（计算机软件与理论专业论文）嵌入式系统实验平台的设计与实现.pdf

华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：纺起 1 日期2 驴彩年f 月s 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。论文作者躲健导师躲食当牡 日期：2 ，。7 年月j 日 日期：加7 年# 月多日 摘要 本文阐述了基于f r e e s c a l eh c s 0 8 的嵌入式系统实验平台的研究背 景、软硬件设计及其实现方法。 首先介绍了本课题的研究背景以及本论文将要完成的工作。随着 嵌入式应用技术的迅速发展，隈入式系统已经广泛地应用于人类生活 的方方面面。社会对嵌入式人才的需求也不断增加，很多高校已经开 设了嵌入式应用技术课程。该学科具有很强的综合性，对学生的编程 水平和硬件知识都有较高的要求。f r e e s c a l e 公司推出的新一代8 位 h c s 0 8 系列微处理器，因其速度快、功能强、功耗小、价格低等优点， 在业界得到了广泛的应用。为了能方便快捷地使用h c s 0 8 系列微处理 器研发产品，须有相应的实验平台。 针对目前状况，本文设计了一个以辅助教学为目的的嵌入式系统 实验平台。 在平台的硬件设计部分，对整个硬件电路板做出规划，划分了硬 件电路板的组成模块，其主要包括了m c u 模块、电源模块、时钟模块、 通信接e 1 模块、i 0 模块、调试接口模块以及扩展接口模块。详细论述 了电路板的硬件设计和实现过程，并完成了硬件调试。 在平台的软件设计部分，介绍了如何针对特定的硬件平台使用一 整套的交叉编译工具，包括代码编辑功能及编译器、编程器、调试器 等组件。以及如何实现包括程序监控、文件传输、f l a s h 烧写等功能在 内的b o o t l o a d e r 。 本文介绍了实时操作系统pc o s i i 的特点和内核结构，分析了 uc o s i i 的移植方法，详细论述了uc o s i i 向实验平台的移植过程： 通过对体系结构相关的汇编代码的修改使系统顺利的从目标平台上引 导。 最后，本文给出了开发过程中的一些体会，并对今后的研究工作 进行了展望。 关键字：嵌入式系统，m c 9 s 0 8 g b 6 0 ，pc o s 1 1 ，实时操作系统 a b s t r a c t t h e p a p e re x p o u n d sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，d e s i g n i d e a sa n d i m p l e m e n tm e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fa ue m b e d d e ds y s t e m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nf r e e s c a l eh c s 0 8 f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ep r o j v e t a n dt h ew o r kw h i c hw i l lb ea c c o m p l i s h e d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dt e c h n o l o g y e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di na l l a s p e c t so fh u m a n sl i f e b e c a u s eo ft a l e n td e m a n do fs o c i e t y ，l o t so f c o l l e g e sh a v e s e t u pe m b e d d e da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yc o u r s e s t h i s c o u r s ei sh i g h l yi n t e g r a t e da n di tr e q u i r e st h a ts t u d e n th a sh i g h e rs u p e r i o r p r o g r a m m i n ga b i l i t ya n dh a r d w a r ek n o w l e d g e f r e e s c a l e sn e wh c s 0 8 s e r i e sm c uh a v eb e e na c c e p t e db yi n d u s t r ya l lo v e rt h ew o r l df o rt h e i r p o w e r f u lc o m p u t i n g ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dp r i c e t h e r e i s n e c e s s a r yt od e v e l o pa n dd e s i g np r o d u c tw i t hh c s 0 8s e r i e sm c uu n d e r t h es u i t a b l ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m f o