基于Proteus和Skyeye的嵌入式系统虚拟实验室建设

1、1. 引言今天,几乎所有的电子设备都有嵌入式系统的影子,研究和开发 嵌入式系统及其产品已经成为当前的热点之一。嵌入式技术是多学科 交叉的产物,在许多高校都开设了嵌入式系统的相关课程,它涵盖了 计算机组成、微机原理接口、操作系统、网络通信技术、人机接口、 软件技术等多门学科的内容,因此,嵌入式系统的实验实践教学显得 尤为重要。目前各个高校相继开设了嵌入式系统课程,并逐步开始建 立嵌入式系统实验室。这些实验室基本都是采用相应的硬件仿真设备 来构建的,但由于嵌入式系统硬件的种类繁多再加上资金的限制,不 可能在一个实验室包括所有种类的嵌入式仿真设备。虚拟实验作为传 统实验的重要。下面将介绍一种基于 P

2、roteus 软件和 Skyeye 的开放式、 综合性、高水平的嵌入式系统虚拟实验平台的构建方案。2. 仿真软件简介Proteus 仿真软件是一种功能强大的电子设计自动化软件,提供智 能原理图设计、 SPICE 模拟电路、数字电路及 MCU 器件混合仿真系统 和 PCB 设计功能,不仅可以仿真传统的电路原理实验,模拟电子线路 实验、数字电路实验等,而且可以仿真嵌入式系统的实验,其最大的 特色在于可以提供嵌入式系统 (单片机应用系统、 ARM 应用系统 的仿 真实验,这也是其他任何仿真软件无力所及的。SkyEye 是一个开源软件 (OpenSource Software项目,中文名字是 “天目”

3、。 SkyEye 的目标是在通用的 Linux 和 Windows平台实现一个 纯软件模拟集成开发环境,模拟常见的嵌入式计算机系统。 SkyEye 是 一个指令级模拟器,可以模拟多种嵌入式开发板,在 32位嵌入式 CPU 领域中, ARM 系列 CPU 所占比重相当大,因此 SkyEye 首先选择了 ARM CPU核作为模拟目标 CPU 核。目前在 SkyEye 上可运行并进行源 码级调试 Linux 、 uClinux 、 uC/OS-II操作系统和 LwIP(一个著名的嵌入 式 TCP/IP实现 等系统软件。并可对它们进行源码级的分析和测试, 同时了解 ARM 嵌入式 CPU 编程。3.

4、嵌入式系统虚拟实验室架构在上图中, Proteus 实验室物理上位于其校园网内部的某一个局域 网上,该局域网上的服务器上安装 Proteus 和 Skyeye 服务器端软件,操 作系统为 Windows 2000server或 Windows 2003 server,客户端 PC 上安 装 Proteus 和 Skyeye 客户端软件,操作系统为 Windows 2000 professional或 Windows 2003 professional。另外,需配置少量的设计验证系统硬 件,以增加学生的感官认知。4. 丰富的设计资源4.1 Proteus资源嵌入式系统的设计主要 Proteus

5、VSM(Virtual System Mode来完 成。 VSM 是一个完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台,它包括智 能原理布图系统 ISIS 、带扩展的 ProSpice 混合模型仿真器、动态器件 库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统仿真模型 VSM 。4.2 Skyeye资源4.2.1CPU 和开发板系列目前 SkyEye 可以模拟的 CPU 主要是基于 ARM 内核的 CPU ,包 括 ARM7TDMI , ARM720T , ARM9TDMI , ARM9xx , ARM10xx , StrongARM , XScale 等。目前 SkyEye 模拟的开发板包括基于 Atmel 91

6、X40/AT91RM92 CPU的开发板,基于 Crirus Logic ep7312的开发板、 基于 StrongARM CPU的 ADSBITSY 开发板,基于 XScale PXA250 CPU的 LUBBOCK 开发板、基于 SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的 开发板、基于 SHARP LH7A400 CPU的开发板、基于 Philip LPC22xx CPU 的开发板等。主要模拟了对应各个开发板的串口、时钟、 RAM 、 ROM 、 LCD 、网络芯片等硬件外设。目前 SkyEye 模拟了网络芯片 8019AS ,其特点是:NE2000兼容, 内建 16KRA

7、M缓冲区, 10MB 传输速率。虽然目前模拟的开发板上不 一定有网络芯片 8019AS ,但我们可以在我们模拟的开发板上加上网 络芯片 8019AS 的模拟。这样再加上在不同操作系统上的 8019AS 驱动 程序,就可以方便地完成各种网络应用的开发和设计。基于 Proteus 和 Skyeye 的嵌入式系统实验室可以开设如图 2所示的 三个层次的实验内容:基础型实验内容、综合型实验内容和创新型实 验内容。基础型实验内容包含嵌入式系统课程中规定的基本的验证性 仿真实验,如串口通信、外部中断、实时时钟等微处理器应用系统的 设计仿真和 bootloader 移植仿真。进一步,可以围绕某一类型的 MC

