一种嵌入式系统设计与应用概要.docx

1、一种嵌入式系统设计与应用概要2009年3月第3期电子测试EL EC TRON IC TEST Mar.2009No.3一种嵌入式系统设计与应用耿兆国1,耿兆会2(1.重庆邮电大学中韩(重庆嵌入式软件和系统研发中心重庆400065;2.江南大学电信学院无锡214011 摘要:嵌入式操作系统具有面向特定应用的特点,各种应用千差万别,这决定了不太可能出现可普遍适用的嵌入式实时操作系统。因此,开发、升级具有自主知识产权的嵌入式实时操作系统是很有意义的。本文首先介绍了嵌入式系统的结构和发展趋势;接着针对C8051F120单片机进行了简单介绍,并在其上实现C/OS 操作系统的移植,最后对加载了EPA 协议

2、栈的操作系统进行了测试,通过测试成功地验证了该系统的稳定性和可靠性。关键词:嵌入式系统;C8051F120单片机;C/OS 操作系统中图分类号:TP316.2文献标识码:ADesign and implementation of embeddedGeng Zhaoguo 1,Geng Zhaohui 2(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications ,CHINA 2KOREA (Chongqing Embedded Software &Systems Research Center ,Chongqing ,400065;2.Sou

3、thern Yangtze University School of Telecom ,Wuxi 214011Abstract :Embedded operating system wit h application 2specific feat ures ,a variety of different applications ,it appears unlikely t hat a decision can be widely applied to real 2time embedded op 2erating system ,develop ment ,up grading wit h

4、independent intellect ual property right s embed 2ded real 2time operating system is Meaningf ul.This article first int roduced t he embedded system struct ure and trends ;t hen on t he C8051F120MCU for a brief introduction and on t he realiza 2tion of C/OS operating system t ransplant ,and t he fin

5、al realization of t he EPA p rotocol stack to load t he operating system on The test and to pass t his test to verify t he success of t he system stability and reliability.K eyw ords :embedded operating system ;C8051F120MCU ;C/OS 20引言随着电子技术的快速发展,特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机,使现代科学研究得到了质的飞跃,而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代

6、工业控制领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统,最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。2009.3Embedded Technology1嵌入式系统的体系结构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统,自底向上包含有3个部分,如图1所示。 图1嵌入式系统基本结构(1硬件环境:是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台,不同的应用通常有不同的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。(2嵌入式操作系统:完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。(3嵌入式应用程序运行于操作系统之上

7、,利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。2处理器的选型在本设计中采用了C8051F120芯片,其特点如下:C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片,具有64个数字I/O 引脚(100脚TQ FP 封装。C8051F120有标准的8051程序和数据地址配置。它包括256字节的数据RAM ,其中高128字节为双映射。C8051F120还有另外位于外部数据存储器地址空间的8K 字节RAM 块,它的程序存储器包含128K 的分块Flash 。该存储器以1024字节为一个扇区,可以在系统编程。MCU 系统的存储器结构如图2所示。 图2

8、C8051F120的存储结构3嵌入式系统的选型在本设计中,用的是C/OS 操作系统,C/OS 最主要的特点就是源码公开的自由软件。这一点对于用户来说可谓利弊各半;好处在于,一方面它是免费的;另一方面用户可以根据自己的需要对它进行修改。坏处在于,它缺乏必要的支持。它没有功能强大的软件包,用户通常得自己编写驱动程序,特别当用户使用的是不太常用的单片机,还必须自己编写移植程序,在本设计中,采用的是具有51内核的C8051F120芯片。操作系统是一种与硬件(处理器相关的软件,根据某一种处理器来设计的操作系统一般是不能嵌入式技术2009.3在其他种类的处理器上运行的。如果要在其他处理器上运行该操作系统,

9、则必须对这个操作系统做相应的改造,即所谓操作系统的移植。移植C/OS 所需要的准备工作有:深入了解所采用的系统核心;分析所采用的C 语言开发工具的特点;编写移植代码;测试移植程序;针对项目的开发平台,封装服务函数(类似于80X86的PC.C 以及PC.H 。移植的程序流程如图3所示。 图3嵌入式移植的程序流程 4开发平台的选取考虑到实验室的实际情况,决定采用某型单片机的控制电路板(板上含C8051F120芯片作为开发平台,并对其中4个发光二极管加以利用,最后把EPA 协议栈在C/OS 2上进行移植。关于任务堆栈以及寄存器的设计,参考了任哲编写的嵌入式实时操作系统C/OS 原理及应用一书,堆栈结

10、构如图4所示。图4堆栈结构EPA 协议栈在C/OS 2上的移植主要进行下面的工作:1.修改EPA 协议栈与CPU 和编译器相关in 2cludes.h 头文件,如数据长度,字的高低位数据等。2.与操作系统的接口部分,包括进程间同步,进程间通信所需要的信号量,消息队列等函数。3.跟时间相关的函数,使EPA 协议栈的时间队列能够和C/OS 2的系统时间系统一致。5分析与测试本文开发的系统加载了EPA 通信协议栈的一致性测试,主要是测试该系统对大量数据包的处理能力以及对任务切换的能力。该测试成功地验证了本系统的稳定性和可靠性。图5是一致性测试报告的一部分,T est Information 栏中T

