（计算机应用技术专业论文）一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用.pdf

本人完 即：学位论 质论文的内 信息情报中 中国学术期 文档，允许 保存和汇编 据库进行检 本学位 r 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 中文摘要 中文摘要 嵌入式开发平台是进行嵌入式学习和研发的重要工具，然而微控制器( m c u ) 的种类繁多造成了嵌入式开发平台的多样性，同一厂商设计的m c u 也由于所属系 列的不同，需要使用不同的嵌入式开发平台进行学习和研发。针对嵌入式开发平 台的多样性，本文旨在设计一种通用图形化嵌入式开发平台，使用该平台可以实 现基于飞思卡尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系列m c u 的图形化嵌入式开发。 平台的通用性是通用图形化嵌入式开发平台的设计难点之一。不同的m c u ， 其硬件参数、硬件驱动程序和开发工具各不相同，要实现平台的通用性，图形化 嵌入式开发平台必须具有可定制功能。针对不同的m c u ，重新配置开发平台，可 以形成面向该m c u 的图形化嵌入式开发平台。将嵌入式开发平台划分为与m c u 相关和与m c u 无关两个部分是本文实现可定制的重要手段，同时也是本文的重要 创新点。与m c u 相关的部分主要包括硬件驱动程序构件库和m c u 配置数据库， 硬件驱动程序构件库由m c u 所有硬件模块的驱动程序组成，m c u 配置数据库中 存放了m c u 的硬件参数信息和开发工具信息。对于不同的m c u ，重新定制硬件 驱动程序构件库和m c u 配置数据库，可以实现平台的通用性。 图形化编程是可定制通用图形化嵌入式开发平台的另一个创新点，使用图形 化编程代替传统的文本编程可以提高编程效率，降低编程难度。本文采用图标控 件的思想，将m c u 的硬件模块驱动程序和常用的功能程序封装成图标控件。以此 图标控件为基础，本文设计了一款图形化嵌入式开发平台，实现了图形化程序的 编写、编译和下载等功能。 本文最后将通用图形化嵌入式开发平台应用于飞思卡尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系 列m c u 的学习和研发，并以飞思卡尔s 1 2 系列m c um c 9 s 1 2 d g 2 5 6 为主控芯片， 通过通用图形化嵌入式开发平台形成了一款面向机器人比赛的机器人开发平台。 关键词：通用性，可定制，图形化编程，图标控件 作者：姚健东 指导教师：王宜怀 a bs t r a c t e m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rb o t he m b e d d e ds t u d y a n dd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h ed i v e r s i t yo fm c uc a u s e dt h ed i v e r s i t yo fe m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m e v e nt h o s ed e s i g n e db yt h es a m ec o m p a n ya r ea l s od i f f e r e n td u e t ot h e i rc o r r e s p o n d i n gs e r i e s a sar e s u l t ，p e o p l en e e dt ou s ed i f f e r e n tk i n d so f e m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt os t u d ya n dd e v e l o p t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st o d e s i g nau n i v e r s a lg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt ot h ed i v e r s i t yo fm c u ， a n dp e o p l ec a l ld og r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p i n gw i t hf r e e s c a l es 0 8 s12 c o l d f i r e s e r i e sm c u st h r o u g ht h i sp l a t f o r m t h eu n i v e r s a l i t yi