嵌入式综合设计实习报告

桂林理工大学嵌入式综合设计实习报告学院：信息科学与工程班级：计算机2010-1姓名：周杰学号：3100717102指导：金红日期：2014年1月引言1、实习的性质、目的和意义以培养学生实际的嵌入式系统软件设计能力和创新为主要目的，通过实习，基本掌握嵌入式系统应用系统的设计方法、调试技术及创新能力等技能。本课程是计算机专业的一门必修的专业实习课。通过该实习，使学生进一步加深对《嵌入式系统》、《C语言程序设计》、《单片机应用系统设计》、《微机原理》、等课程相关理论知识的理解；通过该实习，使学生初步掌握嵌入式系统应用系统设计方法、系统调试等能力，提高创新技能。2、实习的要求要求学生从嵌入式应用系统和实现的角度出发，能够利用课程内容设计嵌入式系统应用系统，掌握基本嵌入式软件设计、调试等技能，提高创新能力。（1）掌握嵌入式系统的概念及系统构成；（2）初步掌握嵌入式系统移植及应用软件设计及调试方法；（3）初步掌握设计报告的格式要求和撰写方法。课题设计1、 嵌入式系统1.1嵌入式系统概述1.1.1嵌入式系统定义（1）根据IEEE（InstituteofElectrical&ElectronicEngineers,国际电气和电子工程师协会）的定义[1]：

嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）（2）通俗定义

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。1.1.2嵌入式系统构架总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分

硬件一般由高性能的嵌入式微处理器、外围的接口电路、外设组成

软件一般由：应用软件或者

嵌入式操作系统和其上运行的应用软件构成；

1.1.3、嵌入式系统硬件嵌入式系统硬件可分为：微处理器、外围电路和外设。嵌入式处理器作为嵌入式系统的核心，它必须首先满足系统在功耗、功能和速度方面的要求。一般来说，嵌入式系统对实时性、功耗、体积和可靠性等方面要求比较高。嵌入式处理器的分类可以根据组织结构和功能特点的不同进行分类第二，或按照嵌入式处理器的字长来分类。流行的嵌入式处理器有8051、ARM、PowerPC、MIPS。1.2嵌入式操作系统目前，嵌入式系统有一部分有操作系统，还有一部分没有操作系统。由于嵌入式技术的飞速发展和广泛应用，嵌入式操作系统的种类繁多，下面简单介绍几种常见的嵌入式操作系统。

1．嵌入式Linux

嵌入式Linux是以Linux为基础的嵌入式操作系统，广泛应用于移动电话、个人数字助理(PDA)、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。

2．WindowsCE

WindowsCE是微软公司基于掌上型电脑所开发的32位嵌入式操作系统，可看作是Windows95的精简版本，具有相当出色的图形用户界面。CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivit)和伴侣（Companion），E代表电子产品（Electronics）。3．VxWorks

VxWorks是美国WindRiverSystem公司（风河公司）推出的一个实时操作系统。它具有高性能的内核、友好的用户开发环境，是实时操作系统领域的佼佼者，广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上就使用了VxWorks操作系统。但VxWorks价格昂贵，在大众化的嵌入式产品中使用不多。

4．µC/OS-Ⅱ

µC/OS-Ⅱ是一个源代码开放、可剪裁、结构小巧、抢先式的实时操作系统，主要用于中小型嵌入式系统中，执行效率高、占用空间小、可移植性强，具有良好的实时性能和可扩展性，最多支持64个任务，可运行在大部分嵌入式微处理器上。2、STC15F2K60S2硬件平台STC15系列最小系统板，以宏景STC15F2K60S2单片机为核心，

