”，并于今年2 月发布了其第一个规格 标准以确保在手机、卡拉0 k 等“嵌入式”装置中使用的l i n u x 能够符合一定的标准。 关于l i n u x 向u c l i n u x 的裁剪工作，国外开始于1 9 9 8 年口j ，目前已经可以工作在 m o t o r o l a 的d r a g o n b a l l 和c o l d f i r e 系列处理器上。硬件方面的专门工作也开始不久。由 于该工作提供开放的软件和开放的硬件，因此，我们可以在i n t e r n e t 上获得许多关键的资 料，为赶超他们提供了必要的条件。该系统市场前景比较好，国内许多企业都在做这方面的 工作，但是目标系统不一致，有的关注网络功能，有的关注实时控制功能。深圳有家香港公 司i m a x 甚至在做d r a g o n b a l l 硬件平台和u c l i n u x 软件平台的学生电脑。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了l 万亿美元p j ，1 9 9 7 年来自美国嵌入式系 统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全 数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的 高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算 机工业的规模和广度。1 9 9 8 年n 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上基于r t o s 的 e m b e d d e d i n t e r n e t 成为一个技术新热点。 在国内，信息家电( 特别是机顶盒) 这几年成了i t 热点“。“维纳斯计划”和“女娲 计划”一度闹得沸沸扬扬，“维纳斯计划”是微软专为中国市场开发的、基于w i n d o w sc e 的信息家电产品计划，而“女娲计划”则是1 9 9 9 年3 月继微软公司的“维纳斯计划”在深 圳发布后，中科院软件工程研制中心正式向外界推出的以信息电器为目标，以中国人自己开 发出的嵌入式操作系统“女娲h o p e n ”为基础平台，旨在联合芯片设计及制造商、电器制造 商、软件开发商、信息服务及运营商共同推进我国自主知识产权的信息产业计划。2 0 0 0 年8 月，国内推出了首个基于l l n u x 操作系统的嵌入式上网设备方案“蓝点嵌入f ( b l u e p o i n t e m b e d d e d ! ) ” 1j 该方案重点用于w e b t v 和s e t - t o pb o x 设备，使普通用户通过电视机就 可以轻松上网，宽带用户还可以点播交互式节目。蓝点公司在l i n u x 内核上进行了深度研发， 壁垒苎塑! ! 堡墅茎查至竺堡生量壅里 一 突破了内存占用大和实时性弱等限制，b l u e p o i n te m b e d d e ds y s t e m 对内存的占用降至3 0 0 k 以下，非常适合内存用量小的互联网设备。 嵌入式领域的技术核心是围绕嵌入式应用开发的处理器、嵌入式实时操作系统和各种开 发工具，在国外，该产业已经蓬勃发展。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统， 而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。在国内，虽然嵌入式 应用、开发很广，但只有为数不多的几家公司和科研院所及个人在从事这方面工作，其中相 对比较知名的公司有深圳的英蓓特信息技术有限公司、合肥的华恒网络技术有限公司等，科 研团体有中科院计算所、中国单片机公共实验室等，高校有清华大学、中科大和上交大等。 1 3 本课题研究内容与目的 本课题围绕嵌入式智能仪器基本系统的研制和开发完成了以下工作： l 、提出了嵌入式智能仪器系统的硬件软件协同设计的技术路线。在对各m p u 、f l a s h 、 d r a m 、l c d 、网络接口、串行接口、电源、键盘等硬件部件进行深入分析的基础上，根据系 统级描述，软硬件划分，软硬件界面操作要求，进行硬件系统设计。 2 、研究了嵌入式智能仪器软件的运行机制，包括系统硬件初始化过程的分析与实现， u c l i n u x 操作系统内核的装入，u c l i n u x 操作系统对仪器系统的管理，应用程序的导入等， 并据此进行软件系统的需求分析，分析并明确了u c l i n u x 操作系统与初始化软件、应用程序 之间的关系。 