rt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n e da ne m b e d d e ds y s t e m e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt e a c h i n g i nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ep l a t f o r m ，t h ep a p e rp r o g r a m st h ew h o l e c i r c u i tb o a r dt h a tc o n s i s t so fm c u m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，c l o c km o d u l e ， c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c em o d u l e ，i o m o d u l e ，d e b u g g i n g i n t e r f a c e m o d u l ea n de x p a n d i n gi n t e r f a c em o d u l e i td i s s e r t a t e si nd e t a i lt h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n to ft h ec i r c u i tb o a r d m o r e o v e r , i t c o m p l e t e st h eh a r d w a r ed e b u g g i n g i nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ep l a t f o r m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sh o wt o u s et h ec r o s s c o m p i l e rw h i c hi n c l u d e sc o d ee d i t o r , c o m p i l e r ，p r o g r a m m e r a n dd e b u g g e r i ta l s oi n t r o d u c e sh o wt oa c h i e v et h eb o o t l o a d e rw h i c h i n c l u d e sp r o g r a mm o n i t o r ，f i l e st r a n s f e r ，a n df l a s hb u r n i n g 3 t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef e a t u r e sa n dk e r n e ls t r u c t u r eo f i c o s i i ， a n da n a l y s e st h em e t h o do fp o r t i n gu c o s i i p o r t i n g uc o s i it ot h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi se x p o u n d e di np a r t i c u l a r ：t oc h a n g et h ec o d e s r e l a t e dt ot h ep l a t f o r ma r c h i t e c t u r e si no r d e rt om a k et h eo p e r a t i n gs y s t e m b o o ts m o o t h l y i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e ss o m ee x p e r i e n c e sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n t a n dr e c o m m e n d st h ea d v a n c e dv i e wo ft h er e s e a r c h k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，m c 9 s 0 8 g b 6 0 ，弘c o s i i ，r t o s 4 第一章绪论 2 1 世纪，在全球新一轮汽车、通信、信息电器、医疗、军事等行 业对智能化装备的需求驱动下，全球嵌入式软件及系统产业得到了快 速发展，可以说已经广泛地应用于人类生活的方方面面。小到智能卡、 手机、水表，大到信息家电、汽车，甚至航空航天，我们的生活已经 被嵌入式软件所包围。我们深感嵌入式在整个软件发展中占有举足轻 重的地位，它已经成了我国软件产业实现跨越式发展的重要砝码之一 1 1 1 。所以，大力发展嵌入式系统软硬件技术和应用已经迫在眉捷。 本章首先分析了论文的写作背景，即简单介绍嵌入式系统基本概 念的形成和发展以及嵌入式系统相关课程在高校开展的状况，进而提 出嵌入式系统实验平台的设计思路；然后是本文的目的和意义；最后 是本文的组成内容和结构。 1 1 论文背景 最初在1 9 7 0 年左右出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统 很多都不包括操作系统，一股它们为了实现某个控制功能，只是使用 一个简单的循环来控制对外界的控制请求进行处理。