11、est schedule 表明进行第几个测试计划;Execute Case 表明预测试几个用例;Passed Case 表明几个测试用例通过了测试;Failed Case :0表明没有用例测试失败。测试信息表明:十个测试用例都通过了测试。图5一致性测试报告6结束语在本设计中实现的是一个较简单的功能,大部分的工作量安排在理解C/OS 操作系统的原理及其移植上,在今后的学习中要引入更复杂的功能,C8051F120是一款功能十分强大的芯片,片上资源极为丰富,因此在今后的开发过程中,在C/OS 的管理下能实现的功能还很多,另外在用KEIL 进行编译时,总会出现若干警告,这一部分还2009.3Embed

12、ded Technology需要进一步理解C/OS 操作系统,以免对今后的功能扩展产生影响。参考文献1The OSEK/VDX group.OSEK/VDX Operating Sys 2tem.Version 2.2.3.February 17th ,2005.2邵贝贝.嵌入式操作系统C/OS 2M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.3罗克露.OSE K/VDX 汽车电子嵌入式软件编程技术M .北京:北京航空航天大学出版社,2004.4Q IN G L I.嵌入式系统的实时间概念M .北京:北京 航空航天大学出版社,2004.5章亮飞,李银国.嵌入式操作系统AutoOSEK 的设计J

13、 .计算机工程,2007,16.6L EHOCZKY J ,SHA L ,DIN G Y.The rate mono 2tonic scheduling algorithm :exact characterization and average case behaviorA .Pro ceedings IEEE RealTime Systems SymposiumC .Santa Monica Cali 2fornia :IEEE Computer Society Press ,1989:1662171.7SHA L ,G OODENOU GH J B.Real 2time schedulin

14、g the 2ory and ADA CMU/SEI.88.TR.33M .S oftware En 2ginering Institute ,Carnegie Mellon University ,1988.8Mohammed A L ,Scheduling Hard and Soft Real 2Time Cornmunication in a Controller Area Network J .Control Engineer Practice ,1999,7(6:1512152.作者简介耿兆国,(19832,男,汉族,重庆邮电大学在读硕士研究生。研究方向:嵌入式系统软件。耿兆会,(1

15、9872,男,汉族,江南大学在读本科生。研究方向:嵌入式系统软件。E 2mail :leo_geng (上接第25页PA PR 超过7dB 的概率小于10-5。说明SL M 方法对PA PR 有很好的抑制效果。当然其代价也是明显的,首先,系统要额外计算M -1路信号,增加了开销;其次,随机相位信息要通过某种方式传到接收方,也会降低系统的有效性;再次,随机相位信息一旦出错将会对解调带来很大的影响,在一定程度上降低了系统的可靠性。总之,两种方法都能有效降低PA PR ,但其运算量及计算复杂度也是不容忽视的问题。因此,在实际系统选择降低PA PR 技术时,要平衡性能与计算复杂度,综合协调两者的关系选

16、择恰当的技术。参考文献1Pisit Boonsrimuang ,Kazuo Mori ,Tawil Paungma ,etal.PROPOSAL OF IMPROV ED P TS M ET HOD FOR OFDM SIGNAL J .Personal ,Indoor and Mo 2bile Radio Communications ,2007.IEEE 18th Interna 2tional Symposium ,2007,3(7:125.2Seung Hee Han ,Jae Hong Lee ,“An overview ofpeak 2to 2average power ratio

17、 reduction techniques for multicarrier transmission ”,Wireless Communica 2tions ,IEEE ,2005,12(2:56265.3RAO R M ,L AN G S ,DAN ESHRAD B.Field Meas 2urements with a 5.25GHz broadband MIMO 2OFDM communication systemJ .IEEE Trans Wireless Co 2mun ,2007,6(8:284822859.43GPP R12050891.OFDMA UL PAPR Reduct

18、ion.Motorolar ,London ,United K ingdom ,Aug 2005.5CH EN H S ,L IAN G H Y.Combined selective map 2ping and binary cyclic codes for PA PR reduction in OFDM systems J .IEEE Trans Wireless Comun ,2007,6(10:352423528.6汪裕民.OFDM 关键技术与运用M .北京:机械工业出版社,2007.7周恩等.下一代宽带无线通信OFDM 与MIMO 技术M .北京:人民邮电出版社,2008.8居敏,许宗泽.基于正交映射的OFDM 峰均比控制快速算法J .南京航空航天大学学报,2005,37(1:57260.作者简介刘建国,(19842,男,山西河曲人,硕士研究生,主要研究方向为移动通信。E 2mail :jianguoliu21