一种嵌入式系统设计与应用.pdf

2 0 0 9 童i E 3 J q第3 期电子测试E L E c T R O N I CT E S TM a r 2 9N o 3一种嵌入式系统设计与应用耿兆国1，耿兆会2(1 重庆邮电大学中韩(重庆)嵌入式软件和系统研发中心重庆4 0 0 0 6 5；2 江南大学电信学院无锡2 1 4 0 1 1)摘要：嵌入式操作系统具有面向特定应用的特点，各种应用千差万别，这决定了不太可能出现可普遍适用的嵌入式实时操作系统。因此，开发、升级具有自主知识产权的嵌入式实时操作系统是很有意义的。本文首先介绍了嵌入式系统的结构和发展趋势；接着针对C 8 0 5 1 F 1 2 0 单片机进行了简单介绍，并在其上实现“：O SI I操作系统的移植，最后对加载了E P A 协议栈的操作系统进行了测试，通过测试成功地验证了该系统的稳定性和可靠性。关键词：嵌入式系统；C 8 0 5 1 F 1 2 0 单片机；倒o s 操作系统中图分类号：T P 3 1 6 2文献标识码：AD e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dG e n gZ h a o g u 0 1，G e n gZ h a o h u i 2(】C h o n g q i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s。C H I N A K O R E A(C h o n g q i n g)E m b e d d e dS o f t w a r e&S y s t e m sR e s e a r c hC e?l t e r，C h o n g q i n g，4 0 0 0 6 5；2 S o u t h e r nY a n g t z eU n i v e r s i t yS c h o o lo fT e l e c o m。W 波i2 1 4 0 11)A b s t r a c t：E m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i t ha p p l i c a t i o n-s p e c i f i cf e a t u r e s，av a r i e t yo fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s，i ta p p e a r su n l i k e l yt h a tad e c i s i o nc a nb ew i d e l ya p p l i e dt or e a l t i m ee m b e d d e do p c r a t i n gs y s t e m，d e v e l o p m e n t，u p g r a d i n gw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t se m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi sM e a n i n g f u l T h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ee m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r ea n dt r e n d s；t h e no nt h eC 8 0 5 1 F 1 2 0M C Uf o rab r i e fi n t r o d u c t i o na n do nt h er e a l i z a t i o no fp c o s o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t，a n dt h ef i n a lr e a l i z a t i o no ft h eE P Ap r o t o c o ls t a c kt ol o a dt h eo p e r a t i n gs y s t e mo nT h et e s ta n dt op a s st h i st e s tt ov e r i f yt h es u c c e s so ft h es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y K e y w o r d s：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m；C 8 0 5 1 F 1 2 0M C U；g C O S-1 10 引言随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到屯蚤理!i 基E L E C T R O N I CT E S T了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。万方数据1 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分，如图1 所示。嵌入式应用嵌入式操作系统硬件平台图1 嵌入式系统基本结构(1)硬件环境：是整个嵌人式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌人式系统的个主要特点。(2)嵌入式操作系统：完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统程序膨q 詹存储器(F L A S H)C 8 0 5 1 F 1 2 x 1 1 C 8 0 5 1 F 1 3 0 1C 8 D 5 l F l 3 2 3蹯躲匝耍圄圃3 嵌入式系统的选型o x 2 0 0 00 嚏l F F FO x 0 0 0 0具有相对不变性。(3)嵌人式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。2 处理器的选型在本设计中采用了C 8 0 5 1 F 1 2 0 芯片，其特点如下：C 8 0 5 1 F 1 2 0 是完全集成的混合信号片上系统型M C U 芯片，具有6 4 个数字I O 引脚(1 0 0 脚T Q F P 封装)。C 8 0 5 1 F 1 2 0 有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据删，其中高1 2 8 字节为双映射。C 8 0 5 1 F 1 2 0 还有另外位于外部数据存储器地址空间的8 K 字节R J 气M 块，它的程序存储器包含1 2 8 K 的分块F l a s h。该存储器以1 0 2 4 字节为一个扇区，可以在系统编程。M C U 系统的存储器结构如图2 所示。