基于ARM的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)
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關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng) ARM ìC/OS-II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 JTAG在線調(diào)試 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境
國(guó)內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)大多是幾個(gè)人以小組的形式根據(jù)不同的項(xiàng)目組織在一起，由于缺乏一個(gè)穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，整個(gè)開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)大都放在調(diào)試硬件故障上。首先，所有項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)幾乎全部使用匯編語(yǔ)言，嚴(yán)重影響了程序的可讀性和可移植性，更換不同的處理器就意味著一切從頭開(kāi)始，就連使用相同處理器的不同項(xiàng)目組之間的程序重用也很困難；而對(duì)于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)著重解決的實(shí)際問(wèn)題往往無(wú)暇顧及，非常不利于我國(guó)嵌入式應(yīng)用水平的提高。其次，測(cè)控系統(tǒng)通信接口種類比較少, 多為傳統(tǒng)的RS232、RS485接口，數(shù)據(jù)交換速度慢，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。另外，傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)日漸復(fù)雜的應(yīng)用需求；友好的交互界面、網(wǎng)絡(luò)互連功能、智能化的軟件、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理幾乎成了現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的共同需求。
我們開(kāi)發(fā)了基于ARM內(nèi)核處理器的NetCARM7開(kāi)發(fā)板，通過(guò)在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)ìC/OS-Ⅱ上加入Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高性能的現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。此外，通過(guò)JTAG在線調(diào)試工具BDI2000 RDI for ARM和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR EW的結(jié)合，大大提高了程序調(diào)試的效率。
1 平臺(tái)設(shè)計(jì)
ARM內(nèi)核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開(kāi)發(fā)難度等一系列優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)控系統(tǒng)由8位機(jī)升級(jí)到32位機(jī)的理想選擇。此外，ARM7、ARM9、ARM10、XScale的指令兼容，已有的軟件資源和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不會(huì)由于升級(jí)到更高性能的處理器而受到巨大的損失。
（1）平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)
我們開(kāi)發(fā)了NetCARM7開(kāi)發(fā)板(處理器為Atmel公司的ARM7TDMI內(nèi)核的AT91M40800，主頻可達(dá)40 MHz)作為中低端實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)。AT91M40800性能已經(jīng)可以滿足一般測(cè)控系統(tǒng)的各種需求，功能簡(jiǎn)單易用，雙面板就可以形成穩(wěn)定硬件設(shè)計(jì)，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。板上將處理器的所有引腳引出,可以根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需求靈活地?cái)U(kuò)展出新的應(yīng)用；集成了多達(dá)2 MB的 SRAM，保證用戶代碼可以獲得最高的性能。1 MB Flash ROM用來(lái)滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的需求。板上預(yù)留了JTAG端口，通過(guò)Abatron公司的BDI在線仿真器和IAR公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Embeded Workbench for ARM 可以實(shí)現(xiàn)各種程序的在線調(diào)試。板上提供了2個(gè)串口，還可以將處理器的UART配置成SPI，除了完成通信功能以外，還可以很容易地連接A/D變換器，滿足測(cè)控系統(tǒng)的需求。板上還擴(kuò)展了10 M以太網(wǎng)接口。在網(wǎng)絡(luò)控制器方面，選用了低成本符合NE2000標(biāo)準(zhǔn)的RTL8019，為平臺(tái)提供了網(wǎng)絡(luò)化的硬件基礎(chǔ)。此外，板上還集成了液晶及行列式鍵盤(pán)接口，可以很方便地為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供友好的用戶交互方式。硬件平臺(tái)如圖1所示。
（2）開(kāi)放源碼的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)
測(cè)控系統(tǒng)所要完成的工作越來(lái)越復(fù)雜，程序越來(lái)越龐大，需要管理的外設(shè)越來(lái)越多，只有擁有嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)才能由原來(lái)硬件的調(diào)試、軟件的 DEBUG轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的性能的提高、智能化軟件的編寫(xiě)。此外，只有在一個(gè)完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用程序，才可能具有良好的可移植性,才可能被重復(fù)利用。嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，共同構(gòu)成一個(gè)可以重復(fù)利用的軟硬件數(shù)字系統(tǒng)平臺(tái)，除了可以最大限度地提高開(kāi)發(fā)的效率、減少資源的浪費(fèi)外，還可以通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)于該平臺(tái)的研究，逐步優(yōu)化平臺(tái)軟硬件資源，提高其性能，并滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。