STC15F2K60S2功能简介如下，具体可参考相关数据手册[2]。1、STC15为1T单片机即晶振速度既是主频速度2、工作电压STC15F2K60S25V单片机5.5v-3.8v3、60Kflash存储空间4、2048字节即2KSRAM5、1KEEPROM存储空间6、共8通道10位高速ADC速度可达30万次/秒3路PWM还可当3路D/A使用7、共3通道捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）8、内部高可靠复位8级可选择复位门槛电压可省去外部复位电路9、支持内部高精度R/C时钟，可选择（5.5296MHz、11.0592MHz、22.1184MHz、33.1776MHz）10、两组高速异步串行通信端口（可同时使用）即双串口可在5组管脚之间进行切换分时复用可当5组串口使用!11、一组高速异步串行SPI总线在读SD卡NRF24L01flash芯片即扩展IO等均可使用12、低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式13、共6个定时器/计数器3个16位可重装载定时器/计数器（T0/T1/T2其中T0/T1兼容普通8051的定时器/计数器），并均可独立实现对外可编程时钟输出（3通道），3路CPP/PWM/PCA还可再实现3个定时器。14、可编程时钟输出功能（对内部系统时钟或对外部管脚的时钟输入进行时钟分频输出）15、硬件看门狗（WDT）16、先进的指令集结构兼容普通8051指令集有硬件乘法/除非指令17、42个通用I/O口复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置四种模式。STC15F2K60S2的最小系统板，具体资源及系统板电路如下图，具体可参考相关资料资料。3、UCOSII操作系统 uC/OS是一个完成的，可移植、可固化、可裁减的抢占式实时多任务操作系统内核。主要用ANSI的C语言编写，少部分代码是汇编语言。uC/OS主要有以下特点： 1、可移植性可以移植到多个CPU上，包括三菱单片机。 2、可固化可以固化到嵌入式系统中 3、可裁减 可以定制uC/OS，使用少量的系统服务 4、可剥夺性uC/OS是完全可剥夺的实时内核，uC/OS总是运行优先级最高的就绪任务。 5、多任务运行uC/OS可以管理最多64个任务。不支持时间片轮转调度法，所以要求每个任务的优先级不一样。 6、可确定性uC/OS的函数调用和系统服务的执行时间可以确定。 7、任务栈每个任务都有自己的单独的栈，而且每个任务栈空间的大小可以不一样。 8、系统服务uC/OS有很多系统服务，如信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、时间管理等等。二、uC/OS内核介绍前后台系统也称为超循环系统。应用程序是一个无限的循环，循环中实现相应的操作，这部分看成后台行为。用中断服务程序处理异步事件，处理实时性要求很强的操作，这部分可以看成前台行为。共享资源可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。3、任务：一个任务是一个线程，一般是一个无限的循环程序。一个任务可以认为CPU资源完全只属于自己。任务可以是以下五种状态之一：休眠态，就绪态，运行态，挂起态和被中断态。uC/OS-II提供的系统服务可以使任务从一种状态变为另一种状态。4、任务切换：任务切换就是上下文切换，也是CPU寄存器内容切换。当内核决定运行另外的任务时，它保存正在运行任务的当前状态（CPU寄存器的内容）到任务自己的栈区。入栈完成后，就把下一个将要运行的任务状态从该任务的栈中重新装入CPU寄存器，并开始下一个任务的运行，这个过程叫做任务切换。5、内核多任务系统中内核负责管理和调度各个任务，为每个任务分配CPU时间，并负责任务间的通信。内核总是调度就绪态的优先级最高的任务。内核本身增加了系统的额外负荷，因为内核提供的服务需要一定的执行时间。6、可剥夺型内核uC/OS－II以及绝大多数商业实时内核都是可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪，就抢占运行着的低优先级的任务，得到CPU的使用权。7、可重入函数：可以被多个任务调用，并且不用担心数据会被破坏的函数。8、优先级反转优先级反转问题是使用实时内核系统中出现最多的问题。描述如下：假设当前系统有任务3在运行，并且低优先级的任务3占用了共享资源，而高优先级任务1就绪得到CPU使用权后，也要使用任务3占用的共享资源，任务1只能挂起等待任务3使用完共享资源。任务3继续运行时，优先级在任务1和任务3之间的任务2就绪并抢占了任务3的CPU使用权，直到运行完后才把CPU使用权还给任务3。任务3继续运行，在释放了共享资源后任务1才得以运行。这样，任务1实际上降到了任务3优先级的水平。这种情况就是优先级反转问题。uC/OS-II中，可以利用互斥信号量来这个解决。9、互斥方法使用共享数据结构进行任务间通信时，要求对其进行互斥。保证互斥的方法有：关中断、使用测试变量、禁止任务切换和利用信号量。10、同步可以利用信号量使任务与任务，任务与ISR之间同步。任务之间没有数据交换。11、事件标志：当任务要与多个事件同步时，需要使用事件标志(eventflag)。