so n eo ft h ed i f f i c u l t i e so fd e s i g n i n gu n i v e r s a lg r a p h i c a l e m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m d i f f e r e n tk i n d so fm c u sh a v ed i f f e r e n th a r d w a r e p a r a m e t e r s ，d r i v e r sa n dd e v e l o p m e n tt o o l s t or e a l i z et h eu n i v e r s a l i t yo fd i f f e r e n t p l a t f o r m s ，w em u s te n s u r et h eg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mc a nb e c u s t o m i z e d t h eg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mc a nb ec u s t o m i z e dt o d i f f e r e n tm c u sj u s tb yr e c o n f i g u r i n gt h e p a r a m e t e r s d i v i d i n g t h ee m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r mt om c ud e p e n d e n c ep a r ta n dm c ui n d e p e n d e n c ep a r ti s n o t o n l yt h em e t h o dt or e a l i z et h ec u s t o m i z e df e a t u r e ，b u ta l s ot h ei n n o v a t i o no ft h ep a p e r t h em c u d e p e n d e n c ep a r tm a i n l yi n c l u d e sh a r d w a r ed r i v e rl i b r a r yw h i c hm a d eb ya l l m c uh a r d w a r ed r i v e r s ，a n dm c uc o n f i g u r a t i o nd a t a b a s ew h e r es t o r eh a r d w a r e p a r a m e t e ri n f o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n tt o o li n f o r m a t i o n t od i f f e r e n tk i n d so fm c u s ， r e c u s t o m i z et h eh a r d w a r el i b r a r ya n dm c uc o n f i g u r a t i o nd a t a b a s ec a nr e a l i z et h e u n i v e r s a l i t yo f t h ep l a t f o r m g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gi s a n o t h e ri n n o v a t i o no ft h ec u s t o m i z a b l eu n i v e r s a l g r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m r e p l a c et h et r a d i t i o n a lt e x tp r o g r a m m i n g b yg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gc a nn o to n l yi m p r o v ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c y b u ta l s o r e d u c ep r o g r a m m i n gd i f f i c u l t y i nt h i sp a p e r ，w eu s ei c o nc o n t r o l st op a c k a g em c u h a r d w a r ed r i v e r sa n dc o m m o nf e a t u r