当应用系统变的 越来越复杂、利用的范围变的越来越广泛的时候，每增加一项新的功 能，都可能会导致需要从头开始设计，此时，没有操作系统就成为了 其最大的缺点。从上世纪8 0 年代开始，由于c 语言的出现使操作系统 的开发变得相对简单，于是出现了嵌入式操作系统百家争鸣的局面， 比较著名的有v x w o r k s 、l i n u x 、i lc o s i i 和w i n d o w sc e 等 此时的嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可剪裁，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统。它最大的特点在于能够根据特定用户的需求，对软硬 件进行合理剪裁。其具有的功耗低、体积小、集成度高等特点，有利 于整个系统的小型化，提高系统的智能化和网络化程度。嵌入式系统 7 一般由嵌入式硬件与嵌入式软件两部分组成，其硬件以芯片、插座、 模块、控制器的形式放在设备内部，而软件包括实时多任务操作系统 和各种专用的应用软件。 随着当前数字信息技术和网络技术的高速发展，计算机的发展已 呈现出微型化和专业化的趋势，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研 究、工程设计、军事技术、商业文化艺术以及人们的日常生活中的方 方面面中了。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入 式技术和人们的生活越来越紧密相关。社会对嵌入式技术人才的需求 量也不断加大，嵌入式软件、硬件工程师成为未来几年最为热门的职 业之一。1 2 1 作为培养嵌入式技术人才的摇篮，目前很多高校都已经开 设或准备开设嵌入式系统相关教学课程。但由于嵌入式系统是一门综 合性非常强的学科，涉及微电子技术、计算机技术、智能控制技术和 行业应用技术等诸多学科和相关课程内容，对授课教师的要求较高， 且相应的配套资料较少，这使得嵌入式系统课程的开设存在一定的难 度。因此追切需要一种有效的、符合实际具体需求的“嵌入式系统实 验平台”教学工具帮助学生尽快入门，并能够在此基础上进行一些嵌 入式的开发。作者结合本校嵌入式系统的教学现状决定以f r e e s c a l e 半 导体公司h c s 0 8 系列m c u 为核心，开发嵌入式系统实验平台。 1 2 论文目的及意义 从1 9 9 3 年起，f r e e s c a l e 半导体公司为全球提供的8 位微控制器已 超过5 0 亿片，然而我国国内大多数“熟悉”单片机的人却不知晓这一 底细，国内的微控制器市场从2 0 世纪8 0 年代开始，一直由i n t e l 公司 推出的m c s 5 1 占据着绝对的统治地位。人们又逐渐发现，从进口的 电子信息类产品，特别是各类通信产品中，其中有m c u 的，多数使用 了f r e e s c a l e 的产品，面不是m c s 5 1 。【3 1 因此，学习与掌握f r e e s c a l e 微控制器技术是中国大陆全面进入国际化的形势所迫，了解并掌握 f r e e s c a l e 微控制器体系结构，有利于我们学习与掌握更多的先进技术 与经验，扩大自己的知识面。增强创新思维能力。 8 本文所做工作希望达到的目的是开发一套嵌入式系统实验平台， 为嵌入式系统研究提供实验环境，开发人员可以通过本平台了解嵌入 式系统软硬件设计的一般思路和步骤，熟悉嵌入式操作系统的移植过 程。经过深入的研究，还可以在该平台基础上连接各种实际的外设， 试验各种嵌入式算法，为嵌入式控制器的设计作很多有益的预研工作。 该平台对于提高研究和学习人员的嵌入式系统软硬件设计能力具有很 大帮助。 1 3 论文结构及内容 本论文共分为七章，各章的内容安排如下： 第一章：绪论。说明了论文的背景、目的以及意义，最后介绍了 论文的具体结构和内容。 第二章：嵌入式系统综述。说明了嵌入式系统的基本含义包括 了对嵌入式处理器、嵌入式操作系统、嵌入式系统应用软件的特点、 嵌入式系统的产品特征以及嵌入式系统开发设计等领域的综述。 第三章：嵌入式系统实验平台设计与实现的初步工作。阐述了本 嵌入式系统实验平台的总体设计思路、一般所应具备的功能以及软硬 件工具的采用，硬件部件的选择。 第四章：嵌入式系统实验平台的硬件设计。阐述了以f r e e s c a l e 半 导体公司h c s 0 8 系列m c u 为核心的实验平台硬件环境的建立，各功 能部件的电路设计及其与m c u 的电路连接等内容。 第五章：嵌入式系统实验平台的软件设计。重点对监控程序 ( b o o t l o a d e r ) 的分析和实现做了详细说明，并简要介绍了监控程序的 运行以及p c 方软件的使用。 第六章：实时操作系统1 tc o si i 的移植。说明了将实时操作系统 l lc o si i 移植到本实验平台上豹方法和过程。 第七章：总结。对全文所做工作进行了总结，并对本嵌入式系统 实验平台进行了展望。 9 第二章嵌入式系统综述 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领 域，将其分为大型计算机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组 织学科和产业分工，这种分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随着计算机 技术的不断发展，实际情况产生了根本性的变化，例如7 0 年代定义的 微计算机演变出来的个人计算机( p c ) 如今已经占据了全球计算机工 业的9 0 的市场，其处理器速度也超过了当年的大、中型计算机的定 义。 