8、U 进行综合性的课程设计或实验,学生完成电路图设计、软硬件调试、 系统调试以及 PCB 制作等整个过程。再有,借此实验平台,教师可以 进行课题的创新或研究,学生则可以进行自主电子设计和毕业设计 等。5. 试验实例图 3给出了一个 Atmel AVR Tinyl6处理器、矩阵键盘和字符型液晶 的组合运用的仿真系统实例。主要由 Proteus 提供的 Tinyl6处理器、字 符型液晶显示屏(LCD 矩阵键盘组成。图中模拟的情况是,液晶的 第一行显示预置的字符串信息“ BUPT_Information”,第二行第一列 显示当前的按键值,此时鼠标按下了数字健“ 6”。当鼠标按下其他基于Proteus和

9、Skyeye的嵌入式系统虚拟实验室建设 顾春禄 河北省沧州职业技术学院,河北 沧州 061000摘要:高校大多数采用购买实验台、实验箱的形式来完成对实验室的建设,这样的实验室存在着资金投入大、设备维护困难、实验内容狭窄 等局限。本文提出一种基于 Proteus 和 Skyeye 的嵌入式系统虚拟实验室建设方案,所有的实验项目由软件仿真系统完成,很好地解决了资金成本和 设备维护问题,增加了学生使用实验室的便利性。关键词:嵌入式系统; Proteus 软件; Skyeye软件;虚拟实验室中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1003-9767(201004-0018-02 的健时,液晶

10、的显示会同步更新,如果采用实验箱来完成该实验则需要用到多个硬件模块,而采用仿真方式可以很方便地动态模拟整个系统的构造和运行状况。建立交叉工具链并在skyeye上仿真uclinux图6. 结论不难看出,采用 Proteus 和 Skyeye 构建嵌入式系统虚拟实验室的方案具有比较明显的优势。虚拟实验室元器件模型丰富,电路设计可靠,系统软硬件调试方便,图形化的仿真结果非常直观。另外,基于 Proteus 和 Skyeye 的嵌入式系统虚拟实验室不存在元件损耗问题,资金投入少,系统维护简单,它所能提供的实验内容非常全面,便于有针对性的自行实验,可有效地提高学生综合分析、排除故障、开发创 新、解决实际

11、工程问题的能力。本文作者创新点:嵌入式系统主要包括单片机原理和以 ARM 为 主的嵌入式系统开发,它们知识架构是有浅入深的, proteus 主要应用 于单片机仿真设计而 skyeye 主要应用于 ARM 开发仿真。将它们完整的 结合起来,完善了嵌入式系统实验室的体系结构。参考文献:1 殷苏民邓英杰赵荣春刘素霞.基于 Proteus 的 ARM 虚拟开 发 J.微计算机信息, 2008, 5-2:127-1292万相奎:丁建平:秦树人.嵌入式系统及其典型开发模式 J. 重庆大学学报, 2004, 26(2:16 19.3李霞:徐建新:郁建强.实验室管理信息系统的应用 J.实验 室研究与探索,

12、2005(3:47-48.4马刚:李向仓.用 Proteus 与 Keil 整合构建单片机虚拟仿真平台 J.现代电子技术, 2oo6(24:129一 l31.5张文贵,陈增川,杨平,等.建立个性化实验室加强大学生创 新精神和工程实践能力的培养 J.实验技术与管理, 2008, 25(5:1-4. 6张淑玲.开放性电子信息工程实验室建设规划 J.湖北经济学 院学报:人文社会科学版, 2007(11:77 78.7张艳,樊莉,方秦.基于虚拟现实技术的虚拟实验室建设 J. 科技创新导报, 2008(20:36 -37.为了提高软件数据处理的可靠性和安全性,本监控系统软件运行使用 WINDOWS XP

13、操作系统,它是比较成熟的操作系统平台,实现以较低配置流畅地运行各类应用软件,兼容性好,但是严格来说,作为实施广播电视播出信号源监控这样一个专业应用,最好开发 WINDOWSSERVER 服务器环境下运行的软件系统,因为使用 WINDOWS SERVER版本的操作系统稳定性好,安全风险也比较低,应用软件在服务器上运行可靠性将得到保证,使用 WINDOWS SERVER操作系统,监控系统的硬件也必须升级为服务器设备比较理想。由于目前使用的是 WINDOWS XP操作系统平台,系统相对比较脆弱,将面临着系统崩溃、病毒入侵的风险,必须及时做好系统修补漏洞及升级的服务,以防范系统出错和提高抵御病毒入侵。为了解决XP 系统的稳定性问题,首先必须做好系统的日常维护工作,对投入播出设备的系统软件制定管理制度,加强管理,指定当班专人管理 系统,严禁在 pc 机系统上运行其他与播出无关的软