e s b a s e do nt h e s ei c o nc o n t r o l s ，w ed e s i g na g r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c hi m p l e m e n t sw r i t i n g ，c o m p i l i n ga n d d o w n l o a d i n gf u n c t i o n so fg r a p h i c a lp r o g r a m d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h eu n i v e r s a lg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m a tl a s t ，t h i sp a p e rw i l la p p l yt h eg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt o f r e e s c a l es 0 8 s12 c o l d f i r em c u ，a n du s ef r e e s c a l es12s e r i e sm c um c 9 s12 d g 2 5 6 a st h em a i nc o n t r o lc h i p w ew i l lf i n a l l yc o m p l e t ear o b o td e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c h u s e df o rr o b o tc o m p e t i t i o nb yt h i sg r a p h i c a le m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m k e yw o r d s ：u n i v e r s a l i t y ，c u s t o m i z a b l e ，g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g ，i c o nc o n t r o l s w r i t t e nb yy a o j i a n d o n g s u p e r v i s e db yw a n g y i h u a i 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 嵌入式产品的开发现状及目前嵌入式开发平台的不足1 1 1 2 理想的嵌入式开发平台3 l 。1 3 研究现状4 1 2 课题内容5 1 3 课题意义6 1 4 课题主要工作及论文结构6 1 4 1 课题主要工作安排6 1 4 2 论文结构7 第二章总体方案设计9 2 1 通用图形化嵌入式开发平台功能需求9 2 2 与m c u 相关层和与m c u 无关层的划分9 2 2 1 常见嵌入式开发平台的组成结构9 2 2 2 常见嵌入式开发平台中与m c u 相关和无关的部分1 1 2 2 3 通用图形化嵌入式开发平台中与m c u 相关和无关的部分1 2 2 3 通用图形化嵌入式开发平台结构框图1 2 2 4 通用图形化嵌入式开发平台定制及使用流程1 5 2 5 本章小结17 第三章通用性设计18 3 1 通用性的解决方案1 8 3 2 硬件驱动程序构件库的设计1 9 3 2 1m c u 通信模块驱动程序接口设计1 9 3 2 2m c u 执行模块驱动程序接口设计2 2 3 2 3 硬件驱动程序构件库的搭建2 4 3 3m c u 配置数据库的设计2 5 3 3 1m c u 配置数据库的字段信息2 5 3 3 2m c u 配置数据库配置程序的数据结构及配置注意点2 6 3 3 3m c u 配置数据库的配置过程2 8 3 。4 可定制图元的设计2 9 3 4 1 可定制图元的组成结构3 0 3 4 2 可定制图元定制程序的设计3 0 3 4 3 可定制图元的定制过程3 2 3 5 本章小结3 4 第四章图形化嵌入式开发平台的设计3 5 4 1 总体框架与功能概述3 5 4 2 图标控件类及其管理单元的设计一3 7 4 2 1 图标控件类的设计一3 7 4 2 2 图标控件管理单元的设计4 2 4 3 图形化编程控制单元的设计4 3 4 3 1 图标控件的创建4 3 4 3 2 图标控件属性的设置4 5 4 3 3 图标控件间的互连和分离4 6 4 3 4 源代码的生成4 7 4 3 5 图形化程序的保存和打开4 8 4 4 辅助编程单元的设计4 8 4 4 1 图标控件的复制、粘贴、剪切与删除4 9 4 4 2 变量的创建与使用4 9 4 4 3 图形化子程序的创建5 0 4 4 4 文本编辑方式的图形化实现5 1 4 5 