随着计算机技术和产品对其他行业的广泛渗透，以应用为中心的 分类方法变得更切合实际，也就是按照计算机的嵌入式应用和非嵌入 式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机 的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现在社会的各 个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式 隐藏在各种装置、产品和系统中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通 用计算机的外部设备上就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、 软驱、硬盘、显示器、显示卡、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、扫描 仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在工业流 水线控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消 费类产品等领域更是嵌入式计算机的天下。嵌入式系统是将先进的计 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后的 产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。现在，嵌入式系统带来的工业年产值已超 过了1 万亿美元。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 ”，由此可以推测嵌入式计算机的应 用规模。从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的，占整 1 0 个计算机行业9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片 基本上出自i n t e l ，a m d 等几家公司。在操作系统和文字处理器方面， m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 。嵌入式系统则不同，没有哪 一个系列的处理器和操作系统可以垄断市场。即便是体系结构上存在 着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品 垄断市场。因此，嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的。 嵌入式系统工业的基础，是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软 件产品开发。1 4 1 嵌入式系统一般指非p c 系统，包括硬件和软件两个部分。硬件包 括处理器，微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。 软件部分包括操作系统软件和应用程序编程。应用程序控制着系统的 运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌 入式系统的核心是嵌入式处理器。 2 1 嵌入式系统的基本含义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) - - 词在我国广泛使用的历史并不 长。在2 0 0 1 年中国单片机学会召开的年会上，才把“单片机”与“嵌 入式系统”联系在一起。 4 1 根据i e e e ( 虱际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控 制、监视或者辅助设备、机器和车阃运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n tm a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，由此可以看出嵌入式系统是 软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。不过，上述定义并 不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义 是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机 系统。【5 1 嵌入式m c u 则是在嵌入式系统的概念广泛使用后，给传统单 片机定位的称呼。所以，可以说m c u 是最典型和最广泛的嵌入式系统。 图2 - 1 给出了典型的m c u 组成框图。 1 1 图2 - 1典型的m c u 组成框图 可见，虽然m c u 只是一块芯片。但包含了计算机的基本组成单元， 即运算器、控制器、存储器、输入以及输出设备五部分。 2 2 嵌入式处理器简介 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据目前不完 全统计，全世界嵌入式处理器的总品种量已达1 0 0 0 多种，流行体系结 构有3 0 多个系列。现在几乎每个半导体制造商都在生产嵌入式处理器r 越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间 一般从6 4 k b 到1 6 3 2 m b ，处理器速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用 封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不等。 