基于Cortex-A8嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)目前嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的不足，為了使理論與實(shí)踐相結(jié)合、軟硬件聯(lián)系更緊密，設(shè)計(jì)提出了一套Cortex—A8內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案，采用主流硬件構(gòu)成，闡述了各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，最后給出了嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊豐富，具有可移植、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層次鮮明，可滿(mǎn)足教師科研工作與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，嵌入式技術(shù)已經(jīng)滲透到生活的各個(gè)方面，面對(duì)嵌入式領(lǐng)域日益旺盛的人才缺口，很多高校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。以往嵌入式教學(xué)平臺(tái)已很難滿(mǎn)足電子通信行業(yè)高速發(fā)展，同時(shí)企業(yè)急需高素質(zhì)的，具有產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)的畢業(yè)生加入團(tuán)隊(duì)。而嵌入式技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合性，要求設(shè)計(jì)人員同時(shí)具備軟硬件知識(shí)，需要了解特定任務(wù)對(duì)微處理器、存儲(chǔ)器，外圍設(shè)備和接口的要求，能夠根據(jù)任務(wù)需求選擇性能指標(biāo)合適的元器件，并且能夠設(shè)計(jì)電子電路(包括畫(huà)元器件圖，原理圖，和PCB板圖)。同時(shí)嵌入式又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，而傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不是過(guò)于簡(jiǎn)單，就是結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜冗余。

本文設(shè)計(jì)了一套嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)本平臺(tái)了解嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的一般思路和步驟，熟悉嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式圖形用戶(hù)界面的移植過(guò)程。經(jīng)過(guò)深入的學(xué)習(xí)研究，還可以在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上連接外設(shè)，進(jìn)行多種功能的擴(kuò)展，為嵌入式控制器的設(shè)計(jì)和技能大賽作很多有益的準(zhǔn)備工作。該平臺(tái)對(duì)于培訓(xùn)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)能力有很大幫助。同時(shí)該平臺(tái)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中也兼顧了實(shí)際應(yīng)用的需要，在該平臺(tái)基礎(chǔ)上可以很方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)包括電子書(shū)、視頻采集、GPS等在內(nèi)的多類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，因而該平臺(tái)也可作為一套嵌入式產(chǎn)品解決方案。

1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)

結(jié)合科研教學(xué)及嵌入式趨勢(shì)的發(fā)展，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)思想是要構(gòu)建一個(gè)具有代表性的嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)兼顧教學(xué)與科研兩方面的要求，因而在元器件選擇上采用了主流且實(shí)用的型號(hào)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件是采用CortexTM—A8內(nèi)核的S5PC110處理器、以太網(wǎng)接口、串行接口、GPS模塊、SD卡、觸摸屏、無(wú)線模塊、音頻模塊等設(shè)備構(gòu)成，通過(guò)JTAG調(diào)試接口進(jìn)行程序的燒錄、調(diào)試。其片上資源豐富，通過(guò)各外設(shè)接口，學(xué)生可以進(jìn)行基本硬件實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、嵌入式產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件均選取當(dāng)前主流器件，各功能模塊如圖1所示。

1)ARM處理器選擇CortexTM—A8內(nèi)核的S5PC110設(shè)計(jì)而成。該處理器采用了32位的ARM精簡(jiǎn)指令集的一種處理器，能達(dá)到1 GHz的運(yùn)算速度，其視頻編解碼能力達(dá)到1080p，支持電視輸出(NTSC/PAL/IHDMI)，LCD的分辨率典型支持1 024x768。本處理器應(yīng)用從智能手機(jī)到導(dǎo)航設(shè)備，都有完善的解決方案。并且集成了很多所需要的組件，比如無(wú)線通訊，個(gè)人導(dǎo)航，攝像，移動(dòng)游戲，移動(dòng)音樂(lè)和視頻的播放，移動(dòng)電視和PDA功能。

2)GPS模塊：GPS器件是采用SiRF公司的Prima系列芯片，其支持各種外圍設(shè)備，例如CMMB，視頻輸入等功能，具有靈敏度高，便攜，功耗低等特點(diǎn)。