应用程序的编译链接5 l 4 6 可执行代码的分析和下载5 2 4 7 设计中的难点与解决方法5 3 4 7 1 图形化程序刷新“闪烁 5 3 4 7 2 图形化嵌入式开发平台运行速度的优化5 4 4 8 本章小结5 4 第五章通用图形化嵌入式开发平台应用实例5 6 5 1 飞思卡尔s 0 8 系列m c u 的图形化嵌入式开发平台的实现5 6 5 1 1m c 9 s 0 8 a w 6 0 概述5 6 5 1 2 面向m c 9 s 0 8 a w 6 0 的图形化嵌入式开发平台的实现及使用5 6 5 2 飞思卡尔s 1 2 和c o l d f i r e 系列m c u 图形化嵌入式开发平台的实现 6 1 5 3 机器人开发平台的实现及使用6 3 5 3 1 功能需求6 3 5 3 2 机器人开发平台的实现及使用6 3 5 4 应用中发现的问题与解决方法6 9 5 5 本章小结6 9 第六章总结与展望7 0 6 1 总结7 0 6 2 展望7 1 参考文献7 2 公开发表的学术论文及参与的主要科研项目7 5 附录a 硬件驱动程序统一接口表7 6 附录b 机器人硬件主控板原理图7 8 b 1 最小系统与电源电路7 8 b 2 接口电路原理图一7 9 附录c 机器人硬件主控板及实物8 0 附录d 图形化嵌入式开发平台实例8 1 致 射8 2 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 第一章绪论 第一章绪论 近年来嵌入式领域迅猛发展，嵌入式系统已经无处不在，嵌入式系统的开发 也变得越来越复杂，嵌入式软件的复杂度大幅度增加【l 】。市场对于嵌入式系统的开 发周期、开发成本和产品质量要求也越来越高，这对嵌入式开发工具，尤其是嵌 入式开发平台，提出了新的挑战。本课题在分析现有嵌入式开发平台的不足和发 展趋势的基础上，旨在设计一种通用图形化嵌入式开发平台，并将其应用于飞思 卡尔s 0 8 s 1 2 c 0 1 d f i r e 系列m c u ( 微控制器) 的学习与研发中，达到降低学习与开发 难度，提高开发效率的目的。 1 1 课题背景 1 i 1 嵌入式产品的开发现状及目前嵌入式开发平台的不足 随着嵌入式的应用领域不断扩大，嵌入式开发方式不断发展，目前市场上 的嵌入式开发平台存在一系列的不足。 1 嵌入式产品的开发现状 1 ) 嵌入式开发以软件开发为主，嵌入式软件复杂度越来越高 嵌入式应用系统开发主要分为硬件开发和软件开发两部分。嵌入式硬件开发 主要包括芯片和器件的选型、开发板的设计与制作以及开发板的调试等。嵌入式 软件开发主要包括硬件模块驱动程序的编写、主程序流程的设计与代码的编写、 中断程序的编写以及软件的调试等。 随着i c 设计技术和制造工艺的不断发展，大部分常用的嵌入式硬件模块已经 集成到m c u 中，再辅以少量的外部元件和电路，嵌入式硬件板已经可以满足大部 分的功能需求。因此，嵌入式硬件开发在嵌入式应用系统开发中所占的比重已经 越来越小。 与嵌入式硬件开发日益统一化与精简化相反，由于嵌入式应用的领域不断扩 大，嵌入式软件开发呈现出多样性和复杂性。在嵌入式应用系统开发中，开发人 员用于软件开发的时间大幅度增长，嵌入式应用的多样性给软件的设计与调试带 来了很大的挑战，可以说目前嵌入式应用系统8 0 的开发时间都用于嵌入式软件 的开发i z j 。 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 质量与开发周期的矛盾 出细活 ，嵌入式软件的开发也符合这一规律。嵌入式软件只 规范的编码和完整大量的测试才能经受住稳定性的考验，这 个过程需要一个比较漫长的时间，嵌入式软件质量的好坏往往决定了嵌入式产品 的成败。但是，随着市场竞争的不断加剧，开发周期漫长的嵌入式产品往往没有 很强的竞争力，市场要求嵌入式产品能够快速成型并进入市场。如何在保证嵌入 式软件质量的基础上，缩短嵌入式软件的开发周期已经成为摆在所有嵌入式开发 人员面前的难题。 针对上述两个嵌入式开发的现状，对于嵌入式开发人员来说，急需一个高效 方便的嵌入式开发平台来解决日益复杂的嵌入式软件开发和缩短开发周期所带来 的一系列问题。 2 目前市场上的嵌入式开发平台的不足 前文阐述了嵌入式产品开发现状，由于目前嵌入式开发平台存在以下不足， 不能很好的解决这些问题。 1 ) 嵌入式开发平台与特定m c u 相绑定 目前市场上的嵌入式开发平台尽管功能强大，但是基本上均面向特定的m c u ， 不同的m c u 有不同的嵌入式开发平台与其对应【3 】。对于开发人员来说，使用不同 的m c u ，必须首先学习这些m c u 所对应的嵌入式开发平台的使用方法，然后才 能进行嵌入式产品的开发。目前市场上嵌入式开发平台架构各异，使用方法也大 不相同，这无形中增加了开发人员的开发难度和开发周期。 2 ) 嵌入式开发平台对硬件驱动支持不足 嵌入式软件主要包括硬件模块驱动程序、主程序和中断程序。在使用目前市 场上的嵌入式开发平台进行嵌入式产品的开发时，开发人员要编写并调试这三部 分的程序。 