3 、建立了嵌入式智能仪器硬件软件系统开发与调试平台，分别完成了b o o t s t r a p ( 引导) 模式和n o r m a l ( 正常) 模式下的调试，调试了开发平台的各项功能，包括一部分底层驱动和 上层应用程序。 本基本系统己实际制作完成( 见下图，左边为全图，右边为电路板分立图) 并通过各项调 试，实现了脱机运行，达到了预期的目的，即可将其作为嵌入式智能仪器特别是手持式仪器 和网络化仪器的核心部件。 图1 基本系统实物囤 壁垒苎塑! ! 堡壁苎奎墨竺堡盐兰茎婴一 第2 章嵌入式处理器和嵌入式系统软件 2 1 嵌入式微处理器- - m c 6 8 e z 3 2 8 2 1 1m c 6 8 e z 3 2 8 的基本结构 m c 6 8 e z 3 2 8 p 4 ，1 5 1 是m o t o r o l a 龙珠( d r a g o n b a l l ) 系列的第二代产品，利用该m p u 设计 嵌入式产品可以有效节省时间、功耗、成本、板空间、管脚数量和编程的步骤。 p a r a l 二e l dp o r t s 6 8 e c 0 0 0h c m o s ：6 b i t s t a t i c 了j m e r s y s t 孙i n t e g r a t i o nm o o u l e c o r e o b l l e 8 n 6 - b i te n h a n c e d 6 8 0 b u s r e a l - t i m e i n + e r f a c e c l o c k cj r c 吲tf n t e r r u p t ，。三。i e 。，。 u l a 丁j o n c o t l l e r d r a mb 0 0 t s t p a p ll c o n t 只o l l e r m o d e 妙杪7 p t - a s e l o c k e d o o p a n d p o w 二rc o n t p o l l c o j a r 了 c o n t r o l e r s o lp v w 1 1 叫 ：n r r a r e d s l p p o p , t illll ll p a r a l l e li f 0p o r t s 图2m c 6 8 e z 3 2 8 方框图 m c 6 8 e z 3 2 8 不单单是一个c p u ，它是m c 6 8 e c 0 0 0 内核( 一般意义上的3 2 位处理 器) 、智能外设模块和典型的系统接口逻辑的组合。m c 6 8 e z 3 2 8 的系统结构包括以下部分： e c 0 0 0 内核 内核是m c 6 8 0 0 03 2 位处理器体系结构的升级，主要特点有：低功耗，采用静态h c m o s ( 高速互补金属氧化物半导体) 工艺；3 2 位地址线，1 6 位数据线；1 6 个3 2 位的数据和地 址寄存器：5 6 个功能强劲的指令类型，有效支持高级开发语言；1 4 种寻址方式，5 种主要 数据类型：7 级中断控制。与其它m c 6 8 0 0 0 家族的成员完全代码兼容。 5 嵌入式智能仪器基本系统设计与实现 片选逻辑和总线接口 共四组八个片选信号，片选信号c s a 0 作为启动地址的片选，用于连接r o m 或者 f l a s h 。片选信号c s c 0 、c s c l 和c s d 0 、c s d l 可编程为d r a m 专用的片选信号，内 部有完整的d r a m 控制模块。总线接1 ：3 信号主要有：数据总线1 6 条，地址总线2 4 条，以 及控制信号和专用的控制信号，如l c d 、s p i 、u a r t 等。大多总线信号都与通用的i o 口 复用，可通过设置内部寄存器选择口的功能。 p l l 和电源控制 时钟频率较其它微控制器低很多，使用3 2 7 6 8 k h z 或者3 8 4 k h z 晶体产生振荡并通过 片内的锁相环( p l l ) 电路产生c p u 的工作频率，典型频率为1 6 5 8 m h z 。这就使得高频 噪声低，抗干扰能力强，容易满足电磁兼容性( e m c ) 的要求。电源控制方面。可以让m p u 工作在三种模式下：正常模式、小睡模式和睡眠模式。m p u 被唤醒后可以在很短时间内恢 复工作。 中断控制 支持1 8 种边沿或者电平中断，分为7 个中断优先级并允许中断嵌套。中断7 具有最高 优先权。中断向量为每中断级一个，中断处理过程和x 8 6 非常类似。用户中断可自己定义 在特定空间。 