3)串口模塊：軟件調(diào)試、與外設(shè)的連接以實(shí)現(xiàn)串口通信。

4)USB接口：可擴(kuò)展多組外設(shè)模塊，如WiFi模塊、移動(dòng)硬盤(pán)、攝像頭等應(yīng)用模塊。

5)觸摸屏液晶TTL接口：采用TFT7寸(800*480)屏，分辨率可達(dá)1366x768，支持觸摸功能，提供人機(jī)交互模式，顯示重要信息。

6)SD卡接口：嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及擴(kuò)展。

7)電源模塊：產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各部分電路的電源。

8)以太網(wǎng)模塊：實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，下載μClinux內(nèi)核及文件系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)驗(yàn)裝置軟件平臺(tái)的關(guān)鍵就是各個(gè)實(shí)驗(yàn)功能模塊的開(kāi)發(fā)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)理論課程的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(圖2)。

1)基本硬件實(shí)驗(yàn)。目的是讓學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)了解嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，理解基本的程序代碼，熟悉軟件編譯環(huán)境和基本操作流程。結(jié)合實(shí)際教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了6個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，分別是跑馬燈控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管控制實(shí)驗(yàn)、鍵盤(pán)控制實(shí)驗(yàn)、PWM控制實(shí)驗(yàn)、串行通信實(shí)驗(yàn)、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。根據(jù)任務(wù)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試后，可使初學(xué)者熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?、?shí)驗(yàn)流程，掌握基本的嵌入式程序開(kāi)發(fā)的能力。

2)嵌入式軟件實(shí)驗(yàn)。通過(guò)以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)、無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)、USB接口實(shí)驗(yàn)、鍵盤(pán)控制實(shí)驗(yàn)、觸摸屏控制實(shí)驗(yàn)、GPS導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)和編程的認(rèn)識(shí)。

3)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了嵌入式操作系統(tǒng)的移植和裁剪任務(wù)，包括服務(wù)功能的裁剪和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的裁剪?？墒箤W(xué)生熟悉和μC/OC-II和μCLinux的軟件編譯環(huán)境，進(jìn)而掌握作系統(tǒng)的移植、文件系統(tǒng)和人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)等，然后可更深入的進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)、相關(guān)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)及項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生鉆研的主動(dòng)性，最終具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件獨(dú)立開(kāi)發(fā)能力。

4)嵌入式產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)典型案例培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開(kāi)發(fā)的能力。

2 關(guān)鍵問(wèn)題及性能測(cè)試

2.1 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊是建立下載內(nèi)核鏡像以及文件系統(tǒng)鏡像的通道，為用戶(hù)的提供有線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。確保系統(tǒng)的硬件電路正常工作后，系統(tǒng)啟動(dòng)后，使用IPCONFIG配置網(wǎng)卡地址信息，保證嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)與PC機(jī)的IP地址在相同的網(wǎng)段內(nèi)，即實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的IP地址為192.168. 1.xx，嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)通過(guò)交叉線與PC機(jī)相連，運(yùn)行ping網(wǎng)絡(luò)命令，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

選用RT3070作為無(wú)線網(wǎng)卡芯片，在內(nèi)核配置中添加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，使μCLinux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序支持RT3070無(wú)線網(wǎng)卡，然后對(duì)配置結(jié)束的μCLinux內(nèi)核進(jìn)行編譯。還要必須移植無(wú)線網(wǎng)卡測(cè)試工具wirelesstools，在宿主機(jī)上交叉編譯兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工具后，并把得到的測(cè)試工具安裝到文件系統(tǒng)相應(yīng)目錄下面。系統(tǒng)啟動(dòng)結(jié)束后，把RTLS187無(wú)線網(wǎng)卡插入到嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)后，系統(tǒng)成功驅(qū)動(dòng)RT3070無(wú)線網(wǎng)卡后，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工具iwlist掃描附近網(wǎng)絡(luò)中的熱點(diǎn)AP，然后使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工具iwconfig連接實(shí)驗(yàn)室無(wú)線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，添加相應(yīng)的路由，系統(tǒng)可以識(shí)別無(wú)線網(wǎng)卡，并搜索WiFi熱點(diǎn)AP，實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)功能。