嵌入式系统实例解析课程重点及考试用到的程序.pdf

2013 7 3 1 嵌入式系统的概念 目前 对嵌入式系统的定义多种多样 但没有一种 定义是全面的 下面给出两种比较合理的定义 从技术的角度定义 以应用为中心 以计算机技术 为基础 软件硬件可剪裁 适应应用系统对功能 可靠 性成本体积功耗严格要求的专用计算机系统 性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 从系统的角度定义 嵌入式系统的设计完成复杂功 能的硬件和软件 并使其紧密耦合在一起的计算机系统 术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完 整的部分 称为嵌入的系统 嵌入的系统中可以共存多 个嵌入式系统 1 2 嵌入式处理器 分类 嵌入式处理器可以分为以下几类 1 嵌入式微处理器 2 嵌入式微控制器 2 嵌入式微控制器 3 嵌入式DSP处理器 4 嵌入式片上系统 SOC 概述 3种嵌入式操作系统 监操 适用于计算中心等较大 的计算机系统 多道批处理系统 监 控 程 序 操 作 系 统 分时操作系统 实时操作系统 适用于多个用户共享系 统资源 适用于嵌入式设备和有 实时性要求的系统中 时间先后 基本概念 前后台系统 循环中调用相应 的函数完成相应的操 作这部分可以看成 中断服务程序处理异 步事件 这部分可以 作 这部分可以看成 后台行为 后台也可 以叫做任务级 这种 系统在处理的及时性 上比实际可以做到的 要差 看成前台行为 前台 也叫中断级 时间相 关性很强的关键操作 一定是靠中断服务程 序来保证的 实时操作系统是一段在嵌入式系统启动后首 先执行的背景程序 用户的应用程序是运行于 RTOS之上的各个任务 RTOS根据各个任务的 要求 进行资源 包括存储器 外设等 管理 消息管理任务调度异常处理等工作消息管理 任务调度 异常处理等工作 多任务系统中 内核负责管理各个任务 或 者说为每个任务分配CPU时间 并且负责任务之 间的通信 内核提供的基本服务是任务切换 内核提供必不可少的系统服务 如信号量 消息队列 延时等 基本概念 非占先式内核 非占先式内核要求每个任务自我放弃CPU的所有 权 非占先式调度法也称合作型多任务 各个任务 彼此合作共享一个CPU 异步事件还是由中断服务彼合作共享个异步事件还是由中断服务 来处理 中断服务可以使一个高优先级的任务由挂 起状态转变为就绪状态 但中断服务以后控制权还 是回到原来被中断了的那个任务 直到该任务主动 放弃CPU的使用权时 那个高优先级的任务才能获 得CPU的使用权 2013 7 3 2 基本概念 占先式内核 当系统响应时间很重要时 要使用占先式内核 因此绝大多数商业上销售的实时内核都是占先式内 核 最高优先级的任务一旦就绪 总能得到CPU的核最高优先级的任务就绪 总能得到的 控制权 当一个运行着的任务使一个比它优先级高 的任务进入了就绪状态 当前任务的CPU使用权就 被剥夺了 或者说被挂起了 那个高优先级的任务 立刻得到了CPU的控制权 如果是中断服务子程序 使一个高优先级的任务进入了就绪态 中断完成时 中断的任务就被挂起 优先级高的那个任务开始运 行 基本概念 中断 中断是一种硬件机制 用于通知CPU有个异步 事件发生了 中断一旦被识别 CPU保存部分 或 全部 上下文即部分或全部寄存器的值 跳转到专全部 下文即部分或全部寄存的值 转到专 门的子程序 称为中断服务子程序 ISR 中断服 务子程序做事件处理 处理完成后 程序回到 1 在前后台系统中 程序回到后台程序 2 对非占先式内核而言 程序回到被中断了的任 务 3 对占先式内核而言 让进入就绪态的优先级最 高的任务开始运行 基本概念 中断 基本概念 时钟节拍 时钟节拍是特定的周期性中断 这个中断可以 看作是系统心脏的脉动 中断之间的时间间隔取决 于不同应用 一般在10ms到200ms之间 时钟的节于同应用 般在到间时钟的节 拍式中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟 节拍 以及当任务等待事件发生时 提供等待超时 的依据 时钟节拍率越快 系统的额外开销就越大 实时操作系统的优缺点 优点 在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程 序 使程序的设计和扩展变得容易 不需要大的改动 就可以增加新的功能 通过将应用程序分割成若干独就可增新的能通过将应用程序分割成若干独 立的 而且对实任务模块 使应用程序的设计过程大 为简化时性要求苛刻的时间都得到了快速 可靠的处 理 通过有效的系统服务 嵌入式实时操作系统使得 系统资源得到更好的利用 缺点 但是 使用嵌入式实时操作系统还需要额外的 ROM RAM开销 2 5 的CPU额外负荷 以及内核 的费用 概述 LPC2000系列芯片内部均具有PLL电路 振荡器产 生的时钟Fosc通过PLL升频 可以获得更高的系统时钟 Fcclk Fcclk 输入范围 10 25MHz 将FOSC提升到 10 60MHz PLL 晶体 振荡器 VPB 分频器 FCCLK FPCLK fOSC FOSC CPU内核 芯片外设 2013 7 3 3 PLL的锁定过程 CCO的输出频率受到 相位频率检测 部件的控制 输出所需频率的过程不是一蹴而就的 而是一个拉锯反 复的过程 复的过程 时间 t 输出频率 f 预期频率 锁定 CCO的输出频率在高低 起伏一段时间后渐渐稳 定在了预期的频率值 输出频率稳定后即 锁定 成功 PLL频率计算 锁定之后这两个频率相等 FOSC FCCO 2 p M 相位频率 检测 流控 振荡器 CCO 2P 分频 M分频 PLL FOSC FCCO FCCO 2 p FCCO 2 p M 1 2 3 OSCCCO 连接PLL之后 FCCLK FCCO 2 p Fcco 2 p 信号经过 M分频 部件 得到Fcco 2 p M 的频率 Fcco经过 2P分频 部件后得到Fcco 2 p 的频率 Fcclk为PLL最终的输出频率 也是处理器的时钟频率 Fcco为PLL电流控制振荡器的输出频率 Fosc为晶体振荡器的输出频率 即PLL的输入频率 PLL频率计算 可以得出以下几个等式 Fosc Fcco 2 p M Fcco Fosc 2 p M Fcclk Fcco 2 p Fcco Fcclk 2 p Fcclk Fcco 2 p Fcco Fcclk 2 p 最后得出PLL的输出频率 当PLL激活并连接时 为 Fcclk M Fosc或Fcclk Fcco 2 P CCO输出频率为 Fcco Fcclk 2 P 或Fcco Fosc M 2 P PLL设置举例 系统要求Fosc 10MHz Fcclk 60MHz 根据这些要求 1 确定Fcclk 60MHz 2 选择Fosc 10MHz 3 计算M Fcclk Fosc 60MHz 10MHz 6 M 1 5 所以写入PLLCFG 4 0 00101 4 计算P Fcco Fcclk 2 其中Fcco为156 320 MHz 当Fcco 156MHz时 P 156MHz 2 60MHz 1 3 当Fcco 320MHz时 P 2 67 P取整数2 所以写入PLLCFG 6 5 01 注意 The value written to the PSEL bits in PLLCFG is 00 forP 1 01 for P 2 10 for P 4 11 for P 8 应用示例 要求将P0 8 P0 9设置为TxD1 RxD1 通过查阅PINSE0寄存器设置表 得到P0 9和P0 8 PINSEL0 0 x05 16 的控制位为PINSEL0 19 16 当该域设置为 0101 0 x05 时选择 RxD1和 TxD1 为了不影响别的管脚连接设置 通常选择下面的 设置方法 PINSEL0 PINSEL0 2013 7 3 4 使用GPIO注意要点 引脚设置为输出方式时 输出状态由IOxSET和 IOxCLR中最后操作的寄存器决定 IOxCLR中最后操作的寄存器决定 