并行通用i i o 端口 共有7 个多功能可设置的并行端口，分为两种类型：通用端口和中断端口( p o r t d ) 。 所有端1 ：3 都可以设置内部上拉或者下拉。这些端口与某些特定的控制信号管脚复用，通过内 部寄存器编程选择。 p w m 主要用来产生音调和简单的音乐，可以接一个滤波器。 通用定时器 最大周期5 2 4 秒，6 0 n s 分辨率，时钟源可编程，带可编程触发边沿的输入捕捉能力， 带可编程模式的输出比较，有自由运行( f r e er u n ) 和重启动模式。 串行外设接口( s p i ) 仅s p i 主模式，用于和外部设备( 如e e p r o m ，a d c 等) 通信，使用三线或者四线 系统，和m c 6 8 0 5 和m c 6 8 h c i1 的s p i 完全兼容。 u a r t 和对红外通信的支持 通用异步收发器支持普通n r z 和红外通信两种模式，可直接驱动红外发射或者通过 r s 2 3 2 电平转换器和r s 2 3 2 接口连接；通信速率3 0 0 b p s 一11 5 2 k b p s ；灵活的5 线通信模 式( t x d 、r x d 、c t s 、r t s 、u c l k ) ：全双工。 l c d 控制器 共享系统的d r a m ，其起始地址在寄存器l s s a 中设定，不单独配备显示存储器；可 支持单色6 4 0 x 5 1 2 像素和3 2 0 x 2 4 0 灰度显示；硬件光标；d m a 方式刷新显示 8 比特的 p w m 用于调节对比度；共支持1 6 个灰度级，每次可通过寄存器l g p m r 来选用其中的4 级。 实时钟( r t c ) 完整的时钟功能( 日、时、分、秒俱备) 中断的可编程每日提醒，带中断的取样定时器 带中断的分( m i n u t e ) 倒计时定时器，带 每秒一次，每天一次中断，支持3 2 7 6 8 或 壁垒茎塑! ! 垡墨兰查墨竺堡生皇墨墨一 3 84 k h z 晶体，看门狗功能。 d r a m 控制器 支持零等待状态操作，支持列优先刷新周期和自刷新方式d r a m ，支持8 或者1 6 字节 端口d r a m ，快页和e d o 模式，可编程刷新率，最大支持两块芯片，每块最多4 m 字节， 可支持多种大小和组织方式的d r a m 。 片内仿真模块 有专用的仿真调试监控程序片选，片内仿真模块专用中断( 最高优先级别) ，内含一个 地址信号比较器和一个控制信号比较器，支持一个或者多个硬件执行，总线断点，一个断点 指令插入单元。 b o o t s t r a p 方式 该模式用来初始化目标系统并用u a r t 控制器下载程序或者数据到目标系统的r a m 。 程序一经下载就可执行以便提供一个简单的调试环境或者用于更改f l a s h 中的内容。该模 式可以接受执行命令来执行存在r a m 中的程序，并提供8 字节长的指令缓冲，用于6 8 0 0 0 指令的存储和执行。 2 1 2m c 6 8 e c 0 0 0 内核的编程模式 m c 6 8 b c 0 0 0 内核具有两种编程模式用户模式( u s e r m o d e ) 和管理员模式( s u p e r v i s o r m o d e ) 1 6 , 1 ”，用户模式为绝大多数应用程序提供了执行环境，而管理员模式则为操作系 统及其它系统软件提供了一些额外的指令和特权。 2 1 2 1 用户编程模式 在用户编程模式下，内核提供了1 6 个3 2 位通用寄存器( d o d 7 ，a 0 一a 6 ，a 7 u s p ) ，一个 3 2 位程序计数器及一个8 位状态寄存器。其中d 0 一d 7 为数据寄存器，可进行字节、字、长 字操作，a o a 6 及a 7 u s p ( 用户堆栈指针) 可以用作堆栈指针或基址寄存器，可进行字或长 字操作，此外这1 6 个寄存器都可用作索引寄存器。 嵌入式智能仪器基本系统设计与实现 i l i i _ i d a t ar e g i s t e r s a o d r e s sr e g i s t e r s 3 11 81 5 0 a 7 , f u s p i u s e rs t a c kp o i n t e r 3 1 0 p c p r o g r a mc o l n t e r 图3 用户编程模式 2 1 2 2 管理员( 超级用户) 编程模式 在管理员编程模式下，a 7 可用作管理员堆栈指针( s s p ) ，状态寄存器则扩展为1 6 位。 l l j 盯晤3 卧；g 矧瞄u 卟 ：58 7 0 i is r s t a t b s ! gs t e e 囤4 管理员编程模式 状态寄存器低八位同用户编程模式，高八位中t 为i 表示处理器运行在跟踪模式，s 为 i 表示编程模式为管理员模式，i 。