ARM 架構(gòu)處理器、RTOS 內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)程序編寫

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、集成電路技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。本文即從未來(lái)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以S3C2410微處理器為核心的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。 本文以S3C2410—32位微處理為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有1路以太網(wǎng)接口、1路USB Host接口、1路USB Device接口、3路RS232串口、1個(gè)CAN總線擴(kuò)展卡、1個(gè)RS485擴(kuò)展卡、1個(gè)RS422擴(kuò)展卡使用、8路A/D、1路D/A、4路PWM、一個(gè)240×320TFT LCD顯示觸摸屏的功能強(qiáng)大的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE建立了一個(gè)嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)。

隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。嵌入式Web服務(wù)器EWS(Embedded Web Server)是指將Web服務(wù)器引入到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測(cè)試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議、Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和控制設(shè)備。嵌入式Web服務(wù)器簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它在嵌入式設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)接口的功能。嵌入式Web服務(wù)器基于HTTP協(xié)議運(yùn)作，有標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議。它可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面。Web技術(shù)的開放性和平臺(tái)獨(dú)立特性能夠降低開發(fā)難度，減少軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)維護(hù)工作量，提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備的管理水平。

在工業(yè)設(shè)備上嵌入Web服務(wù)器，使得設(shè)備能與現(xiàn)今最大的網(wǎng)絡(luò)Internet無(wú)縫連接，無(wú)需專用的線路。通信介質(zhì)是以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，能有最大的普及范圍;傳輸內(nèi)容不僅限于數(shù)據(jù)，還有圖像、聲音等多媒體信息;通信協(xié)議(HTTP)是標(biāo)準(zhǔn)的而且是公開的，其獨(dú)立于系統(tǒng)平臺(tái);所使用的超文本標(biāo)記語(yǔ)言(HTML)具有統(tǒng)一性，標(biāo)準(zhǔn)化界面獨(dú)立于客戶端的軟件硬件平臺(tái)，極大地節(jié)省了客戶端的開發(fā)工作;所使用的Web架構(gòu)具有開放性和平臺(tái)獨(dú)立性，能夠大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作量。同時(shí)，還能提供大量工具和函數(shù)庫(kù)減少開發(fā)的工作量。在客戶端使用任意與Internet互連的標(biāo)準(zhǔn)PC(標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器)就可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地訪問。嵌入式Web服務(wù)器具有通用性，這使得它能夠嵌入到任何設(shè)備中。通過(guò)應(yīng)用程序接口，服務(wù)器可以運(yùn)行程序去實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，這是普通的監(jiān)控方式不能相比的。它具有可擴(kuò)展的特性，通過(guò)應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)各種具體的應(yīng)用。此外，它還具備升級(jí)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。

在深入研究和分析CANopen協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于Windows CE的嵌入式CANopen協(xié)議棧，大大提高了嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器在現(xiàn)場(chǎng)總線上的通信和控制能力，為新型的網(wǎng)絡(luò)控制算法研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在探討了TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上研究了基于Windows CE的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，掌握了Windows CE平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)Socket通信編程，使控制器能夠通過(guò)以太網(wǎng)接到Intranet或Internet上。 在完成嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器硬件與軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將控制器應(yīng)用到了網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的中央數(shù)控單元中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)等數(shù)控設(shè)備小型化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的需要。并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，構(gòu)建了三層(信息層、控制層和設(shè)備層)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備真正的網(wǎng)絡(luò)互連，為網(wǎng)絡(luò)控制研究提供了一個(gè)高性能的平臺(tái)。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) - ARM 架構(gòu)處理器、RTOS 內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)程序編寫

架構(gòu)處理器

架構(gòu)處理器是一種基于RISC指令集架構(gòu)的處理器，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的處理器架構(gòu)之一。與傳統(tǒng)的CISC架構(gòu)相比，RISC架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，指令集精簡(jiǎn)，執(zhí)行效率高，對(duì)于資源受限的嵌入式系統(tǒng)更加適用。

處理器的優(yōu)勢(shì)在于其低功耗、高性能和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們可以選擇不同性能和功耗的ARM處理器，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制，從而實(shí)現(xiàn)最佳的平衡。

在實(shí)際開發(fā)中，我們需要了解具體的ARM處理器型號(hào)，掌握其架構(gòu)特性，以便進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

內(nèi)核

內(nèi)核是嵌入式系統(tǒng)中常用的操作系統(tǒng)內(nèi)核，其特點(diǎn)是能夠響應(yīng)實(shí)時(shí)事件，并能夠保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

嵌入式系統(tǒng)通常需要處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)，如控制、數(shù)據(jù)采集等。RTOS內(nèi)核可以提供任務(wù)調(diào)度、事件管理、內(nèi)存管理等功能，幫助我們更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

常見的RTOS內(nèi)核包括FreeRTOS、uC/OS、RTX等，它們具有不同的特點(diǎn)和適用范圍，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和定制。

驅(qū)動(dòng)程序編寫

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，驅(qū)動(dòng)程序起著連接硬件和操作系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與特定硬件進(jìn)行交互，并向操作系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，使應(yīng)用程序能夠方便地訪問硬件資源。

驅(qū)動(dòng)程序的編寫需要深入了解硬件的特性和操作系統(tǒng)的接口規(guī)范，以及對(duì)應(yīng)的編程技術(shù)和工具。不同的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)可能需要采用不同的驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)和編寫驅(qū)動(dòng)程序，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，為應(yīng)用程序提供更好的硬件支持。

總結(jié):

通過(guò)了解ARM架構(gòu)處理器、RTOS內(nèi)核及驅(qū)動(dòng)程序編寫，我們可以更好地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。深入理解這些核心知識(shí)點(diǎn)將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)出高性能、穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)，為各行各業(yè)的程序員提供更好的技術(shù)支持。