对于不同的需求，主程序和中断程序肯定存在很大的差异，但是硬件模块驱 动程序往往存在很大的相似性，对于同系列的m c u ，其硬件模块驱动程序基本一 致。如果将硬件模块驱动程序包含在嵌入式开发平台中，那么开发人员在实际开 发时，只需要调用这些硬件模块驱动程序来编写和调试主程序和中断程序，而不 必关心硬件模块驱动程序的具体实现。按照这种方式进行嵌入式产品的开发，一 方面可以极大缩短嵌入式产品的开发周期，另一方面可以有效的减少由于硬件模 2 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用第一章绪论 块驱动程序的错误所带来的不必要的开发开销。 目前，由于m c u 制造商所提供的硬件模块驱动程序往往是原理性论证程序， 结构较为混乱，在实际开发中使用这些原理性论证程序不能很好的进行嵌入式应 用系统的开发，所以m c u 制造商往往不在其推出的嵌入式开发平台中包含硬件模 块驱动程序。 3 ) 程序编写方式的缺陷 目前市场上大多数嵌入式开发平台采用文本编辑的方式进行程序的编写，由 于文本编辑本身具有不可克服的缺点，往往给嵌入式产品的开发带来很大的不便。 首先，在文本编辑方式中，所有的程序代码均需要手工输入，不可避免会有 一些拼写上的错误，在某些特殊的情况下，这些拼写错误不易被发现，增加了程 序调试的难度和时间。 其次，文本编辑方式往往在结构上不很清晰，对于以模块化编程为主要编程 方式的嵌入式开发来说，这种结构上的不清晰会给程序的调试和后期的维护带来 很大的不便。 最后，采用文本编辑方式的前提条件是必须熟悉所使用的编程语言的语法。 对于嵌入式开发的初学者而言，增加了学习嵌入式的难度和时间，不能够很快的 接触嵌入式开发的实质内容。 1 1 2 理想的嵌入式开发平台 鉴于目前市场上嵌入式开发平台的不足，结合嵌入式产品的开发现状，目前 一种理想的嵌入式开发平台应当具有以下的功能： 1 通用性 理想的嵌入式开发平台应能够支持多系列m c u 的开发，这里的支持可以是直 接的也可以是间接的。直接支持是指嵌入式开发平台不需要进行相关的配置即可 自动识别出当前m c u 的类型，自动更新开发环境以适应当前m c u 的开发。间接 支持是指对于不同的m c u ，在不更换嵌入式开发平台的基础上，对嵌入式开发平 台进行简单的手动配置就可以满足不同m c u 对开发平台的不同要求【4 】。 2 包含硬件模块驱动程序库 在构建嵌入式开发平台时，将硬件模块驱动程序按照m c u 的类别进行分类， 形成不同m c u 所对应的不同硬件模块驱动程序库。这样，一方面开发人员在使用 该嵌入式开发平台进行开发时，不需要编写和调试该m c u 的硬件模块驱动程序， 第一章绪论 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 只需要调用硬件模块驱动程序库中的函数，就可以实现m c u 常用硬件模块的功 能，减少了开发周期和开发难度。另一方面由于硬件模块驱动程序库在嵌入到嵌 入式开发平台之前已经进行了大量的测试，这也能在一定程度上保证最终嵌入式 产品的稳定性。 3 图形化编程与文本编程相结合的编程方式 相对于传统的文本编程方式，图形化编程方式具有程序结构清晰、软件开发 效率高、编程出错率低和组态灵活等优点【5 1 。在嵌入式软件开发中，图形化编程更 容易发挥模块化编程的优势。但是，一些涉及到程序稳定性的代码不容易用图形 化来实现，因此必须在编程时加入文本编程的元素。采用图形化编程与文本编程 相结合的编程方式进行嵌入式开发，既能加快开发周期，又能保持原有文本编程 的优点，目前越来越多的公司在嵌入式软件开发中采用图形化编程的方式，这种 编程方式已经逐渐被业界所认可，是嵌入式开发的发展趋势【6 j 。 4 具有良好的辅助纠错和仿真功能 嵌入式软件测试作为嵌入式开发的一部分，所占的比重越来越大。测试的目 的在于找出软件的漏洞和错误，并验证系统的性能是否达到应用要求。 具有良好辅助纠错功能的嵌入式开发平台可以快速定位错误的位置，并能对 可能存在错误的代码给出提示，这样能够有效预防出错，并在出错时能够快速定 位出错位置，提高测试的效率。 在测试系统的性能是否达到应用要求时，往往采用仿真的方式进行验证。仿 真是指利用计算机模拟实际系统，对系统进行分析与研究，以此获得该系统的行 为数据，也就是展示真实系统的动态性能【7 1 。将仿真功能内嵌到嵌入式开发平台中， 可以帮助开发人员实时掌握系统各个模块的性能，并能对其中的“瓶颈”模块进 行优化或重新设计，提高测试的效率。 1 1 3 研究现状 目前市场上较为成熟的图形化嵌入式开发平台有美国国家仪器( n i ) 公司研制 开发的l a b v i e w 开发平台和m i c r o s o f t 公司研制开发的r o b o t i c sd e v e l o p e rs t u d i o 平台。 