事件标志同步分为独立型同步（逻辑“或”关系）和关联型同步（逻辑“与”关系）。12、任务间通信：任务间信息的传递有两个途径，通过全局变量或者通过内核发消息给另一个任务。通过内核服务发送的消息包括：消息邮箱、消息队列。任务或者ISR可以把一个指针放到消息邮箱中，让另一个任务接收。消息队列实际上是邮箱阵列。13、时钟节拍：是特定的周期性的定时器中断。时钟节拍是系统的心脏脉动，提供周期性的信号源，是系统进行任务调度的频率依据和任务延时依据。时钟节拍越快，系统开销就越大。我们移植过程中采用的方法：初始化定时器TA0,周期是20ms,作为操作系统时钟节拍。说明：基于uC/OS-II操作系统进行应用系统时，设计任务的主要任务是将系统合理划分成多个任务，并由RTOS进行调度，任务之间使用uC/OS-II提供的系统服务进行通信，以配合实现应用系统的功能。上图中应用代码部分主要是设计人员设计的业务代码。与前后台系统一样，基于uC/OS-II的多任务系统也有一个main主函数，main函数由编译器所带的C启动程序调用。在main主函数中主要实现uC/OS-II的初始化OSInit()、任务创建、一些任务通信方法的创建、uC/OS-II的多任务启动OSStart()等常规操作。另外，还有一些应用程序相关的初始化操作，例如：硬件初始化、数据结构初始化等。在使用uC/OS-II提供的任何功能之前，必须先调用OSInit()函数进行初始化。在main主函数中调用OSStart()启动多任务之前，至少要先建立一个任务。否则应用程序会崩溃。OSInit()初始化uC/OS-II所有的变量和数据结构，并建立空闲任务OS_TaskIdle()，这个任务总是处于就绪态。4、 基于STC15F2K60S2单片机的UCOSII的移植μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。1)核心部分(OSCore.c)是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。2)任务处理部分(OSTask.c)任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。3)时钟部分(OSTime.c)μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick（时钟节拍）。任务延时等操作是在这里完成的。4)任务同步和通信部分为事件处理部分，包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分；主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。5)与CPU的接口部分是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。5、 UCOSII应用软件设计(1)流程图①LCD显示的流程图LCD初始化延时开始LCD初始化延时开始设置第一行显示位置显示第一行内容设置第一行显示位置显示第一行内容显示第二行内容设置第二行显示位置显示第二行内容设置第二行显示位置②串口通讯的流程图接收线程：将数据打包放入缓存并通知处理线程串口：接收线程从串口获取数据接收线程：将数据打包放入缓存并通知处理线程串口：接收线程从串口获取数据缓存缓存处理线程收到通知后，从Wait（）中醒来，然后读取缓存中数据处理线程收到通知后，从Wait（）中醒来，然后读取缓存中数据数据处理线程数据处理线程③控制LED指示灯闪烁的流程图开始开始输出“1输出“1”，熄灭延时延时输出输出“0”，点亮延时延时(2)代码附录核心代码：voidTask1(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; ET0=1;//根任务开时钟节拍中断重要！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！ for(;;){ LED1=~LED1;OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC);//延时1s //OSSemPost(FirstSem); }}voidTask2(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; while(1){ Process_Uart(); LED2=~LED2; OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC/20); Feed_WDT();}}voidTask3(void*ppdata)reentrant{ ppdata=ppdata; for(;;) {// OSTimeDlyHMSM(0,0,10,0); LCD1602_write_string(LCD1602_LINE1,0,"ZHOUJIE");LCD1602_write_string(LCD1602_LINE2,0,"TANGQILUO"); OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC);}