1  前 言

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物, 它是硬件與軟件是緊密捆綁在一起的系統(tǒng), 這一特點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。目前的嵌入式系統(tǒng)人才多數(shù)是在工作崗位上培養(yǎng)起來(lái)的, 國(guó)內(nèi)高校還很少設(shè)立嵌入式系統(tǒng)這個(gè)本科專業(yè), 只是為了適應(yīng)社會(huì)的需要, 對(duì)某些專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程, 學(xué)習(xí)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程, 其理論還在不斷的發(fā)展當(dāng)中, 如果沒(méi)有很好的實(shí)踐平臺(tái), 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)很難掌握, 學(xué)生的技能就得不到提高, 培養(yǎng)的學(xué)生就不能適應(yīng)市場(chǎng)的需要。

現(xiàn)有的一些嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品也覆蓋了ARM7至ARM9的各大公司芯片。這些平臺(tái)在一塊實(shí)驗(yàn)板上，不僅實(shí)現(xiàn)了ARM芯片的全部功能，而且進(jìn)行了相關(guān)擴(kuò)展，在實(shí)驗(yàn)板上提供了幾乎所有的接口，使得學(xué)生能夠充分接觸到類型的接口的編程，能夠很好的在實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行各種軟件的實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)。但是，這類平臺(tái)也存在相當(dāng)?shù)牟蛔恪W(xué)生在其提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，只能完成軟件部分的練習(xí)，對(duì)于硬件部分的分析和設(shè)計(jì)卻不能得到很好的鍛煉。ARM開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)軟硬件相結(jié)合的技術(shù)，在ARM硬件設(shè)計(jì)方面，學(xué)生普遍還存在相當(dāng)?shù)牟蛔?，而在這方面的教育資源目前比較匱乏，需要一個(gè)合適的ARM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)全面提高學(xué)生的軟硬件水平。本設(shè)計(jì)關(guān)于ARM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建提出一些參考意見(jiàn)。

2  LPC2368嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)

為了能讓學(xué)生充分接觸到ARM板的硬件設(shè)計(jì)，更好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用核心板和擴(kuò)展板硬件分離設(shè)計(jì)（如圖1所示）。核心板上只設(shè)計(jì)一個(gè)ARM最小系統(tǒng)，并且引出端口以便擴(kuò)展，而在擴(kuò)展板上根據(jù)需要擴(kuò)展相關(guān)接口。這樣化繁為簡(jiǎn)，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅能夠?qū)?jiǎn)單的ARM最小系統(tǒng)有比較深入的理解，也能動(dòng)手設(shè)計(jì)出外圍擴(kuò)展電路，最后進(jìn)行編程，軟件和硬件的能力同時(shí)得到提高，加深學(xué)習(xí)的印象和興趣。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，考慮到教學(xué)要求、成本問(wèn)題和開(kāi)發(fā)的難易程度等，本系統(tǒng)采用NXP公司（原PHILIPS半導(dǎo)體公司）出品的基于ARM7TDMI處理器核的 32位處理器LPC2368。它內(nèi)嵌高達(dá)512KB的ISP/IAP Flash和高達(dá)58KB的SRAM，能夠在不擴(kuò)展存儲(chǔ)和內(nèi)存的條件下運(yùn)行uclinux和uc/OS-II，在滿足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求的前提下簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。同時(shí)LPC2368還支10/100 Ethernet、全速（12Mbps）USB 2.0和CAN 2.0B、多個(gè)串行通信接口（3個(gè)II C、1個(gè)IIS、4個(gè)UART和3個(gè)SPI/SSP）增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提供了更大的緩沖區(qū)，并且具有更高的處理能力；10位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)IRC振蕩器，還帶有SD存儲(chǔ)卡接口可供選擇。 功能強(qiáng)大，接口豐富，非常適合用來(lái)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 核心板的設(shè)計(jì)

要使一個(gè)嵌入式處理器工作起來(lái)，必須要有電源部分，必須加上時(shí)鐘信號(hào)，并提供復(fù)位信號(hào)。如果芯片沒(méi)有片內(nèi)存儲(chǔ)器或者內(nèi)部存儲(chǔ)器容量不夠，則還需要加上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才能正常工作。這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與芯片一起構(gòu)成了最小系統(tǒng)。核心板中將LPC2368的I/O接口全部引出，以方便在主板上進(jìn)行硬件擴(kuò)展和接口設(shè)計(jì)。所以，這次設(shè)計(jì)的核心板部分包括ARM芯片，電源，時(shí)鐘，復(fù)位，以及I/O引出口。

2.2擴(kuò)展板設(shè)計(jì)

擴(kuò)展板在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，主要通過(guò)學(xué)生自行設(shè)計(jì)相關(guān)外圍接口硬件，來(lái)提高學(xué)生的硬件動(dòng)手能力。主板的I/O口通過(guò)插槽引出，可以方便的在擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需要的外圍硬件接口。LPC2368功能強(qiáng)大，接口非常豐富，自身就帶有多個(gè)串行通信接口，USB設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口和SD卡接口。