数据存储器(R A M)内部数据地址空间高1 2 8 字节R A MI 特殊功能寄存器(只能间接寻址)l(只能直接寻址)(直接和间接寻址)位寻址空问通用寄存器外部数据地址空间片外X R A H 空间X R A M-,-8 1 9 2 字节(用令访问)图2C 8 0 5 1 F 1 2 0 的存储结构在本设计中，用的是弘C O S 操作系统，C O S 最主要的特点就是源码公开的自由软件。这一点对于用户来说可谓利弊各半；好处在于，一方面它是免费的；另一方面用户可以根据自己的需要刭。最多2 5 6 个S F R 页对它进行修改。坏处在于，它缺乏必要的支持。它没有功能强大的软件包，用户通常得自己编写驱动程序，特别当用户使用的是不太常用的单片机，还必须自己编写移植程序，在本设计中，采用的是具有5 1 内核的C 8 0 5 1 F 1 2 0 芯片。操作系统是一种与硬件(处理器)相关的软件，根据某一种处理器来设计的操作系统一般是不能屯蚤趔i 基E L E C T R O N I CT E S TM 址一嚣磊肝丌加强加悼阡：嚣躞蹄嗍硎 万方数据在其他种类的处理器上运行的。如果要在其他处理器上运行该操作系统，则必须对这个操作系统做相应的改造，即所谓操作系统的移植。移植肛c o sI I 所需要的准备工作有：深入了解所采用的系统核心；分析所采用的C 语言开发工具的特点；编写移植代码；测试移植程序；针对项目的开发平台，封装服务函数(类似于8 0 X 8 6 的P C c 以及P C H)。移植的程序流程如图3 所示。查看与处理器相关代码：O S C P U O S C P U A A S MO S C P U _ C C绽计任务堆栈与系统堆栈的切换受写文件O s-c：P u I-i(堆栈增长方向、临界段宏、任务切换宏，数据类霍I任务堆栈的设计(用汇编语言完成甬教O S C t x S W及任务切换时对系统堆栈和任务堆栈映像的操作)I文僻o s C P UC c 的改写(主要改写堆栈初始化函数)改写u C O SI I 中的几个形参，以免和K E I L 中关键字重复I用u C O SI I 自身的函数O S I n i t()O S S u m()测试移植代码(这样可以避免问题复杂化)l添加用户代码及服务程序、调试、修改图3 嵌入式移植的程序流程4 开发平台的选取E P A 协议栈在v c o s-上的移植主要进行下面的工作：1 修改E P A 协议栈与C P U 和编译器相关i n-e l u d e s h 头文件，如数据长度，字的高低位数据等。2 与操作系统的接口部分，包括进程间同步，进程间通信所需要的信号量，消息队列等函数。，3 跟时间相关的函数，使E P A 协议栈的时间队列能够和c o s-I I 的系统时间系统一致。5 分析与测试本文开发的系统加载了E P A 通信协议栈的一致性测试，主要是测试该系统对大量数据包的处理能力以及对任务切换的能力。该测试成功地验证了本系统的稳定性和可靠性。图5 是一致性测试报告的一部分，T e s tI n f o m m t i o n 栏中T e s ts c h e d u l e 表明进行第几个测试计划；E x e c u t eC a s e 表明预测试几个用例；P a s s e dC a s e 表明几个测试用例通过了测试；F 越l e dC a s e：0 表明没有用例测试失败。测试信息表明：十个测试用例都通过了测试。考虑到实验室的实际情况，决定采用某型单片机的控制电路板(板上含C 8 0 5 1 F 1 2 0 芯片)作为开发平台，并对其中4 个发光二极管加以利用，最后把E P A 协议栈在p c o s-上进行移植。图5 一致性测试报告关于任务堆栈以及寄存器的设计，参考了任哲编写的嵌入式实时操作系统弘c o sI I 原理及应6结束语用书，堆栈结构如图4 所示。屯蚤塑!i 嚣E L E C T R O N I CT E S T任务堆栈的其他寄存器L RR 1 2R 3R 2R 1R O空闲空问图4 堆栈结构在本设计中实现的是一个较简单的功能，大部分的工作量安排在理解u C o S 操作系统的原理及其移植上，在今后的学习中要引入更复杂的功能，C 8 0 5 1 F 1 2 0 是一款功能十分强大的芯片，片上资源极为丰富，因此在今后的开发过程中，在o c o S 的管理下能实现的功能还很多，另外在用K E I L 进行编译时，总会出现若干警告，这一部分还 万方数据需要进一步理解p c o sI I 操作系统，以免对今后的功能扩展产生影响。参考文献 1 T h eo s E K)xg r o u p O S E K V D XO p e r a t i n gS y s t e r n,V e r s i o n2 2 3 F e b r u a r y1 7t h，2 0 0 5 2 邵贝贝嵌入式操作系统弘c o s-U M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 3 罗克露O S E K V D X 汽车电子嵌入式软件编程技术 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 4 Q I N GI。L 嵌入式系统的实时间概念 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 5 章亮飞，李银国嵌入式操作系统A u t o O S E K 的设计 J 计算机工程，2 0 0 7，1 6 6 L E H O C Z K YJ，S H AL，D I N GY T h er a t e m o n o t o n i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m：e x a c tc h a r a c t e r i z a t i o na n da v e r a g ec a s eb e h a v i o r A P r o c e e d i n g sI E E ER e a lT i m eS y s t e m sS y m p o s i u m C S a n t aM o n i c aC a l i f o m i a：I E E EC o m p u t e rS o c i e t yP r e s s，1 9 8 9：1 6 6-1 7 1 7 S H AL，C A X)D E N O U G HJBR e a l-t i m es c h e d u l i n gt h e-o r ya n dA D AC M W S E L8 8 T K3 3 M S o f t w a r eE n-g j I l I 撕n gI n s t i t u t e，C a m e g i e M e l l o nU n i v e r s i t y，1 9 8 8 8 M o h a m m e dAL，S c h e d u l i n gH a r da n dS o f tR e a l-T i m eC o m m u n i c a t i o ni naC o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k J C o n t r o lE n g i n e e rP r a c t i c e，1 9 9 9，7(6)：1 5 1 1 5 2 作者简介耿兆国，(1 9 8 3-)，男，汉族，重庆邮电大学在读硕士研究生。