ARM嵌入式系统软件实时时钟的设计

1、ARM嵌入式系统软件实时时钟的设计The Design of real-time clock for ARM embedded system（中国地质大学 北京） 杜 刚 邓明胡小波Du,Gang Deng,Meng Hu,Xiaobo【摘要】 本文使用 PCF8563芯片为嵌入式系统提供一个独立的实时时钟，它独立自主地运行，CPU从它那里获得时间信息。文中简介了嵌入式 ARM处理器和 I 2C 总线的通讯协议；通过 uclinux 的交叉编译、移植和烧写uclinux内核，在 UP-NETARM3000上成功的运行 uclinux 系统；在移植的 uclinux系统上挂载 NFS文件系统，运

2、行其中的应用程序；并通过C 程序在 uclinux下实现了对 PCF8563的读写功能，成功地添加了实时时钟。【关键词】实时时钟； ARM 处理器； uclinux移植； PCF8563；I2 C 总线Abstract :This paper uses one real-time clock chip PCF8563 to give embedded systems an independent real-time clock ，it runs independently, CPU receives time information from it.The paper introduced e

3、mbedded ARM processor of the mainstream, explained I2C bus communication protocol 。Have compiling, transplantingand burning uclinux kernel, successfully operate uclinux system on UP-NETARM3000. Mounting NFS file system in transplanted uclinux system，operate theapplication program among NFS file syst

4、em. Using a C program to carry out the function of reading and writing PCF8563, succeed in adding the real-time clock under uclinux.Keywords ：Real-time clock; ARM processor; uclinux transport; PCF8563; I 2C bus1 引言现在的许多设备对实时时钟都有很高的要求，在片集成的实时时钟往往只注意到了其使用的方便，而没有考虑在实际应用中还有很多特殊的要求。本文讨论如何使用独立的外扩实时时钟，来满足这

5、些要求。什么是实时系统？就是系统运行时的反馈信息或者指令，必须在要求的时间内发出或者返回，否则视为无效。例如，数据采集的时候， 必须在对应的时间内得到信号，以保证数据采集的有效性。那么什么是实时时钟？就是采用独立的晶振（或集成），拥有独立供电系统，永不间断的运行，从而给系统提供可靠的系统时间。集成的实时时钟和独立实时时钟的比较：以博创 UP-NETARM3000开发板为例，它使用的是三星公司生产的S3C44B0XARM 处理器，该处理器内部集成了一个实时时钟， 其中的 2 个中断源 INT_RTC 和 INT_ADC 中断源在 26 个中断源中优先级最低。 RTC 的电压要求 2.5V 或 3

6、V ，但是不支持 3.3V 。也就是说开发板上的实时时钟不能脱离开发板独立地运行，同时中断级别低，电压范围窄，精度不可调，不具备通用性。而外扩的独立实时时钟电压范围宽，使用I2C 总线，中断级别高， 同时独立于开发板运行，通用性好。特别是精度是可以矫正调节的，这对实时性来说精度是很重要的指标。2 ARM处理器ARM(Advanced RISC Machines)是一类微处理器的通称1 。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。ARM现在已遍及工业控制，消费类电子产品,通信系统，网络系统,无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用占据了 32 位 RI

7、SC 微处理器 75%以上的市场比例， ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。3 PCF8563PCF8563是 PHILIPS 公司生产的低功耗 CMOS实时时钟 / 日历芯片 , 芯片最大总线速度为 400kbits/s, 每次读写数据后 , 其内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。 PCF8563 可广泛应用于移动电话、便携仪器、传真机、电池电源等产品中。 PCF8563 有 16 个 8 位寄存器 , 其中包括 : 可自动增量的地址寄存器、内置32.768kHz 的振荡器( 带有一个内部集成电容 ) 、分频器 ( 用于给实时时钟RTC提供源时钟 ) 、可编程时钟输出、定时器、报警器

8、、掉电检测器和400kHz 的 I 2C 总线接口。所有16 个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存器 , 但不是所有位都有用。当一个RTC寄存器被读时 , 所有计数器的内容将被锁存, 因此 , 在传送条件下 , 可以禁止对时钟 / 日历芯片的错读。同时它还拥有PHILIPS 的优良品质， 在 3V 电压，25 摄氏度下， 功耗为 250nA，非常低。本文选用PCF8563杜刚：副教授基金项目： 国家 863 计划课题 (2002AA615020) 资助1来外扩实时时钟，其硬件连接示意图如图1 所示：图 1 PCF8563 与 S3C44B0X的连接图4 I 2C总线在现代电子系统中， 有为数众

9、多的IC需要进行相互之间以及与外界的通信。为了提供硬件的效率和简化电路的设计， PHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串行总线 I2C(Inter IC 总线 )。 I2C总线支持任何一种 IC 制造工艺。作为一个专利的控制总线，I2C已经成为世界性的工业标准2 。5 uclinux系统 3uClinux是微控制器领域中的Linux 系统。它通常用于具有很少内存或Flash通用许可证的保证下 , 运行 Clinux操作系统的用户可以使用几乎所有的Linux API定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持，以及丰富的除了不能实现fork()外，其余uCl

10、inux的 API 函数与标准Linux 完全相同。.uClinux的内核加载方式的嵌入式操作系统。在 GNU 函数。它具有体积小、稳 API 函数等优点。 uClinuxuClinux的内核有两种可选的运行方式：可以在flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。Flash运行方式：把内核的可执行映象烧写到flash上，系统启动时从flash的某个地址开始逐句执行。内核加载方式：把内核的压缩文件存放在flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。 .uclinux 的根（ root ）文件系统uClinux系统采用romfs 文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2 文件

