基于ARM控制器LPC2214的嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)

   1  嵌入式系統(tǒng)與ARM

       嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)。ARM（Advanced RSIC Machines）是一家出售芯片設(shè)計技術(shù)授權(quán)的公司，目前其設(shè)計的ARM微處理器占據(jù)了32位RISC(Reduced Instruction Set Computing)微處理器75％以上的市場份額。

       2  ARM體系結(jié)構(gòu)

       ARM已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。目前流行的ARM芯片內(nèi)核有ARM7TDMI、StrongARM、ARM720T、ARM9TDMI、ARM922T、ARM940T、ARM946T、ARM966T、ARM10TDMI等。Philips LPC2214（以下簡稱LPC2214） 是基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器，屬于V4T版本。

      2．1  ARM處理器內(nèi)核

       現(xiàn)代的VLS技術(shù)把附加的系統(tǒng)部件與內(nèi)核集成在同一芯片中。其中，內(nèi)核是最為密集和復(fù)雜的部件，是確定一個新系統(tǒng)時選擇的關(guān)鍵。LPC2214的內(nèi)核是ARM7TDMI（圖1）的可綜合版本（軟核）。字母意義分別是：T－高密度16位的Thumb指令擴展、D－支持片上調(diào)試、M－短時間64位乘法指令、I－EmbededICE觀察點硬件。

                                                     圖   1

       2．2  ARM 微控制器

       嵌入式微控制器（單片機）就是將整個計算機集成到一塊芯片中。各廠商購買ARM公司的核心授權(quán)后，擴展與各自領(lǐng)域相關(guān)的片內(nèi)外圍電路，并集成在芯片中,使基于ARM處理器核的芯片多元化。設(shè)計者應(yīng)盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，來簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性。LPC2214微控制器（如圖2）通過AHB 到VPB 的橋?qū)PB總線與AHB 總線相連，片內(nèi)外設(shè)（中斷控制器除外）連接在VPB總線上。LPC2214具有：多個串行接口，2 個16C550 工業(yè)標準UART、高速I2C 接口（400 kHz）、2 個SPI 接口；8路10 位A/D 轉(zhuǎn)換器（0~3V測量范圍），轉(zhuǎn)換時間可低至2.44uS；2個32 位定時器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）；PWM 單元（6 路輸出）；實時時鐘和看門狗；112個通用I/O 口（可承受5V 電壓）；2 個低功耗模式，空閑和掉電；片上集成高速閃存。

                                                  圖   2

       稅控收款機是一種帶有計稅功能的電子收款機，它內(nèi)部裝有自動記錄但不能更改和抹掉的計稅存儲器。稅控收款機由以下幾部分組成：中文顯示系統(tǒng)、中文打印系統(tǒng)、專用稅控處理系統(tǒng)、外圍設(shè)備驅(qū)動、電源、帶物理安全保證的機箱。稅控機制由以IC卡為基礎(chǔ)的發(fā)行、管理、申報、維護、經(jīng)營等系統(tǒng)組成。有關(guān)數(shù)據(jù)由稅務(wù)部門用專用IC卡讀出，以便稽查。

       此系統(tǒng)充分合理地利用了其片內(nèi)實時時鐘、外部存儲器接口、UART等其它外設(shè)接口。片上閃存作為用戶程序的存儲空間，其高速零等待特性保證系統(tǒng)的實時運行。其片上程序保護機制，防止代碼被任意更改和復(fù)制。整個系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡潔，極具競爭優(yōu)勢。

       3  系統(tǒng)移植

       ARM芯片獲得了許多實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks Nucleus、OSE、eCOS、μC/OS-II等，我們將在稅控收款機系統(tǒng)上移植μC/OS-II。

       3．1  μC/OS-II移植

       LPC2214的ARM7TDMI-S內(nèi)核用ARM ADS作為編譯器移植μC/OS-II。包括以下內(nèi)容：

       ① 設(shè)置OS_CPU．H頭文件中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼如：整數(shù)、浮點數(shù)、堆棧等數(shù)據(jù)類型定義，打開或者關(guān)閉中斷函數(shù)設(shè)置，定義堆棧增長方向，任務(wù)切換的執(zhí)行代碼。

       ② 用C語言在OS_CPU_C．C文件中編寫6個操作系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)：任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit( )，μC/OS-II在執(zhí)行某些操作時調(diào)用的用戶函數(shù)：OSTaskCreateHook( )、OSTaskDelHook( )、OSTaskSwHook( )、OSTaskStatHook( )、OSTimeTickHook( )

       ③ 在OS_CPU．ASM文件中用匯編語言編寫四個與處理器相關(guān)的函數(shù)：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)OSStartHighRdy( )、任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw( )、中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw( )、中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR( )。這里介紹的是通用方法，在具體的項目中還有很多工作要作。