大部分GPIO输出为推挽方式 个别引脚为开漏输 出 正常拉出 灌入电流均为4mA 短时间极限 值40mA 复位后默认所有GPIO为输入模式 define DataBus 0 xFF 使用IOxSET和IOxCLR实现 GPIO应用示例 输出多位数据至IO口 在需要将多位数据同时输出到某几个IO口线时 通常使用 IOxSET和IOxCLR来实现 在某些情况下也可以使用IOxPIN寄存 器实现 后者可以在多个IO口上直接输出0和1电平 本例将8位无符号整形变量Data的值输出到P0 0 P0 7 PINSEL0 IO0DIR DataBus IO0CLR DataBus IO0SET DataBus 1 设置引脚连接模块 P0 0 7为GPIO 2 设置P0 0口方向 设置为输出 3 清零8位IO口的输出状态 4 Data变量中为1的位将输出高电平 0 x 0 x00Data 数据输出线 define DataBus 0 xFF GPIO应用示例 输出多位数据至IO口 在需要将多位数据同时输出到某几个IO口线时 通常使用 IOxSET和IOxCLR来实现 在某些情况下也可以使用IOxPIN寄存 器实现 后者可以在多个IO口上直接输出0和1电平 本例将8位无符号整数变量Data的值输出到P0 0 P0 7 使用IOxPIN实现 PINSEL0 IO0DIR DataBus IO0PIN IO0PIN 1 设置引脚连接模块 P0 0为GPIO 2 设置P0 0口方向 设置为输出 3 写IO0PIN 输出数据 0 x Data 数据输出线 0 x 0 x00Data 与前者对比 概述 LPC2000系列ARM具有4路外部中断 可以设置为2种类型 边沿触发 边沿触发 上升沿触发 下降沿触发 电平触发 高电平触发 低电平触发 边沿触发中断 下降沿触发类型中断的请求和清除时序 T2时刻 CPU执行完成中断控制器的中断服务程序 清除中断中断信号回复到高电平 T1时刻 中断信号有下降沿产生 中断控制器向CPU 发出中断请求 2 1 中断信号下降沿触发 T1T2 清除中断 中断信号回复到高电平 电平触发中断 低电平触发类型中断的请求和清除时序 中断信号低电平触发 T1T3T2 2013 7 3 5 T2时刻 中断控制器确认中断信号是低电平后 将向 求 T1时刻 中断信号开始由高电平转为低电平 T3时刻 CPU执行完成中断控制器的中断服务程序 清除中断 中断信号回复到高电平 CUP发出中断请求 名称描述访问复位值地址 EXTINT外部中断标志寄存器R W00 xE01FC140 EXTWAKE外部中断唤醒寄存器R W00 xE01FC144 EXTMODE外部中断方式寄存器R W00 xE01FC148 EXTPOLAR外部中断极性寄存器R W00 xE01FC14C 中断寄存器汇总 中断信号波形与设置方式 相应位设置值 设置说明 相应位设置值 信号波形 极性控制寄存器 EXTPOLAR 方式控制寄存器 EXTMODE 低电平触发0 低 0 电平 高电平触发1 高 0 电平 下降沿触发0 下降 1 边沿 上升沿触发1 上升 1 边沿 外部中断引脚设置 LPC2000系列芯片允许多个引脚同时作为一个外部中 断的输入引脚 根据其方式位和极性位的不同 外部中 断逻辑处理如下 低电平触发方式 作为EINT功能的全部引脚的状态相 与后作为输入信号 高电平触发方式 作为EINT功能的全部引脚的状态相 或后作为输入信号 边沿触发方式 只使用GPIO端口号最低的那个引脚 并且与极性设置无关 在实际应用中的注意点 如果要产生外部中断 除了引脚连接模块的设置 还部中断引脚 需设置VIC模块 否则外部中断只能反映在EXTINT寄 存器中 要使器件进入掉电模式并通过外部中断唤醒 软件应 该正确设置引脚的外部中断功能 再进入掉电模式 4 7 外部中断输入 外部中断应用示例 初始化EINT0为电平中断 PINSEL1 PINSEL1 EXTMODE EXTMODE 初始化EINT0为下降沿中断 清除所有外部中断标志 EXTMODE