l a b v i e w 开发平台主要面向数据采集和仪器控制，集成了与满足g p i b 、v x i 、 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，使用的是图形化编辑 语言g 编写程序，产生的程序是框图的形式8 】【9 】。 4 - - 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 第一章绪论 r o b o t i c sd e v e l o p e rs t u d i o 平台是一个面向机器人软件开发的图形化开发平 台，可以支持8 位处理器、1 6 位处理器，或者具有多核处理器的3 2 位系统，使用 该开发平台能够开发多种不同的应用程序【10 1 。 上述的两种图形化嵌入式开发平台均由国外公司研制开发，存在资料大多为 英文，并且价格较为昂贵等问题。 1 2 课题内容 本文将以前文中阐述的理想嵌入式开发平台为设计目标，设计一种通用图形 化嵌入式开发平台，并将其应用于飞思卡尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系列m c u 的学习与 研发中。本课题主要分为以下几方面内容： 1 m c u 硬件模块驱动程序通用编程框架的设计 m c u 种类的多样化造成了嵌入式开发平台的多样化。不同的m c u ，其硬件 模块各不相同：相同的硬件模块在不同的m c u 上的编程也存在很大的差异。但是 通过分析m c u 常用硬件模块驱动程序，发现不同m c u 的同一硬件模块在函数接 口上存在很大的相似性，加上m c u 的硬件模块总数有限，这样就可以为各个硬件 模块驱动程序设计统一的编程框架，使其在函数接口上相一致，为后面通用嵌入 式开发平台的设计打下基础。 2 m c u 配置数据库的设计 不同m c u ，其硬件参数和开发工具各不相同，将m c u 的硬件参数和开发工 具的信息存放在m c u 配置数据库中，不同的m c u 对应不同配置的m c u 配置数 据库【l l 】【12 1 ，上层的图形化嵌入式开发平台可以根据m c u 配置数据库中的信息对 开发平台自动进行配置【1 3 j 【14 1 ，形成面向不同m c u 的图形化嵌入式开发平台。m c u 配置数据库是实现通用性的关键之一。 3 可定制图元的设计 可定制图元是本课题的关键部分之一，通过对可定制图元的不同配置，可以 快速形成各个硬件模块所对应的图形化编程图标控件，对上层的嵌入式开发人员 而言，编程方式并没有改变，这是实现通用性的关键技术。 4 图形化嵌入式开发平台的设计与应用 作为本文的主体工作，将图形化嵌入式开发平台分为图形化编程、代码自动 生成、代码编译和可执行代码下载等功能模块【1 5 】，在完成各个功能模块代码编写 第一章绪论 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 的基础上，将这些功能模块组合成图形化嵌入式开发平台，并将其应用于飞思卡 尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系列m c u 的学习与开发中，以验证通用图形化嵌入式开发平 台的可用性和正确性。 1 3 课题意义 对于嵌入式的初学者而言，一方面开发平台采用图标控件的图形化编程方式， 这样初学者在不需要十分熟悉嵌入式开发语言( 主要是c 语言) 的基础上就可以进 行嵌入式的学习，并且可以养成模块化编程的习惯，为日后嵌入式程序的编写打 下良好基础；另一方面开发平台已经将m c u 硬件模块的驱动程序包含在开发平台 中，初学者不需要先理解硬件模块驱动程序的编程原理就可以先接触到嵌入式应 用程序的开发，降低了嵌入式学习的难度，提高了嵌入式学习的效率。 对于嵌入式的开发人员而言，首先，本文设计的嵌入式开发平台具有良好的 通用性，开发人员不必再为频繁更换嵌入式开发平台而浪费宝贵的开发时间；其 次，平台采用图标控件的图形化编程方式，相比于传统的文本编辑方式，大大提 高了程序的编写速度，提高了嵌入式产品的开发效率；再次，m c u 硬件模块的驱 动程序已经包含在开发平台中，开发人员可以直接调用硬件模块的驱动程序，不 需要再编写各个硬件模块的驱动程序，减少了开发的时间；最后，开发平台的图 形化编程图标控件可以自由定制，开发人员可以将已经设计好的功能函数定制为 图标控件以供其他开发人员使用，程序的复用性大大提高。 本文设计的通用图形化嵌入式开发平台主要用于飞思卡尔s 0 8 s 1 2 c 0 1 d f i r e 系列m c u 的学习和研发。对于其他厂商的m c u 的开发平台而言，本文所设计的 通用图形化嵌入式开发平台的架构具有很好的借鉴意义，可以用于设计其他厂商 m c u 的通用图形化嵌入式开发平台。 1 4 课题主要工作及论文结构 1 4 1 课题主要工作安排 本文的主要工作分为四个阶段：总体设计阶段、嵌入式开发平台通用性设计 阶段、图形化嵌入式开发平台设计阶段和通用图形化嵌入式开发平台应用阶段。 