       3．2  建立完整的嵌入式實時系統(tǒng)

       μC/OS-II提供的僅僅是一個任務(wù)調(diào)度的內(nèi)核，要想實現(xiàn)一個以LPC2214為主控單元，應(yīng)用于稅控收款機的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，還需相當多的擴展工作。主要包括：

       ① 建立文件系統(tǒng)相關(guān)的API函數(shù)：如初始化文件函數(shù)InitOSFile( )、通過文件緩沖區(qū)讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)ReadOSFile( )和WriteOSFile( )、打開和關(guān)閉文件函數(shù)OpenOSFile( )和CloseOSFile( )。

       ② 為外部設(shè)備建立驅(qū)動程序并規(guī)范相應(yīng)的API函數(shù)。外設(shè)驅(qū)動程序可以對系統(tǒng)提供訪問外圍設(shè)備接口，把操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備分離開來。當外圍設(shè)備改變的時候，只需更換相應(yīng)的驅(qū)動程序，不必修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核以及運行在操作系統(tǒng)的軟件。如：液晶驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、UART接口驅(qū)動等。

       ③ 創(chuàng)建圖表用戶接口GUI函數(shù),實現(xiàn)Unicode字庫的顯示及相關(guān)函數(shù)。

       ④ 系統(tǒng)的消息隊列。消息相關(guān)函數(shù)在各個任務(wù)之間、用戶應(yīng)用程序之間以及用戶應(yīng)用程序和系統(tǒng)的各個任務(wù)之間通常是通過消息來傳遞信息和同步的。

       ⑤ 稅控收款機軟件設(shè)計采用模塊化思想，其用戶程序的開發(fā)大體分為如下部分：主程序、自檢診斷模塊、IC卡讀寫模塊、UART通訊模塊、開票模塊、液晶顯示和按鍵等人機接口模塊。

                                                   圖   3

       4　ARM體系中的調(diào)試

       調(diào)試階段在整個系統(tǒng)開發(fā)過程中所占的比重越來越大，因此擁有高效、強大的調(diào)試系統(tǒng)可以大大減少開發(fā)時間，加快產(chǎn)品面市時間，減輕系統(tǒng)開發(fā)工作量。ARM體系結(jié)構(gòu)包含了完善的調(diào)試手段，下面僅介紹基于JTAG的ICE類型調(diào)試的原理。

       4.1 基于JTAG的ICE類型調(diào)試

       基于JTAG的調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖4）包括：位于主機上的調(diào)試器、目標系統(tǒng)、主機和目標系統(tǒng)之間進行分析和轉(zhuǎn)換的模塊。JTAG調(diào)試是邊界掃描方式，LPC2214微核電路部件的每個I/O引腳包含一個電路元件，此元件的接口連接到JTAG二進制位移位寄存器上進行測試，這樣每個引腳都被JTAG采樣或監(jiān)聽。ARM7TDMI（圖2）的TAP控制器通過JTAG接口控制各個硬件掃描鏈，掃描鏈0可以訪問所有外圍部件；掃描鏈1是掃描鏈0的一部分，它可以訪問數(shù)據(jù)總線和控制總線BREAKPT；掃描鏈2主要用于訪問Embedded ICE邏輯部件中的各寄存器。ARM7TDMI調(diào)試接口建立在IEEE1149－1190標準之上，該標準定義了訪問芯片的5個引腳串行通訊協(xié)議，可以通過5個引腳訪問芯片內(nèi)部，從而可以進行調(diào)試和測試。JTAG調(diào)試過程：

       ① 設(shè)置程序斷點、數(shù)據(jù)斷點或相應(yīng)外部請求，以便進入調(diào)試狀態(tài)；

       ② 當程序運行到斷點指令時，處理器進入調(diào)試狀態(tài)，此時斷點指令還沒執(zhí)行；

       ③ 在調(diào)試狀態(tài)用戶執(zhí)行所需的調(diào)試能，如停止目標程序執(zhí)行、查看目標內(nèi)核狀態(tài)、查看和修改存儲器的內(nèi)容等。

                                                           圖   4

       5．結(jié)束語 

        本文通過對嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II中的關(guān)鍵技術(shù)及ARM體系組結(jié)構(gòu)和調(diào)試的分析，結(jié)合LPC2214的硬件結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境，說明了μC/OS-II的移植、PLPC2214的應(yīng)用和調(diào)試。

參考文獻：
1，Jean J. Labrosse 著，邵貝貝等譯，μC/OS-Ⅱ__源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng).北京：中國電力出版社，2001.
2，周立功 等編著，ARM微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn).北京：北京航空航天大學出版社，2003-11.