EXTMODE EXTINT 0 x0F PINSEL1 PINSEL1 EXTMODE EXTMODE 0 x01 EXTPOLAR EXTPOLAR 捕获寄存器0 CR0 捕获寄存器1 CR1 捕获寄存器2 CR2 捕获寄存器3 CR3 捕获控制寄存器 CCR 捕获功能 匹配功能 匹配控制寄存器 MCR MAT 3 0 CAP 3 0 中断标志寄存器 IR 比 较 器 定时器计数值 匹配寄存器0 MR0 匹配寄存器1 MR1 匹配寄存器2 MR2 匹配寄存器3 MR3 外部匹配寄存器 EMR 4 8定时器结构图 预分频器 PR PC 定时器 计数器 TC PCLK 使能 0 x0000 0000 定时器控制寄存器 TCR 复位 外部匹配寄存器 EMR 2013 7 3 6 Fpclk 分频器寄存器描述 名称描述访问复位值 PR预分频控制寄存器 用于设定预分频值 为32位寄存器 读写0 PC 预分频计数器 为32位计数器 计数频率为PCLK 当计 数值等于预分频计数器的值时 TC计数器加1 读写0 TC 定时器计数器 为32位计数器 计数频率为PCLK经过预 分频计数器后频率值 读写0 定时器的计数频率定时器的计数频率 1PR Fpclk 定时器控制寄 存器TCR用于控制 定时器计数器的操 作 预分频器 PR PC 定时器 计数器 TC 使能 0 x0000 0000 定时器控制寄存器 TCR 复位 控制寄存器 TCR 作 TCR功能描述复位值 0计数器使能 1 定时器计数器和预分频计数器使能计数 0 定时器计数器和预分频计数器停止计数 0 1计数器复位 为1时定时器计数器和预分频计数器在PCLK的下一个 上升沿同步复位 0 PCLK 中断标志寄存器 IR 捕获功能匹配功能 中断寄存器包含4个位用 于匹配中断 另外4个位用于 捕获中断 如果有中断产生 IR中的对应位会置位 向对 应的IR位写入1会复位中断 中断标志寄存器 IR 应的IR位写入1会复位中断 写入0无效 位功能描述位功能描述 0MR0中断匹配0中断4CR0中断捕获0中断 1MR1中断匹配1中断5CR1中断捕获1中断 2MR2中断匹配2中断6CR2中断捕获2中断 3MR3中断匹配3中断7CR3中断捕获3中断 定时器中断 定时器与VIC的关 系 4 8 定时器0 1 TIMER0 TIMER1分别位于VIC的通道4和通道5 中断使能 寄存器VICIntEnable的Bit4和Bit5分别用来控制通道4和通道5的 使能 通道4定时器0 向量IRQ通道0 向量IRQ通道15 非向量IRQ通道 VICIntSelect 4 VICIntEnable 4 IRQ FIQ 通道5定时器1 VICIntSelect 5 VICIntEnable 5 IRQ FIQ VICVectAddr0 VICVectCntl0 VICVectAddr15 VICVectCntl15 VICDefVectAddr IRQ 通道 分配 使能 定时器中断 匹配中断 LPC2000系列ARM定时器计数溢出时不会产生中断 但是时可产生中断每个定时器都具有4个寄但是匹配时可以产生中断 每个定时器都具有4个匹配寄 存器 MR0 MR3 可以用来存放匹配值 当计数值 匹配值时 产生匹配中断 定时器中断 匹配中断 匹配控制寄存器控制着匹配中断的使能 以定时器0匹配通道0为例 当T0TC T0MR0时 若T0MCR 0 0 则匹配中断禁止 当T0TC T0MR0时 若T0MCR 0 1 则匹配中断使能 T0MCR 0 1 定时器0计数值TC 定时器0匹配值MR0T0IR 0 匹配中断标志 2013 7 3 7 使用定时器的注意要点 定时计数器 TC 本身不能产生中 断 只有与匹配寄存器发生匹配后 计算定时器的 计数频率 设置匹配值及 工作模式 操作流程 断有与寄存发 才能引起中断事件 在定时器匹配发生后 可以不停 止定时器工作 而动态修改匹配寄 存器的值 定时器计数时钟频率 Fpclk PR 1 工作模式 设置捕获方式 设置定时器中断 VIC 启动定时器 TCR