目前大多商用嵌入式操作系統(tǒng)出于商業(yè)利益的考慮，除了使用該操作系統(tǒng)的每件產(chǎn)品要收取版稅以外，要么只提供操作系統(tǒng)核心部分二進(jìn)制文件，要么對(duì)源代碼的收費(fèi)十分昂貴，對(duì)于此類操作系統(tǒng)的使用者來(lái)講，幾乎無(wú)法拿到操作系統(tǒng)的源代碼。這樣，一方面產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展受制于人；另一方面對(duì)于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)容易出現(xiàn)隱患，無(wú)法從根本上避?quot;后門(mén)"。只有對(duì)開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)進(jìn)行不斷的理解、改造、優(yōu)化，才有利于我國(guó)嵌入式開(kāi)發(fā)水平的穩(wěn)步提高。
對(duì)于小型實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，源代碼公開(kāi)的、具有很好可移植性的、可固化可裁剪的、高穩(wěn)定性與可靠性、搶占式多任務(wù)的ìC/OS-Ⅱ非常適合！代碼簡(jiǎn)潔的ìC/OS-Ⅱ已經(jīng)應(yīng)用于照像機(jī)業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
（3）網(wǎng)絡(luò)化
TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過(guò)Internet將通信距離無(wú)限擴(kuò)展。10M以太網(wǎng)使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能。這樣，除了可以充分利用PC機(jī)上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)工作外，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)于智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備集群的實(shí)現(xiàn)提供了另一種途徑。PPP協(xié)議，可以通過(guò)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供了更靈活的控制、監(jiān)測(cè)方式。
我們選用了Interniche公司（http://www.iniche.com）開(kāi)放源碼的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。Interniche使我們很容易在ìC/OS-Ⅱ的調(diào)度下為開(kāi)發(fā)平臺(tái)增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。由于它是專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，占用的系統(tǒng)資源很小。Interniche協(xié)議全部用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言。它除了可以運(yùn)行在各種RTOS下，如ìC/OS、VRTX、CMX、Threadx等，還可以在沒(méi)有RTOS的環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行。此外，Interniche還在ìC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上專門(mén)為其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫(xiě)了自己的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)：ChronOS。ChronOS除了保持對(duì)已經(jīng)廣泛使用的ìC/OS-Ⅱ的兼容性以外，還使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與RTOS更加緊密地結(jié)合在一起，來(lái)滿足各種現(xiàn)代應(yīng)用對(duì)RTOS和嵌入式TCP/IP協(xié)議相結(jié)合的迫切需求。
常用的Interniche包括：
① 核心協(xié)議。
◇ NicheStackTM--InternicheTCP協(xié)議包含TCP、UDP、IP、TFTP、DHCP Client、ICMP、ARP、SLIP、BootTP、DNS Client。
◇ Niche ToolTM--菜單驅(qū)動(dòng)的協(xié)議調(diào)試和測(cè)試工具（包含在NicheStack和Nichelite中）。
◇ NicheLiteTM--Interniche微型化的TCP/IP協(xié)議，全部代碼在12KB以內(nèi)；它包含全部的 NichestackTM所有的協(xié)議和1個(gè)最少化的Socket API，易于移植到從8位到32位CPU上。
可選擇應(yīng)用模塊: PPP、Multilink PPP、PPPoE、Telnet(Server&Client)、FTP(Server&Client)、IP Multicast、NichePOP3。它使TCP/IP上的附加模塊增加了POP3 Email服務(wù)器收郵件功能。
② 基于WEB管理和配置協(xié)議。
◇ WebportTM--嵌入式Web服務(wù)器，讓最終用戶通過(guò)WWW瀏覽器配置和監(jiān)控嵌入式設(shè)備而避免去編寫(xiě)專用的GUI界面。這些界面多數(shù)是與主機(jī)OS相關(guān)的（如Win98），而且需要目標(biāo)環(huán)炒罅康淖試矗?縹募?低場(chǎng)?br> ◇ Email Alerte--為嵌入式系統(tǒng)增加預(yù)告和報(bào)警功能。它允許用戶向本地或遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息，比如某個(gè)條件下的報(bào)警信息。
2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)
（1）開(kāi)發(fā)測(cè)試板的硬件測(cè)試
完成NetCARM7設(shè)計(jì)、板焊接以后，使用Abatron公司 (http://www.abatron.ch) JTAG仿真器BDI2000，通過(guò)編寫(xiě)B(tài)DI配置文件對(duì)NetCARM7板進(jìn)行初始化，初步驗(yàn)證板上CPU工作是否正常，檢查SRAM、Flash ROM是否可以正常讀/寫(xiě)。
（2）BDI2000結(jié)合IAR EW的軟件測(cè)試
在板上存儲(chǔ)器正常工作的基礎(chǔ)上，使用IAR公司 (http://www.iar.com) 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Embedded Workbench編寫(xiě)出簡(jiǎn)單的測(cè)試程序，其中包括匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言。只要在EW中利用它提供的嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、連接定位器，就可以生成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行程序；利用EW的C-SPY調(diào)試器中支持的RDI接口，就可以和BDI2000建立連接，直接將編寫(xiě)的代碼下載到板上在線仿真。由于BDI2000仿真器是通過(guò)10M以太網(wǎng)連接計(jì)算機(jī)，并且通過(guò)JTAG接口與目標(biāo)機(jī)相連，BDI2000與目標(biāo)機(jī)的通信速率可達(dá)16Mb/s，程序下載速率可達(dá)320 KB/s，因此可以大大提高平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)的效率。