嵌入式处理器一般具备以下几个特点：( 1 ) 对实时多任务有很强 的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部 的代码实时内核心的执行时间减少到最低限度。( 2 ) 具有很强的存储 区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免 在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速 地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。( 4 ) 嵌入式微处理 器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 嵌入式处理器根据其现状以及功能侧重不同可分为以下几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c c s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板 功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的 特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样 的，但在成本、功耗、健壮性、可靠性等方面和工业控制计算机相比， 嵌入式微处理器具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高的优点，但 是在电路板上必须包括r a m 、r o m 、总线接口以及各种外设等器件， 从而降低了系统的可靠性。同时，技术保密性也较差。嵌入式微处理 器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，成为单板计算机。 如p c i 0 4 、s t d b u s 等。近些年来，国外的一些公司又开发出了类似 “名片盒”式的名片大小的嵌入式计算机系列产品。嵌入式微处理器 目前主要有a m l 6 8 1 8 8 ，3 8 6 e x ，p o w e rp c ，m c 6 8 0 0 0 ，m i p s 等系列。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e m c u ) 嵌入式微控制器就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入 式微控制器一般是以某一种微处理器为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时器、计数器、看门狗、 i o 口、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、e e p r o m 、f l a s hr a m 等各种必要功能和外部设备。为了适应不同的应用需求，一般一个系 列的单片机具有多种衍生品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的， 不同的是处理器的外设的配置和封装。和嵌入式微处理器相比，微控 制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降， 可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。因微控制器的 片上外设资源比较丰富，适合于控制，故称为微控制器。嵌入式微控 制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 i x a 、m c s 2 5 1 、m c s - 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、 6 8 3 0 0 等。此外，还有许多半通用的系列，比如支持u s b 接口的 m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 等；支持c a n b u s 、l c d 等模块的众 多专用和兼容m c u 系列。 ( 3 ) d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和和指令进行了特殊设计，使其适合于执 行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、 频谱分析等嵌入式领域方面，d s p 算法正在大量进入并被使用。d s p 的应用方式正从在通用单片机中通过普通指令来实现d s p 功能，逐步 过渡到采用嵌入式d s p 处理器实现。嵌入式d s p 处理器有两个来源， 一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设等方式，成 为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二 是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器的方式，例如i n t e i 的 m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e 。