Void Time0Init void T0TC 0 T0PR 0 T0MCR 0 x03 T0MR0 Fpclk 10 T0TCR 0 x01 定时器0初始化C代码 定时器设置为0 设置预分频值 设置匹配模式 复位并中断 设置匹配值 0 1S 启动定时器0 LPC2000 定时器操作示例 用定时器测量脉冲宽度 C代码 P0 0t V time T0TC 0 T0PR 0 while IO0PIN T0TCR 0 x01 while IO0PIN T0TCR 0 x00 time T0TC 定时器设置为0 设置预分频值 等待引脚电平变低 启动定时器0 等待引脚电平变高 关闭定时器0 读取定时器值 即为脉宽 引发SPI中断的事件 数据传输完成 发生模式错误 作为主机时 SPCCR寄存器控制 SCK的频率 寄存器的值为一位SCK时 钟所占用的PCLK周期数该寄存器的钟所占用的PCLK周期数 该寄存器的 值必须为偶数 并且必须不小于8 如 果寄存器的值不符合以上条件 可能 会导致产生不可预测的动作 SPI速率 Fpclk SPCCR SPI应用示例 作为主机 操作流程 设置SPI时钟速率 SPCCR 设置为SPI主机 SPCR 选择从机 设置为SPI从机 SPCR 将要发送的数据 放入SPDR 作为从机操作流程 选择从机 发送一字节数据 启动SPI数据传输 等待数据发送结束 SPIF 读出从机发送的 数据或释放从机 放入SPDR 等待数据发送结束 SPIF 从SPDR中读出接 收的数据 特性 LPC2000系列微控制器具有两个功能强大的 UART 其特性如下 16字节接收FIFO和16字节发送FIFO 寄存器位置符合16C550工业标准 接收FIFO触发点可设置为1 4 8或14字节 内置波特率发生器 UART1含有标准调制解调器接口信号 2013 7 3 8 UART中断 UART中断 LPC2000系列ARM UART中断分为 四类 接收中断 接收中断 发送中断 THRE 接收状态中断 RLS Modem中断 Modem 接收超时中断 CTI 接收数据可用中断 RDA 注意 只有UART1具有Modem中断 AD转换器的时钟不能大于4 5MHz 看门狗简介 在嵌入式应用中 CPU必须可靠工作 即使因为 某种原因进入了个错误状态系统也应该可以自动某种原因进入了一个错误状态 系统也应该可以自动 恢复 看门狗的用途就是使微控制器在进入错误状态 后的一定时间内复位 其原理是在系统正常工作时 用户程序每隔一段 时间执行喂狗动作 一些寄存器的特定操作 如果 系统出错 喂狗间隔超过看门狗溢出时间 那么看门 狗将会产生复位信号 使微控制器复位 特性 LPC2000系列微控制器都集成有看门狗部件 其 特性为 带内部预分频器的可编程32位定时器 如果没有周期性重装 喂狗 动作 则产生片 内复位 具有调试模式 看门狗软件使能后 必须由复位来禁止 错误的喂狗动作 将立即引起复位 寄存器描述 看门狗常数寄存器 4分频 喂狗寄存器 WDFEED PCLK 看门狗常数寄存器 WDTC 计数器 WDTV 正确喂狗 错误喂狗 溢出 该寄存器决定看门狗超时值 当喂狗时序产生时 该寄存器 的内容重新装入看门狗定时器 该寄存器的复位值为0 xFF 即使 写入更小的值 也会装入0 xFF 溢出最小时间 tpclk 0 xFF 4 溢出最大时间 tpclk 0 xFFFFFFFF 4 中断信号 复位信号 看门狗模式寄存器 WDMOD 溢出 WDT的中断标志位无法通过软件清零 只能通过 硬件复位清零 因此 当发生WDT中断时 只能通过 禁止WDT中断的方式返回 即 VICIntEnable 0 0 WDT定时器为递减计数 向下 溢出时产生中断和 或 复位 使能看门狗后 必需要要执行一 操作流程 次正确的喂狗操作才能启动看门狗 看门狗没有独立的振荡器 其使 用PCLK作为时钟 所以CPU不能 进入掉电模式 否则看门狗将停止 工作 看门狗溢出时间 N tpclk 4 设置看门狗定 时重装值 设置看门狗工 作模式 一次喂狗操作 启动看门狗 