其中图形化嵌入式开发平台设计阶段和通用图形化嵌入式开发平台应用阶段是相 辅相成的，前者以后者的功能需求为设计目标，后者是对前者功能的检验，这两 个阶段可以并行。 6 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用第一章绪论 ( 1 ) 总体设计阶段的主要任务是在分析嵌入式开发平台的组成结构的基础上， 根据通用性和图形化的要求，将通用图形化嵌入式开发平台划分为与m c u 相关和 与m c u 无关两部分，以此为基础设计通用图形化嵌入式开发平台的系统框图，并 给出开发平台的使用流程。 ( 2 ) 在嵌入式开发平台通用性设计阶段中，根据通用图形化嵌入式开发平台中 与m c u 相关的部分的功能需求，设计并实现硬件驱动程序构件库、m c u 配置数 据库和可定制图元。 ( 3 ) 在图形化嵌入式开发平台设计阶段中，首先分析图形化嵌入式开发平台的 功能需求，其次给出图形化嵌入式开发平台的总体框架，最后完成总体框架中各 个功能模块程序的编写和测试，并将这些功能模块组合成图形化嵌入式开发平台。 ( 4 ) 通用图形化嵌入式开发平台应用阶段的任务是将开发平台应用于飞思卡 尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系列m c u 的学习和研发，形成面向上述系列m c u 的图形化 嵌入式开发平台，并以机器人比赛为应用平台，形成面向机器人开发的机器人开 发平台。由于时间有限，本文选择飞思卡尔s 0 8 系列m c um c 9 s 0 8 a w 6 0 ，s 1 2 系 列m c um c 9 s 1 2 d g l 2 8 、m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 和c o l d f i r e 系列m c um c f 5 2 2 3 3 这些主 流m c u ，定制形成面向这些m c u 的图形化嵌入式开发平台以验证通用图形化嵌 入式开发平台的可用性。 1 4 2 论文结构 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章为绪论部分，首先阐述了嵌入式产品的开发现状和对嵌入式开发平台 的功能要求，其次分析了目前市场上嵌入式开发平台的不足，然后根据功能要求 和现存的不足总结了理想的嵌入式开发平台应当具有的功能，最后以理想的嵌入 式开发平台为设计目标，给出了本文所设计的通用图形化嵌入式开发平台的主要 内容和功能以及其所具有的现实意义。 第二章为总体方案设计部分，在分析现有嵌入式开发平台架构的基础上，针 对通用图形化嵌入式开发平台的通用性和图形化编程需求，将通用图形化嵌入式 开发平台划分为与m c u 相关和与m c u 无关两部分，提出了通用图形化嵌入式开 发平台的组成架构，并详细阐述了各个组成模块的功能，最后给出了通用图形化 嵌入式开发平台的运行流程。 第三章为通用性设计部分，第二章总体方案设计已经分离出通用图形化嵌入 式开发平台中与m c u 相关的部分，本章根据平台中与m c u 无关的部分，提出了 7 第一章绪论 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 通用性的设计方案，并给出了通用性设计的具体编程实现方式。 第四章为图形化嵌入式开发平台设计部分，主要完成通用图形化嵌入式开发 平台的图形化编程设计。本章首先给出了图形化嵌入式开发平台的总体框架，然 后阐述了图标控件类、图形化编程、图形化程序的编译链接和下载的编程实现方 式，最后对设计中的难点和解决方法进行了详细的阐明。 第五章为通用图形化嵌入式开发平台应用实例。首先将通用图形化嵌入式开 发平台应用在飞思卡尔s 0 8 s 1 2 c o l d f i r e 系列m c u 的学习和研发上；其次以飞思 卡尔s 1 2 系列m c um c 9 s 1 2 d g 2 5 6 为主控芯片，形成面向机器人比赛的机器人开 发平台：最后根据应用中所产生的问题，对通用图形化嵌入式开发平台进行了 改进。 第六章为总结和展望部分，对本文进行了总结，并进一步提出了一些尚待研 究和实现的问题。 8 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用第二章总体方案设计 第二章总体方案设计 本章从通用图形化嵌入式开发平台的功能出发，分析了常见嵌入式开发平台 的组成结构，根据通用图形化嵌入式开发平台的通用性和图形化编程要求，将开 发平台的组成结构划分为与m c u 相关和与m c u 无关两部分，并设计了开发平台 的架构及结构框图，最后给出了开发平台的运行流程。 2 1 通用图形化嵌入式开发平台功能需求 为了满足开发平台的通用性和图形化编程的要求，通用图形化嵌入式开发平 台应当具有以下的功能： ( 1 ) 对于不同的m c u ，开发平台具有可定制功能，经过简单的定制，可以形 成面向不同m c u 的嵌入式开发平台，以满足通用性的要求。 ( 2 ) 开发平台包含m c u 的硬件驱动程序构件库，对于不同的m c u ，可以更 换硬件驱动程序构件库。 ( 3 ) 开发平台具有将硬件模块驱动程序图形化的功能，各个硬件模块驱动程序 和功能子程序均有对应的图标控件，以方便开发人员使用这些图标控件进行图形 化编程。 ( 4 ) 开发平台以图形化编程方式为主，少量文本编程方式为辅，采用图形化编 程与文本编程相结合的编程方式进行嵌入式软件的开发。 ( 5 ) 开发平台具有代码编译链接功能，能够生成可执行代码文件。在使用中， 可以根据需要更换汇编器、c 编译器和链接器。 ( 6 ) 开发平台具有将可执行代码文件下载到目标硬件开发板中运行的功能。 2 2 与m c u 相关层和与m c u 无关层的划分 针对开发平台的通用性要求，接下来首先分析常见嵌入式开发平台的组成结 构，并分离出其中与m c u 相关和与m c u 无关的部分，为通用图形化嵌入式开发 平台的整体架构设计打下基础。 2 2 1 常见嵌入式开发平台的组成结构 不同系列m c u 的嵌入式开发平台在功能和使用上往往大不相同，目前常见的 9 第二章总体方案设计 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 嵌入式开发平台的组成结构如图2 1 所示，主要包括m c u 参数及配置部分、代码 编辑部分、文件生成部分和仿真及下载部分【1 6 】【17 1 ，各个部分的功能如下： m c u 参数及配置 嵌入式开发平台 文件生成仿真及下载 图2 - 1 常见嵌入式开发平台的组成结构 1 m c u 参数及配置部分 m c u 参数及配置部分包括与具体m c u 相关的信息，如r a m 区的大小及起 始地址，f l a s h 区的大小、起始地址及分区信息、m c u 的启动程序等。不同的m c u ， 其上述信息差异很大。 2 代码编辑部分 代码编辑部分主要实现程序的文本化功能，由工程组织单元、文本编辑单元 和辅助功能单元组成。为用户提供不同程序文件的组织、代码的高亮显示以及函 数与变量的定位等功能。 3 文件生成部分 文件生成部分实现将编写好的代码文件通过相关的工具，进行编译链接，生 成可执行代码文件，也可以根据用户的要求，生成列表文件和存储器分配文件。 不同的m c u ，往往需要不同的工具集进行上述文件的生成。 4 仿真及下载部分 仿真及下载部分由程序仿真单元、程序调试单元和程序下载单元组成。程序 仿真单元利用计算机模拟实际系统，能够展示真实系统的动态性能。程序调试单 元可以帮助用户了解程序运行的流程和运行时寄存器与内存单元的值。程序下载 单元提供将可执行代码文件下载到目标硬件板上运行的功能。 l o 圈圆圆圆圈旦圈旦 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用第二章总体方案设计 2 2 2 常见嵌入式开发平台中与m c u 相关和无关的部分 2 2 1 节中阐述了常见嵌入式开发平台的组成结构，从中可以看出，不同的 m c u ，由于其硬件参数和辅助开发工具各不相同，往往需要不同的嵌入式开发平 台来满足不同m c u 的开发要求，这给设计通用嵌入式开发平台带来了很大的困 难。 为了实现嵌入式开发平台的通用性，需要对开发平台的架构进行重新设计， 分离出与m c u 无关部分和与m c u 相关部分。对于与m c u 无关的部分，可以设 计出统一的平台架构；对于与m c u 相关的部分，可以将与m c u 相关的信息集成 为面向该m c u 的配置库。不同的m c u ，可以搭配不同的配置库，再加上统一的 平台架构，即可以实现通用嵌入式开发平台的设计。 常见嵌入式开发平台中与m c u 无关和与m c u 相关的部分如图2 2 所示。 图2 2 常见嵌入式开发平台中与m c u 无关和与m c u 相关的部分 与m c u 无关部分主要包括平台界面框架、工程组织单元和文本编辑及辅助单 元。平台界面框架可以采用统一的m d i 方式进行设计；工程组织单元面向的文件 主要为h 头文件、c 源文件和汇编文件，由于文件的固定性，工程组织单元的设 计方法往往也比较统一；文本编辑及辅助单元的主要功能是提供程序代码的编辑 平台，采用常用的文本编辑软件的设计方法即可达到要求。因此，对于不同的m c u ， 嵌入式开发平台中与m c u 无关部分的设计可以采用统一的设计方法，不因m c u 的不同而有所不同。 与m c u 相关的部分主要包括m c u 硬件参数、m c u 启动程序、编译链接工 具集、程序仿真单元、程序调试单元和程序下载单元。对于不同的m c u ，这些程 序和工具并不相同。为了实现嵌入式开发平台的通用性，可以将这些程序和工具 集成为嵌入式开发平台的配置库。对于不同的m c u ，嵌入式开发平台在运行时调 第二章总体方案设计 一种通用图形化嵌入式开发平台的设计及应用 用不同m c u 的配置库，由于配置库属于后台操作范畴，开发人员在使用嵌入式