11、系统要求更少的空间。内核支持 romfs 文件系统比支持 ext2 文件系统需要更少的代码， romfs 文件系统相对简单，建立文件系统超级块（superblock ）需要更少的存储空间。 romfs 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟 ram 盘的方法进行处理（ ram 盘将采用 ext2 文件系统）。6 uclinux在 S3C44B0X上的移植 4BootLoader 引导程序是嵌入式开发很重要的组成部分。它是CPU 加电后第一个开始运行的代码，由它最终将操作系统启动起来并将控制权交给操作系统内核。BLOB(Boot Loader OBject)最初是由Jan

12、-Derk Bakker 和Erik Mouw 为 LART 而写的引导代码，由于其良好的移植性和强大的功能被移植到了很多其它机器上。BLOB遵守 GNU GPL licence 。 BLOB 功能比较强大，它可以： . 初始化诸如 CPU 的主频、 SDRAM 的控制管理、中断、串行口等硬件； . 启动 Linux 内核并提供一个 RAMDISK ； . 通过串口下载内核或者 RAMDISK 到板卡上； . 可以将修改过的新的内核或者RAMDISK写到 Flash 上； . 可以重新自由设定存储中不同的布局； . 可以提供一个命令行接口给用户。Blob 常用的命令有：blob 、boot 、

13、xdownload 、 flashreload 、dump、 reblob、status、 flash 等。 xdownload 命令用于下载内核和根文件系统到内存中，flash 命令用来把它们烧到flash 中。在 PC 机上建立起uclinux 的编译环境，在终端中运行博创开发板自带光盘上的install.sh 文件，它将在你的 PC 机上安装交叉编译环境和一个在 44B0X 上运行 uclinux-2.4.x 文件夹和许多有用的文件夹。 建立交叉编译环境也可以通过下在通用的 gcc 编译器来实现，它是一个 .sh 文件，其运行方法在后面有介绍。实际上就是建立 uclinux 的库文件的过

14、程。开源的好处就在于这一切都是透明的，不需要你去配置，只要会安装就可以了。通过串口烧写 uclinux 内核和根文件系统，这在 Windows 下使用超级终端。 Linux 下使用 minicom 。基本设置是波特率115200， 8 个数据位，无奇偶校验，停止位1，无数据流控制。2同时要在PC 机上建立 NFS 文件共享服务， 本文的共享目录是/root/nfs 。进入服务器配置选项， 里面有 NFS，网络服务器配置等。配置过程时建立要选择共享的目录和访问的IP 段。7 PCF8563的读写程序PCF8563 使用的是 I2C 总线，他的读写过程遵循总线的读写过程， S3C44B0X 的 I

15、2C 总线控制器为一个多主的控制器，其读写流程如图 2 所示。开始主模式已经配置从设备地址写入 IICDS0XF0 写入 IICSTATIICDS 中数据已经送出ACK （应答）且中断产生Y将0X9/D0 写入 IICSTAT停止了？N将需要发送的数据送 IICDS清除 PENDING清除 PENDING ，接下个中断等待，直到停止位起作用IICDS 中数据移位 SDA 输出结束图 2 I 2C 总线主模式的读/写流程根据流程编写了PCF8563 的读写程序。 该程序通过 uclinux的交叉编译工具编译成为可以在S3C44B0X上面运行的程序，过程如下：该程序和它的头文件放到同一个目录下，然

16、后打开终端在终端下执行：cd 所在目录arm-elf-gcc -elf2flt rtc main.c这样就会生成一个uclinux下的可执行文件，通过NFS挂载过去，步骤如下：ifconfig eth0 202.204.96.196mount -t nfs 202.204.96.198:/root/nfs /host用 cd 命令进入所挂载的目录，直接执行就可以了。该过程在实际操作过程中可以用一种简便的方法来实现，这也是经行uclinux 下开发程序的简便之处，那就是 makefile 文件。我们在一台服务器主机上建立一个虚拟机VM work station ，里面安装的是linux 系统和u

17、clinux 的交叉编译环境，在需要编译的文件所在目录下建立一个makefile 文件，内容如下：all: main.c/ 编译的文件arm-elf-gcc -elf2flt -o rtc main.c/ 编译读写程序cp rtc /root/nfs/ 复制 rtc到 NFS共享目录下chmod +x /root/nfs/rtc/ 改变可执行文件rtc的属性3通过 telnet获得虚拟机的root权限。然后进入main.c 所在目录。这时候的编译就只需要在main.c所在目录下运行make命令就可以了，它会自动生成可执行文件rtc, 自动复制到NFS共享文件夹中。在开发板上进入 NFS共享文件

18、夹， 运行其中的应用程序。 这种方法对程序的开发极其的方便， 这也是 linux 下程序开发调试的优势之一。8 结论：本文使用PCF8563来代替 CPU上集成的实时时钟，使系统时间不会丢失，在硬件上保证了实时性；精度相对集成实时时钟得到了提高。在其读写程序的编写编译过程中，还对uclinux 下的高效程序开发方法进行了实践。在有较高的精度要求时，可以对时钟的精度进行调整以适应需求。同时这种扩展方法具有一定的通用性，可以在各种单片机和 ARM应用系统中使用，有一定的使用和借鉴价值。参考文献：1 李驹光等 . ARM 应用系统开发祥解 . 北京: 清华大学出版社 ,20032慕春棣 . 嵌入式系统的构建 . 清华大学自动化系试用教材.2003年 1 月3 刘峥嵘、张智超等编著 . 嵌入式 Linux 应用开发详解 . 北京：机械工业出版社 .20044 北京博创科技有限公司 .UP-NETARM3000uClinux 开发指南 .2003