、r ，、i o 用于7 级中断的屏蔽。 t r a c em o d e 5 u p e r v i s o r s t a t e j n fe r r u p ! m a s k s y s t e mb y t e 厂上 u s e rb y t e 图5 状态寄存器 e x t e n d - i n e g m i v e l 。z v e r e r f l o 。；_ c o n d i t i 洲 c a r r y i - 8 叭叫2譬叶 加耵蛇柏m：2m 壁垒垄塑竖堡墅茎奎圣堑堡生兰型一 2 1 3m c 6 8 e z 3 2 8 的启动模式 m c 6 8 e z 3 2 8 共有三种启动模式n o r m a l ( 正常) 模式、e m u l a t i o n ( 仿真) 模式和 b o o t s t r a p ( 引导) 模式，究竟进入何种模式由启动时 e 删i r q 、* e m u b r kn * h i z ( + 表示低 电平有效) 三个引脚的状态来决定，其时序分别为： r e s e t e m u f r 0 e m u b r k h 亿 r e s e t e m u i r q e m u b r k h 眨 r e s e t e m u l r o e m u b r k h i z 励 少 一 l 卜_ 争一 么钐么钐钐彭形么彭黝 。 、 纥 - 豹彩叨彩形么彩彩彩黝 。 x 磁 - 钐钐形钐钐钐形钐钐黝 、 琵 图6n o r m a l 模式时序圈 砀i，一 i - _ ( 争一 钐钐钐钐钐钐钐钐么黝 - -沥 彰彩彩彩彩彩彩彩彩黝 、 趁 钐么钐钐彩彩彩彩黝 。 、i纥 图7e m u l a t i o n 模式时序图 砀。咄r l o 一 形钐钐么么么么么钐黝 ； 勉 豹豹豹彩彩彩彩彩形黝 励 么么么么钐么么么么黝 。 、 纥 圈8 b o o t s t r a p 模式时序图 图中：为信号建立时间，至少为l o n s ：为信号持续时间，至少为2 0 n s 壁垒塞塑堂垡矍苎查墨竺堡生兰窒堡 2 1 4m c 6 8 e z 3 2 8 的内存映射及片选机制 m o n t o r f r o g r a m 【d e f i n e d b yu s e 同 o x l f f f f f f f o x f f f c c c 0 0 o x f f f d f f f f 0 x f f f f f 0 0 0 o x f f f f f f c 0 5 1 2 m 图9m c 6 8 e z 3 2 8 系统内存映射 u s e r 8 m e k o r y m a p 上图为m c 6 8 e z 3 2 8 系统内存映射图，前5 1 2 m ( 0 0 x 1 f f f f f f f ) 空间可由用户自定义， 用户可将自己的d r a m 和f l a s h 映射至该区域中的任意位置；o x f f f c 0 0 0 0 一o x f f f d f f f f 处为 仿真监控程序专用区；o x f f f f f 0 0 0 一o x f f f f f e f f 为各种寄存器的地址；o x f f f f f f 0 0 为系统内 嵌的b o o t l o a d e r 程序的起始地址，系统进入b o o t s t r a p 模式后，首先执行该段程序通过 r s 2 3 2 接口与宿主机建立联系，此后用户就可对系统进行进一步的开发和调试了。 m c 6 8 e z 3 2 8 有8 个可编程片选信号，分为4 组，日p * c s a 1 ：0 、* c s b 1 ：0 、* c s c 1 ：0 和 * c s d 1 ：0 ( 丰表示低电平有效) ，它们映射的空间可通过配置相应的片选基址寄存器 ( c s g b a c s g b d ) 及片选寄存器( c s a c s d ) 来决定，其分工大致如下表所示： 表2 片选信号及其适用范围 蕊 r o 帆$ r a uf l a s hm e m o r yc h i p - s n t 蕊 r o ms 卧| f l s hm 酬。只yc h i p s e l b g t 砸 r o m s r a m f l a s h m f m g r y c h i p - s e l e c t c s 8 1r o ns r a lf l s h e 0 r yc h i p - s 吣t c ! 