推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个 因素是嵌入式系统的智能化，例如带有智能逻辑的消费类产品，生物 信息识别终端，带有加解密算法的键盘，实时语音压解系统，虚拟现 实显示等。这类智能化算法一般都运算量较大，特别是向量运算、指 针线形寻址等采用的较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。嵌入 式d s p 处理器比较有代表性的是德州仪器的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广，v l s i 的普及化以及半导体工艺的迅速发展。在 一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是s y s t e m o nc h i p ( s o c ) 。各种通用处理器的内核将作为s o c 设计公司的标准 库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s l 设计中一种标准的器 件，通过用标准的v h d l 语言来描述。存在器件库中。用户只需定义 出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作 样品。这样除个别无法集成的器件外，整个嵌入式系统的大部分均可 集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减 小体积和功耗、提高可靠性非常有利。【6 】 2 3 嵌入式操作系统简介 最初的嵌入式系统中并不包括操作系统，而直接采用机器语言编 写的汇编程序顺序执行，以完成简单的功能。这些汇编程序运行速度 很快，效率很高，但是可移植性和可维护性都很差。随着嵌入式系统 1 4 所要完成的功能越来越强大，操作系统也成为了嵌入式系统重要的组 成部分。 目前投入实际应用的几种主流的嵌入式操作系统有： ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司的主要产品，也是目前嵌入式系统领 域中使用最广泛，市场占有率最高的商用系统，支持许多种处理器， 如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u n s p a r c ，m o t o r o l am c 6 8 0 0 0 ，m i p sr x 0 0 0 ，p o w e rp c 等。其缺点是源代码不公开，而且价格昂贵。 ( 2 ) p s o s p s o s 是i s i 公司产品，是一个模块化的实时操作系统，专门为嵌 入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境。这个操作系统功能相 对简单，硬件支持范围不够广泛。随着i s i 公司被w i n d r i v e r 公司并购， p s o s 逐渐淡出嵌入式操作系统市场。 ( 3 ) i ic o s i i 实时操作系统pc o s i i 的前身是i lc o s ，其源代码曾分两期发 表在1 9 9 2 年第5 和第6 期e m b e d d e ds y s t e mp r o g r a m m i n g 杂志上在 之后的5 年里，这个免费的、开放源码的嵌入式实时操作系统内核得 到了社会的认可，并被广泛移植到各种m c u 上。 ( 4 ) q n x q n x 是一种微内核结构的系统，它的内核只有十几k ，提供4 种 功能：进程调度、进程闻通信、底层网络通信和中断处理。其他服务 都设定为用户进程，容易配置，可裁减性好。 ( 5 ) p a l m0 s p a l mo s 目前在p d a 市场占有较大的份额。它最大的优点是有开 放的系统应用程序接口，开发者可以根据自己需要开发相应的应用程 序。它的开发环境可以运行在w i n d o w s ，m a c i n t o s h 等多种系统下。p a l m o s 主要面向消费类电子产品，对实时性考虑不多。 ( 6 ) l i n u x l i n u x 是9 0 年代以来逐渐成熟的一个开放源代码的操作系统，符 合p o s i x 标准。p c 机上的l i n u x 版本在全球数以百万计爱好者合力开 发下，得到了非常迅速的发展，9 0 年代末x t c a m 公司的q u a r kl i n u x 和l i n e o 公司的u c l i n u x 相继推出，精简版本的l i n u x 在嵌入式领域得 到了广泛的关注 7 1 。嵌入式l i n u x 的优势在于与标准l i n u x 基本兼容， 拥有大批的程序员和现成的应用程序，随着u c i i n u x 实时化等开放项目 的深入展开，嵌入式l i n u x 的实时性也正在得到改善。 2 4 嵌入式系统应用软件的特点 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。对嵌入 式处理器系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。其主 要特点是： ( 1 ) 软件要求固化存储，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入 式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中。 ( 2 ) 软件代码高质量和高可靠性，尽管半导体技术的发展，使处 理器速度不断提高，片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中， 存储空问仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此，要求程序编写 和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。 ( 3 ) 许多应用要求系统软件具有实时处理能力。在多任务嵌入式 系统中，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。单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有 效率的。这种任务调度只能由嵌入式操作系统来完成，因此要求操作 系统具有实时处理能力。 ( 4 ) 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业标准化道 路的基础。 z 5 嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。如果独立于应 用自行发展，则会失去市场。与通用计算机不同，嵌入式系统是针对 具体应用的专用系统。一般具有成本敏感性，它的硬件和软件都必须 1 6 高效率地设计，量体裁衣去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更 高的性能。好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统，这样的产品 才更具有竞争力。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电 磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。这些也是各个半导体厂商之 间竞争的热点。嵌入式处理器针对用户的具体需求，对芯片配置进行 裁剪和添加，才能达到理想的性能，但同时还会受用户订货量的制约。 因此，不同的处理器面向的用户也不同，可能是一般用户行业用户或 单一用户。 嵌入式系统一般要求高可靠性。在恶劣的环境或突然断电的情况 下，要求系统仍然能够币常工作。还有许多嵌入式应用要求实时功能， 这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力。 嵌入式系统中的软件一般都固化在只读存储器中或闪存中，而不 是以磁盘为载体。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和 具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较 长的生命周期。 2 6 嵌入式系统开发设计的发展 最初的嵌入式应用开发方法主要是使用仿真器模拟目标系统中 m c u 的运行情况，希望达到在目标系统硬件尚未定型与制版情况下， 先行调试目标系统的硬件、软件设计，为目标系统的研制提供前期基 础。但是，一些情况下，难以实现1 0 0 的实时仿真，有些功能在用仿 真器调试时十分正常，而到了实际应用系统却不能顺利运行。同时， 传统的仿真方式的一些调试功能仅适用于初学者，对于具有一定开发 经验并拥有通用功能模块积累的开发者，往往增加了开发时间。 随着计算机制造技术的发展，许多公司新推出的m c u 具有片内 f i a s h 存储器，f l a s h 存储器具有电可擦除、无需后备电源保护数据、 可在线编程等特点。在线编程( i n c i r c u i tp r o g r a m ) 允许单片机内部 1 7 运行的程序去改写f l a s h 存储器的内容，利用这个特点，不仅可以在运 行过程中修改某些运行参数，也为研制新型嵌入式应用开发工具提供 了技术基础。本文中的嵌入式系统实验平台正是利用了这一特性，来 进行监控程序的设计与实现。 第三章嵌入式系统实验平台设计与实现的初步工作 本章将首先从总体上介绍嵌入式系统实验平台设计和实现的一般 流程，之后说明本文中嵌入式系统实验平台的具体功能需求，并在此 基础之上根据具体需求分别介绍硬件部件、硬件工具以及软件工具的 选择。 3 1 开发和设计的一般流程 嵌入式系统实验平台的开发设计应遵循软件工程的基本原则，一 般可划分为如下几个步骤： ( 1 ) 明确所要设计的嵌入式系统实验平台的功能需求； ( 2 ) 根据需要实现的功能选择合适的硬件部件、硬件设备以及软 件工具等； ( 3 ) 设计并制作硬件系统； ( 4 ) 进行软件部分的开发设计； ( 5 ) 进行完整的系统测试； ( 6 ) 完善和整理开发设计的文档及资料，为将来的后继工作打好 基础。 其中，( 1 ) 、( 2 ) 两个步骤将在本节之后分别做说明，其他的步骤 则在之后的章节中一一阐述。 3 2 嵌入式系统实验平台的功能需求分析 嵌入式系统实验平台与一般的集成电路应用设计不同，它是硬件 与软件相结合的系统。当硬件系统设计并制作好之后，即使没有任何 故障，也必须配备相应的软件才能投入使用；而且只有配合软件的使 用才可以彻底发现硬件故障或者不完善的地方，并且可能要经过反复 多次的修改。至于软件，开发人员必须配合硬件电路进行调整与性能 测试，可能也要反复修改才能完善，最后才将成熟的软件固化到系统 中。由此可见，这种硬件与软件相互依托与相互影响显然增加了系统 1 9 开发的难度。 一般来说，一个完整的基于带有f l a s h 存储器的m c u 的嵌入式系 统实验平台应该包含以下功能： ( 1 ) 嵌入式系统实验平台的主要硬件部分是以m c u 芯片及外围 电路为核心的，具有l c d 、键盘、电源、串行口驱动电路、i 0 接口 等常用部件和接口以及其它扩展槽的电路板。 ( 2 ) 用户可以在p c 上进行源程序的编辑和编译； ( 3 ) 系统可以进行在f l a s h 区上的擦除与程序的写入： ( 4 ) 系统提供源程序调试功能； ( 5 ) 通过整个集成开发环境，使用户可了解嵌入式系统软硬件设 计的一般思路和步骤，掌握本平台m c u 的各功能模块和工作原理并在 此基础之上进行编程开发的方法。还可以在该平台基础上连接各种实 际的外设，做进一步的研究。 其中程序的调试功能的实现是最复杂、最费时的，也是开发过程 中关键之处。程序的调试至少应提供断点设置。断点设置是指可以在 程序的某些地方设置断点，使程序运行到断点处即中止，并及时返回 单片机程序当前运行情况，以便用户检查该段程序运行的结果。 3 3 硬件部件及工具选择 嵌入式系统实验平台中硬件部件的选择主要是m c u 的选择，当 m c u 确定后，就可以根据该m c u 所包含的各功能模块，按其厂家提 供的d a t as h e e t 中的给定标准选择电路板上的其他配套部件以及开发 调试工具。 3 3 1m c u 的选择 本嵌入式系统软件平台将采用的m c u 是f r e e s e a l e 半导体公司出 品的h c s 0 8 系列m c u 中的m c 9 s 0 8 g b 6 0 。下面将主要介绍f r e e s e a l e 半导体公司h c 0 8 和h c s 0 8 系列m c u 的相关背景知识，以及选用 m c 9 s 0 8 g b 6 0 作为本嵌入式系统实验平台m c u 的意义。 m o t o r o l a 公司于1 9 7 4 年开始推出m c 6 8 0 0 微处理器，在此基础上， 2 0 1 9 7 9 年开始生产m c u m c 6 8 0 1 ，在1 9 8 3 年前后发展成为较高性能的 m 6 8 h c 0 5 系列，根据d a t a q u e s t 公司的资料显示，m o t o r o l a 公司的m c u 在国际市场上占有最大份额。1 9 9 0 年前后，该公司开发了针对简单被 控对象的廉价m c u 。廉价m c u 在家用电器控制方面具有明显优势。 2 0 0 0 年前后，m o t o r o l a 公司继m 6 8 h c 0 5 系列m c u 之后，推出了 m 6 8 h c 0 8 系列m c u ，它具有功能强、价格低、功耗低、指令系统丰 富等特点，是新一带的8 位m c u 。特别是其代有闪速存储器，使得它 具有更高的性能价格比，使用也更加方便。m 6 8 h c 0 8 系列的各种型号 将会陆续推向市场。2 0 0 4 年前后，m o t o r o l a 半导体公司( 2 0 0 4 年6 月 更名为f r e e s c a l e 半导体公司) 又推出了增强型8 位m c u - - - - h c s 0 8 系列，使8 位m c u 的品种更加丰富。同时，f r e e s c a l e 半导体公司的8 位m c u ，1 6 位m c u 和3 2 位m c u 并行发展，增加了其产品所占的市 场份额，也方便了用户的选型。 目前，f r e e s c a l e 半导体公司正在我国组织推广新一代h c 0 8 系列 m c u 及增强型h c s 0 8 系列m c u ，相信会对我国的m c u 应用产生积 极的影响。可以预见，h c 0 8 系列m c u 及h c s 0 8 系列m c u 将在我国 得到广泛的应用。因此选择h c s 0 8 系列m c u 作为本嵌入式系统实验 平台进行嵌入式技术的基础教学具有广泛的意义。 f r e e s c a l e 的8 位微控制器系列最新加入h c s 0 8 系列，此种微控制 器系列最早为h c 0 5 系列，逐渐发展到h c 0 8 系列，h c s 0 8 系列是h c 0 8 系列的扩展，它能够长久释放电池能量，同时提供低至1 8 v 的最高性 能，非常适用于高容量电池驱动的设备。 为了延长电池寿命，便携式产品需要很低的电压，非常低的功耗。 f r c e s c a l c 已经推出了大量的低电压产品。h c 9 s 0 8 g b 和h c 9 s 0 8 g t 产 品是h c s 0 8 系列中正在开发的第一类产品。该系列使用智能功率管理 技术减小了功率和电流消耗，也可以和一种创新的片上调试器并用， 减少开发成本和投入市场的时间。h c s 0 8 具有能够与h c 0 8 兼容的目 标代码，而且具有其他改进的指令集和寻址模式，从而可使编码效率 提高1 0 到1 5 。 h c s 0 8 的5 个功率管理模式使它具有高度灵活性。这些操作模式 包括运行、等待和三个停止模式，并且第1 个停止模式一般指完全的 低功率模式，一般在低于2 0 n a 的功率下操作，这几乎是其他竞争技术 的5 倍。与h c 0 8 系列一样，h c s 0 8 系列也可以在低功率( 通常为 7 0 0 n a ) 下快速自动唤醒，而不需要任何外部晶体或组件。 h c s 0 8 系列的片上调试器能够以在完全工作电压和无限频率范围 内实时仿真所有m c u 功能。所有这些操作都通过单个b d m 调试模式 管脚进行。这种单管脚仿真模式不需要复杂而昂贵的仿真工具。 h c s 0 8 内含一个可编程的片上内部时钟发生器，能够在3 2 k h z 到 2 0 m h z 之间的总线频率下工作。 h c s 0 8 系列产品采用第三代o 2 5nm f l a s h 技术，数据最短能够保 留1 5 年，通常能够保留1 0 0 年，同时它提供1 0 0 k 的写入消除周期， 最小值为1 0 k 。f l a s h 读取的电压可低至1 8 v ，写入电压可低至2 1 v ， 不需要m c u 电源以外的外部电压。 h c s 0 8 也能够通过2 个s c i 、s p i 进行广泛的串口通信。其他性能 包括高达4