本次設(shè)計(jì)只完成部分硬件單元電路，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況，自行設(shè)計(jì)好每個(gè)接口部分的硬件電路，然后畫圖PCB并制版，通過(guò)反復(fù)驗(yàn)正至成功。這樣可以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，防止了紙上談兵，在硬件電路的設(shè)計(jì)流程，以及具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方便得到很好的煅練機(jī)會(huì)。然后可以將自己設(shè)計(jì)的外圍接口與I/O口相連，移植操作系統(tǒng)至主板上，并學(xué)習(xí)編寫驅(qū)動(dòng)程序來(lái)驅(qū)動(dòng)外部電路。硬件設(shè)計(jì)和軟件編程同時(shí)得到鞏固和提高。

2.2.1 UART串口設(shè)計(jì)

LPC2368具有四個(gè)串行接口。除標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸和接受外，UART1還提供全modem控制握手信號(hào)。UART3還具有紅外模式，可用來(lái)進(jìn)行紅外通訊。

本次設(shè)計(jì)采用RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)UART0的串口通信。URAT1采用SP3243ECA轉(zhuǎn)換芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232電平，即可與MODEM連接，控制MODEM撥號(hào)、通信等。電路圖如圖2所示。

[!--empirenews.page--]

2.2.2 SD/MMC接口設(shè)計(jì)

SD/MMC接口包括兩部分：

（1）多媒體存儲(chǔ)卡接口適配器模塊對(duì)SD/MMC存儲(chǔ)卡提供特定功能包括時(shí)鐘產(chǎn)生單元，電源管理控制與數(shù)據(jù)傳輸；

（2）APB接口訪問(wèn)MCI適配器注冊(cè)，產(chǎn)生中斷和DMA要求信號(hào)。

LPC2368含有1個(gè)SD/MMC存儲(chǔ)卡接口。LPC2368在芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了SD/MMC控制器，只需在外部加入存儲(chǔ)卡適配器即可。電路圖如圖3所示。

2.2.3調(diào)試與測(cè)試接口

[!--empirenews.page--]

JTAG調(diào)試是采用最多的一種調(diào)試方法，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試接口，用于測(cè)試和系統(tǒng)未正常工作前的下載。它可以通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描ARM CPU核進(jìn)行通信，屬于完全非插入式調(diào)試。調(diào)試主機(jī)PC負(fù)責(zé)對(duì)ARM源程序進(jìn)行編譯連接，然后使用調(diào)試程序進(jìn)行JTAG調(diào)試。LPC2368有一個(gè)內(nèi)置 JTAG調(diào)試口，通過(guò)這個(gè)接口可以控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。調(diào)試接口電路圖如圖4所示。

3  LPC2368嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容就是嵌入式操作系統(tǒng)的確定。目前嵌入式教學(xué)主要是以源碼開(kāi)放的uC/OS-II和uCLinux為主。uC/OS- II結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很容易通過(guò)閱讀源碼達(dá)到徹底掌握嵌入式操作系統(tǒng)的目的。uCLinux是現(xiàn)在最熱門的嵌入式操作系統(tǒng)之一，繼承了Linux網(wǎng)絡(luò)支持良好，文件系統(tǒng)多等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好的支持以上兩種操作系統(tǒng)的運(yùn)行，學(xué)生可以在該平臺(tái)上進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

底層硬件驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)難點(diǎn)，它緊密地將軟硬件銜接在一起。涉及到許多硬件相關(guān)的知識(shí)。如果完全讓學(xué)生開(kāi)發(fā)，將有很大的困難，不利于教學(xué)。一些成熟的開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了各方面的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在其基礎(chǔ)之上學(xué)生能夠很方便的進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？赏瑫r(shí)，底層的硬件細(xì)節(jié)被屏蔽，當(dāng)遇到新的設(shè)備需要驅(qū)動(dòng)時(shí)，學(xué)生就會(huì)束手無(wú)策。為了達(dá)到高校教學(xué)要求，本系統(tǒng)提供主要硬件部件的底層驅(qū)動(dòng)程序，既方便學(xué)生進(jìn)行深入的二次開(kāi)發(fā)，學(xué)生也可以以此為藍(lán)本，在自主設(shè)計(jì)硬件接口時(shí)，深入的學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫。

完成以上兩步就完成了一個(gè)良好的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，學(xué)生可以在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)基于特定應(yīng)用的用戶程序，這也是嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。本系統(tǒng)提供在 uCLinux和uC/OS-II的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)示例，通過(guò)對(duì)這些示例的實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，學(xué)生可以完全掌握在嵌入式平臺(tái)上的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4  結(jié)束語(yǔ)

基于目前嵌入式的快速發(fā)展與高校在嵌入式教育方面的相對(duì)落后，本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM7的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接口豐富，功能完善，可滿足高校嵌入式教育的需求，一改目前大多數(shù)嵌入式平臺(tái)在一塊主板上集成各類接口大而全的設(shè)計(jì)，采用核心板加擴(kuò)展板設(shè)計(jì)理念，使不同專業(yè)的學(xué)生都能從中學(xué)到相應(yīng)的知識(shí)，培養(yǎng)軟件編程技術(shù)的同時(shí)提高了硬件設(shè)計(jì)能力，使之系統(tǒng)全面地掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)各項(xiàng)技術(shù)，盡快成為合格的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人才。

參　考　文　獻(xiàn)
江俊輝 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息,2005,2卷7-2期:120-122
蔡型. 基于ARMS3C2500的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì).電子質(zhì)量,2004,09期:64-66
蔣祖力,李維謙,吳耀彬. 基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.福建電腦,2004,4期:95-108
季昱,林俊超,宋飛.ARM嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)典型實(shí)例
周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程