冠烈和d p a m r o m s p a m f 啉hm e m o r yc h i p s b e c t 穗萌两d p a mr o m s p a mf 郴hm e i * 0 r yc h 咿- 8 巳e c t 酉面丽 0 只 乩r o m s r a m r a s h m e m o r y c h i p s 且e c t c ! w ：而 d r a mr d 乩s r a m f l a s hm e m o r yc h i ps e l e c t = 0 一 窒垒垄塑些堡登苎查墨堕堡生兰窒堡一 其中* c s a 0 比较特殊，它是启动设备( 通常为f l a s h ) 的片选，在n o r m a l ( 正常) 模式 、， 系统上电或复位后，它缺省覆盖了m c 6 8 e z 3 2 8 除内部寄存器和e m u ( 仿真- ) 空间外的整个存储 器空间，其它片选则一概无效，这种状态一直延续到配置了寄存器c s g b a 及c s a ( 通常在代 码段开始处) 并使c s a 中的酣( 使能) 位有效以后，此后，* c s a o 的有效空间就是启动f l a s h 的地址空间。c 组( , c s c o * c s c i ) 和d 组( * c s d o * c s d i ) 片选也有其特殊性，它们可分别 用作d r a m 的行地址选通信号( * r a s 0 * r a s l ) 和列地址选通信号( * c a s 0 c a s l ) a 这四组片选的作用范围都可被编程为只读( r e a do n l y ) 或可读可选，b 、c 、d 组还可 编程为只允许管理员访问( s u p e r v i s o ro n l y ) 。但是，即便是已设置了r e a do n l y 和 s u p e r v i s o ro n l y ，这些片选选中的特定部分( 前2 5 6 k ) 还是可被设置为可读可选，其大小 在相应的片选寄存器中设定。 图1 0c s b o 和c s b l 映射区的保护机制 作为一个特例，下面列出我们的基本系统上的内存片选分配图，m c 6 8 e z 3 2 8 的这种片 选机制使得d r a m 、f l a s h 、1 0 统一编址，从而也简化了相关的指令。 表3 内存借选分配 地址空间片选介质大小 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 0 3 f f f f f c a s ：o r a s 1 ：0 】 e d o d r a m4 m o x o l 0 0 0 0 0 0 一o x 0 1 0 f f f f f c s a 0第一片f l a s h1 m 0 x o l l 0 0 0 0 0 o x o ll f f f f f c s a l第二片f l a s h1 m 0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 ( + 0 x 3 0 0 ) c s 8 9 0 0 a1 0 m 以 1 m ( 0 x 3 0 0 为c s 8 9 0 0 a 默认 c s b 0 太网控制器芯片 的片内基址) 堂垒蔓塑! ! 堡璺苎查至堕堡生墨壅垫 一 2 2 嵌入式操作系统p c l i n u x 2 2 1u c l i n u x 概述 嵌入式l i n u x 操作系统有很多种，其侧重点各有不同，应用时应作适当挑选。我们选择 的是u c l i n u x ( 亦作uc l i n u x ) ，它是专门用于微控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统。在 u c l i n u x “，”，2 0 1 这个英文单词中，1 1 表示m i c r o ( 微) ，c 表示c o n t r o l ( 控制) ，所以u c t i n u x 就是m i c r o c o n t r o l - l i n u x ，即“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”。也有人将c 理解 为c o r e ( 内核) ，这样u c l i n u x 就是“微内核的l i n u x 操作系统”，这两种定义正好分别 反映了u c l i n u x 的两大特性。 u c l i n u x l l ，”8 ”最初是在l i n u x2 0 版本的基础上裁减掉存储器管理单元( m m u ) 而得 到的，目前有两个常见的内核版本：2 0 3 8 和2 4 1 7 。第一个版本