使用示例 设置看门狗定 时重装值 设置看门狗工 作模式 操作流程 设置看门狗定 时重装值 设置看门狗工 作模式 操作流程 Void WDTInit void 看门狗初始化 WDTC 0 x10000 WDMOD 0 x03 WdtFeed C代码 作模式 一次喂狗操作 启动看门狗 作模式 一次喂狗操作 启动看门狗 Void WdtFeed void 喂狗程序 WDFEED 0 xAA WDFEED 0 x55 2013 7 3 9 框图 时钟系统调试测试接口 可选 但是 在样品阶段 通常都会设 计这部分电 路 嵌入式控制器 复位及其 配置系统 存储器系统 供电系统 电源 可选 因为许多面向 嵌入式领域的微控制 器内部集成了程序和 数据存储器 开关电源 效率较高 可以减少 发热量 因而在功率较大时可以减 小电源模块的体积 模拟电源 电路简单 输出电压 纹波较小 并且干扰较开关电源小 得多 LPC2000系列微控制器 有3个典型芯片的最小系统 LPC2114最小系统 LPC2210最小系统 LPC2214最小系统 静态随机存储器 SRAM 基 本单元是锁存器 使用多个晶体 管通常是四个六个或者八个 动态随机存储器 DRAM 的内存单元是由晶体管和 目前 RAM大体上可以分为SRAM和DRAM SRAM的存储单元由触发器构成 没有刷新部分 外围 电路比较简单 DRAM的存储单元是由电容和晶体管构成的 需要定时 刷新 外围电路比较复杂 管 通常是四个 六个或者八个 存取速度快 容量小 外围电路 简单 价格贵 的内存单元是由体管和 电容搭配组成的 需要定 时刷新电容上的电荷 1 Descriptions GPIO 输出实验 控制蜂鸣器鸣叫 include config h define BEEP 1 0 dly for i 0 i 5000 i int main void PINSEL0 0 x00000000 设置管脚连接 GPIO IO0DIR BEEP 设置 BEEP 控制口为输出 while 1 IO0SET BEEP BEEP 停止蜂鸣 DelayNS 40 IO0CLR BEEP BEEP 蜂鸣 DelayNS 40 return 0 2 Descriptions 检测按键 KEY1 KEY1 按下 蜂鸣器蜂鸣 松开后停止蜂鸣 include config h const uint32 BEEP 1 7 P0 7 控制蜂鸣器 const uint32 KEY1 1 16 P0 16 连接 KEY1 int main void PINSEL0 0 x00000000 所有管脚连接 GPIO PINSEL1 0 x00000000 IO0DIR BEEP 蜂鸣器控制口输出 其余输入 while 1 if IO0PIN 如果 KEY1 按下 蜂鸣器鸣叫 else IO0SET BEEP 松开则停止蜂鸣 return 0 3 Descriptions IOPIN 使用演示程序 让 8 个 LED 交替闪烁 include config h define LEDS8 0 xFF 18 P1 25 18 控制 LED8 LED1 1 int main void uint32 i PINSEL2 PINSEL2 P1 25 16 连接 GPIO IO1DIR LEDS8 LED 灯控制口输出 while 1 IO1PIN 0 xAA 18 点亮 LED1 LED3 LED5 LED7 其余熄灭 for i 0 i 0 x1FFF0 i IO1PIN 0 x55 18 点亮 LED2 LED4 LED6 LED8 其余熄灭 for i 0 i 0 x1FFF0 i return 0 2 while 1 for i 0 i 8 i 流水灯花样显示 IO1SET 1 18 i DelayNS 10 IO1CLR 1 18 i DelayNS 10 4 Descriptions GPIO 输出 LED 流水灯实验 数组实现流水灯花样 const uint32 LEDS8 0 xFF 18 P1 25