在初步的測(cè)試程序編寫(xiě)完成以后，逐步對(duì)板上的其它外設(shè)和通信端口進(jìn)行測(cè)試。
（3）串口監(jiān)控程序
NetCARM7上的串口除了可以提供少量數(shù)據(jù)傳送和控制信息的輸入/輸出以外，為了方便平臺(tái)的軟件維護(hù)，我們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于板上串口的監(jiān)控程序，經(jīng)RS232接口就可將PC與NetCARM7相連，完成以下功能：① 顯示處理器各狀態(tài)下寄存器的值；② 修改指定地址的SRAM、FlashROM中的內(nèi)容；③ 查看指定地址的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容；④ 將用戶編寫(xiě)的代碼下載到NetCARM7的指定地址的SRAM、Flash ROM中；⑤ 從指定地址開(kāi)始執(zhí)行用戶代碼；⑥ 通過(guò)設(shè)置跳線，選擇從用戶放在FlashROM中的代碼直接啟動(dòng)（上電后直接運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序）；⑦ 支持用戶設(shè)置的軟件中斷，在中斷以后可以使用①、②、③項(xiàng)功能，用以方便用戶調(diào)試自己的代碼。這樣，在平臺(tái)用于實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)品以后，在儀器工作現(xiàn)場(chǎng)只需改變跳線就可以使板上的監(jiān)控程序工作，通過(guò)串口升級(jí)整個(gè)系統(tǒng)軟件，也包括監(jiān)控程序本身，在沒(méi)有JTAG調(diào)試工具的時(shí)候，方便地對(duì)可能出現(xiàn)的比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)。
（4）ìC/OS-Ⅱ的移植
對(duì)ìC/OS-Ⅱ的移植在BDI2000和IAR EW的幫助下變得非常簡(jiǎn)單。在完成CPU的初始化以后，首先對(duì)時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行設(shè)置（10~100Hz）。對(duì)AT91M40800只需編寫(xiě)相應(yīng)的定時(shí)器中斷處理程序，在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)的OSTimeTick（），并在其AIC(Advanced Interrupt Controller )中設(shè)置定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)別，并將定時(shí)器中斷處理程序的地址放到相應(yīng)的中斷向量表中即可。使定時(shí)器產(chǎn)生中斷，必須在開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度后，即在第一個(gè)任務(wù)中使能定時(shí)器。其次，對(duì)ìC/OS-Ⅱ移植主要集中在includes.h、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C等CPU相關(guān)文件的移植，上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何修改。對(duì)于多任務(wù)操作系統(tǒng)，只需將復(fù)雜的應(yīng)用分成簡(jiǎn)單的、相互聯(lián)系的任務(wù)，再把各個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)交給操作系統(tǒng)去管理就可以了。
（5）Interniche嵌入式協(xié)議棧的移植
BDI2000結(jié)合IAR EW在線調(diào)試對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)的幫助作用更加明顯。對(duì)于同樣具有良好可移植特性的Interniche協(xié)議棧，只需要根據(jù)以太網(wǎng)控制器RTL8019手冊(cè)上的詳盡描述，編寫(xiě)出發(fā)送包、接收包的函數(shù)，以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷處理程序就可以完成對(duì)Interniche的網(wǎng)絡(luò)部分的移植。由于Interniche協(xié)議棧也是可以獲得源碼的，所以對(duì)于任何網(wǎng)絡(luò)控制器都可以通過(guò)不斷的調(diào)試最終完成自己的驅(qū)動(dòng)程序。此外，為了方便調(diào)試，使Niche ToolTM工作，還應(yīng)該完成對(duì)Interniche中向串口收發(fā)字符putchar(); getch()的移植，就可以在PC端使用超級(jí)終端經(jīng)過(guò)串口與NetCARM7上的Interniche 基于命令行交互了。Interniche的各種協(xié)議簇可以根據(jù)需要由ìC/OS-Ⅱ調(diào)度的狀態(tài)查詢?nèi)蝿?wù)。這樣ìC/OS-Ⅱ就和Interniche一起構(gòu)成了現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的軟件核心。
3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)靈活的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
（1）圖形化操作界面
圖形化操作界面是基于Interniche 的Webserver,通過(guò)WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)的。
利用Interniche提供的WebportTM，讓最終用戶通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問(wèn)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，在WWW瀏覽器中設(shè)置測(cè)控設(shè)備工作參數(shù)，監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)及察看測(cè)量結(jié)果，而避免為嵌入式測(cè)控系統(tǒng)專門(mén)去編寫(xiě)專用的GUI交互界面。在不同的儀器設(shè)備中的界面只需編寫(xiě)不同的HTML頁(yè)面，結(jié)合CGI技術(shù)就可以完成各種靈活、友好的交互功能了。這些界面只需要目標(biāo)機(jī)提供存儲(chǔ)空間就可以了。
（2）真正的遠(yuǎn)程控制
利用Interniche提供的PPP撥號(hào)上網(wǎng)，使用Email Alerte為嵌入式測(cè)控系統(tǒng)增加預(yù)告和報(bào)警功能，測(cè)控設(shè)備就可以向遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息，通知測(cè)控設(shè)備的工作情況，實(shí)現(xiàn)嵌入式測(cè)控設(shè)備真正的"無(wú)人值守"遠(yuǎn)程控制。
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