嵌入式综合设计实习指导书Word文档格式.docx
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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。
3、实习内容
3.1基本要求及内容
根据嵌入式系统综合设计的要求,完成设计并进行系统调试。
(1)嵌入式系统、STC15F2K60S2硬件平台资源应用;
(2)在STC15F2K60S2硬件平台完成ucosii嵌入式操作系统的移植;
(3)ucosii嵌入式操作系统应用程序的设计;
如:
建立三个以上个应用任务:
LCD1602的应用、串行通信的应用、PIO的应用、AD的应用等。
(4)根据系统要求进行系统设计;
(5)系统调试;
(6)验收撰写并提交设计报告。
3.2嵌入式系统概述
3.2.1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。
3.2.2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;
3.2.3、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。
3.2.4、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.WindowsCEWindowsCE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.VxWorksVxWorks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.µ
C/OS-Ⅱµ
C/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。
3.3STC15F2K60S2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-3.8v
3、60Kflash存储空间
4、2048字节即2KSRAM
5、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。
3.4ucosii操作系统
●uC/OS操作系统的特点
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
●基本概念
1、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。
2、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。
●uC/OS-II内核结构
1、uC/OS-II是以源代码形式提供的实时操作系统内核,其包含的文件结构如下:
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。
例子:
一个典型的应用程序main主函数如下
voidmain(void)
{
/*-----硬件初始化,等用户代码初始化-----*/
init_mcu();
init_lcd();
init_hdtimer();
OSInit();
/*初始化uC/OS-II*/
…
/*通过调用OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()创建至少一个任务;
*/
OSTaskCreate(sample_Task,(void*)0,&
sample_TaskStk[TASK_STK_SIZE-1],2);
/*通过调用OSSemCreate()创建信号量等任务通信方式;
CalcSem=OSSemCreate(0);
OSStart();
/*开始多任务调度!
OSStart()永远不会返回*/
}
调用OSStart()后,uC/OS-II就运行main函数所创建任务中优先级最高的一个就绪任务。
用户应该在uC/OS-II启动运行后的第1个任务中调用时钟节拍启动函数。
在uC/OS-II移植到M16C62的过程中实现了函数init_timer_ta0(),来初始化时钟TA0。
上例中如果创建了多个(n个)任务,在main函数调用OSStart()后,操作系统就启动了多任务调度,接管了CPU和其他资源的使用权,负责为每个任务分配CPU使用权和使用时间,同时对共享资源进行管理。
从宏观上看,整个系统就象有多个执行的程序并行运行,每个程序都是无限循环的main函数。
如下图所示:
文件OS_CFG.H是与应用程序有关的配置文件,主要是对操作系统进行设置。
包括:
设置系统的最多任务数OS_MAX_TASKS;
最多事件控制块设置OS_MAX_EVENTS;
堆栈方向的设置OS_STK_GROWTH(1为递减、0为递增);
是否支持堆栈检验OS_TASK_CREATE_EXT;
是否支持任务统计OS_ASK_STAT_EN;
是否支持事件标志组OS_FLG_EN…
等等。
文件INCLUDES.H是主控头文件,包含了整个系统需要的所有头文件。
包括操作系统的头文件和用户设计的应用系统的头文件。
OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM等文件是与移植uC/OS-II有关的文件,包含了与处理器类型有关的代码。
详细内容可参考邵贝贝译的《嵌入式实时操作系统uCOS-II》。
4、实习进度安排
实习时间为18、19、20周共三周时间,2013年12月30日-2014年1月17日撰写实习报告、验收设计成果,提交实习报告。
第一周
星期一:
实习动员,任务布置,查阅资料;
星期二~星期三:
嵌入式系统、
嵌入式系统硬件平台STC15F2K60S2单片机及系统板;
星期四~星期五:
STC15F2K60S2单片机及系统板简单实验;
第二周
星期一~星期三:
嵌入式操作系统UCOSII;
星期四~星期五:
基于STC15F2K60S2单片机的UCOSII的移植
第三周
星期一~星期二:
应用程序程序设计,程序调试;
星期三:
硬件软件联合调试,程序修改完善;
星期四:
撰写实习报告;
星期五:
系统验收、实习总结、提交实习报告
5、成绩考核与评定方法
1.考核方式:
实际动手能力、报告(设计)、答辩
2.成绩构成:
总成绩=考勤、纪律(10%)+实际动手能力(50%)+报告(20%)+答辩(20%)
6、参考文献
[1]JeanJ.Labrosse(作者),邵贝贝(译者),等嵌入式实时操作系统μC/OS-2(第2版)[M],北京航空航天出版社.2003
[2]STC15F2K60S2系列单片机器件手册[OL].WWW.STCMCU.COM
实习报告格式及内容要求
一、引言:
包括叙述与本课题相关的现状,存在问题,做本课题意义,(背景、动机、前人工作)
二、课题设计
1、嵌入式系统
1.1嵌入式系统概述
1.2嵌入式操作系统
2、STC15F2K60S2硬件平台
3、UCOSII操作系统
4、基于STC15F2K60S2单片机的UCOSII的移植
对移植进行分别介绍
4、UCOSII应用软件设计
(1)流程图
(2)代码附录
5、调试过程
(1)测试数据
(2)数据分析
三、结论
本课题作了什么,还需改进的地方。
软件说明
附2.1USB串口驱动
给电脑安装USB串口驱动(CH340驱动),将STC15系统板和电脑用USB连接如果驱动安装没有问题的话会在我的电脑设备管理器的端口上显示确定端口。
附2.2Keil_uvision_4
KeilC51V9.00即09年发布的最新版本uVision4,版本外观改变比较大
可以使用以前的注册文件
如果全新安装,在VISTA或者WIN7系统下,请使用管理员方式运行,然后注册即可无限制运行
注册方法:
⑴.安装KeilC51V9.00版本,即uV4
⑵.打开uVision4,点击File---LicenseManagement...,打开LicenseManagement窗口,复制右上角的CID
⑶.打开KEIL_Lic.exe注册机,在CID窗口里填上刚刚复制的CID,其它设置不变
⑷.点击Generate生成许可号,复制许可号
⑸.将许可号复制到LicenseManagement窗口下部的NewLicenseIDCode,点击右侧的AddLIC,若上方的Product显示的是PK51Prof.DevelopersKit即注册成功,SupportPeriod为有效期,一般可以到20年左右,若有效期较短,可多次生成许可号重新注册。
利用汇编语言或C语言要使用编译器,把源程序编译为机器码,生成HEX文件写入单片机内。
KEILuVISION是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一,它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片,甚至ARM,它集编辑,编译,仿真等于一体,它的界面和常用的微软VC++的界面相似,界面友好,易学易用,在调试程序,软件仿真方面也有很强大的功能。
附2.3STC-ISPVer6.38下载软件
一、基本操作步骤如下:
1、首先选择目标芯片的型号、串口号(与USB串口驱动的串口号一致)
2、打开程序代码文件
3、设置好相应的硬件选项
4、下载/编程
二、STC15F2K60S2头文件
1、利用STC-ISPVer6.38下载软件产生STC15F2K60S2头文件
2、点击
3、查看STC15F2K60S2头文件
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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