研究方向：嵌入式系统软件。耿兆会，(1 9 8 7 一)，男，汉族，江南大学在读本科生。研究方向：嵌入式系统软件。E-m a i l：l e o _ g e n g h o t m a i kt o mI 卅，“叫-一-一一1 1 _ 一I l I-一_ 一-I-H _ 棚一H-q-_ 渊l _ _ H _ 岫铀-，_ 州H-I I _ h，崎_-一一-t p _ 1 嘲l 一忡m 一_ _ 1 1 _ _(上接第2 5 页)P A P R 超过7 d B 的概率小于1 0 一。说明S L M 方法对P A P R 有很好的抑制效果。当然其代价也是明显的，首先，系统要额外计算M 一1 路信号，增加了开销；其次，随机相位信息要通过某种方式传到接收方，也会降低系统的有效性；再次，随机相位信息一旦出错将会对解调带来很大的影响，在一定程度上降低了系统的可靠性。总之，两种方法都能有效降低P A P R，但其运算量及计算复杂度也是不容忽视的问题。因此，在实际系统选择降低P A P R 技术时，要平衡陛能与计算复杂度，综合协调两者的关系选择恰当的技术。参考文献 1 P i s i tB o o n s r i m u a n g，K a z u oM o i l，T a w i lP a u n g m a，e ta LP R O P O S A LO FI M P R O V E DP T SM E T H O DF O RO F D MS I G N A L J P e r s o n a l，I n d o o ra n dM o b i l eR a d i oC o m m u n i c a t i o n s，2 0 0 7 I E E E1 8 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m，2 0 0 7，3(7)：1-5 2 S e u n gH e eH a n，J a eH o n gL e e，“A no v e r v i e wo fp e a k-t o-a v e r a g ep o w e rr a t i or e d u c t i o nt e c h n i q u e sf o rm u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o n”，W i r e l e s sC o m m u n i c a-t i o n s，I E E E，2 0 0 5，1 2(2)：5 6 6 5 3 R A 0RM，L A N GS，D A N E S H R A DBF i e l dM e a s u r e m e n t sw i t ha5 2 5 G H zb r o a d b a n dM I M O-o F D Mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m J 1 E E ET r a mW i r e l e s sC o m L L r l，2 0 0 7，6(8)：2 8 4 8-2 8 5 9 4 3 G P PR I-0 5 0 8 9 1 O F D M AU LP A P RR e d u c t i o n M o t o r o l a r，L o n d o n，U n i t e dK i n g d o m，A u g2 0 0 5 5 C H E NHS，L I A N GHY C o m b i n e ds e l e c t i v em a p-p i n ga n db i n a r yc y c l i cc o d e sf o rP A P Rr e d u c t i o ni nO F D Ms y s t e m sl-J I E E ET r a n sW i r e l e s sC o m u n，2 0 0 7，6(1 0)：3 5 2 4 3 5 2 8 6 汪裕民O F D M 关键技术与运用 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 7 7 周恩等下一代宽带无线通信O F D M 与M I M O 技术 M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 8 8 居敏，许宗泽基于正交映射的0 I M 峰均比控制快速算法 J 南京航空航天大学学报，2 0 0 5，3 7(1)：5 7 2 6 0 作者简介刘建国，(1 9 8 4 一)，男，山西河曲人，硕士研究生，主要研究方向为移动通信。E-m a i l：j i a n g u o l i u 2 1 1 6 3 C O I n电蚤迦i 亘E L E C T R O N I CT E S T 万方数据一种嵌入式系统设计与应用一种嵌入式系统设计与应用作者：耿兆国，Geng Zhaohui，耿兆会作者单位：耿兆国,耿兆会(重庆邮电大学中韩(重庆)嵌入式软件和系统研发中心,重庆,400065)，Geng Zhaohui(江南大学电信学院,无锡,214011)刊名：电子测试英文刊名：ELECTRONIC TEST年，卷(期)：2009(3)参考文献(8条)参考文献(8条)1.Mohammed A L Scheduling Hard and Soft Real-Time Cornmunication in a Controller Area Network1999(06)2.SHA L;GOODENOUGH J B Real-time scheduling theory and ADA CMU/SEI.88.TR.33 19883.LEHOCZKY J;SHA L;DING Y The rate*monotonic scheduling algorithm:exact characterization and averagecase behavior 19894.章亮飞;李银国 嵌入式操作系统AutoOSEK的设计期刊论文-计算机工程 2007(16)5.QING LI 嵌入式系统的实时间概念 20046.罗克露 OSEK/VDX汽车电子嵌入式软件编程技术 20047.邵贝贝 嵌入式操作系统C/OS-20038.The OSEK/VDX group OSEK/VDX Operating System.Version 2.2.3 2005 本文链接：http:/