STR71xF嵌入式系統設計和實(shí)踐

0 前言

隨著(zhù)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展，嵌入式系統技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現了美好前景，注人了新的生命，同時(shí)也對嵌入式系統技術(shù)提出了新的挑戰。這主要包括:支持日趨增長(cháng)的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接、輕便的移動(dòng)應用和多媒體的信息處理。

由于因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高，ICP和ASP在網(wǎng)上提供的信息內容日趨豐富、應用項目多種多樣，像電話(huà)手機、電話(huà)座機及電冰箱、微波爐等嵌入式電子設備的功能不再單一，電氣結構也更為復雜。為了滿(mǎn)足應用功能的升級，設計師們一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片增強處理能力;同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復雜性，簡(jiǎn)化應用程序設計、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。

ARM微處理器因其卓越的低功耗、高性能在32位嵌入式應用中已位居世界第一，是高性能、低功耗嵌入式處理器的代名詞。為了順應當今世界技術(shù)革新的潮流，了解、學(xué)習和掌握嵌入式技術(shù)，就必然要學(xué)習和掌握以ARM微處理器為核心的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)流程，這對于研究和開(kāi)發(fā)高性能微處理器、DSP以及開(kāi)發(fā)基于SOC芯片設計及應用系統是非常必要的。作為電子信息專(zhuān)業(yè)的本科生很有必要了解和掌握32位嵌入式應用的開(kāi)發(fā)技術(shù)。所以，通過(guò)對嵌入式系統設計課程的學(xué)習和本次設計的實(shí)踐，一方面使學(xué)生具有較強的綜合素質(zhì)，成為具有良好的實(shí)際操作能力設計能力符合社會(huì )需求的開(kāi)拓性電子應用人才，另一方面也可為高年級本科生提供一個(gè)可擴展的嵌入式系統設計平臺。

1 STR710FZ2TB微處理器介紹

嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿(mǎn)足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式處理器目前主要有Power PC, 68000, MIPS, ARM系列等。

STR710F 系列產(chǎn)品以工業(yè)標準的ARM7TDMI 32位RISC CPU為內核，特別適用于需要尺寸緊湊、CPU功能強大的嵌入式系統和可升級的解決方案如用戶(hù)界面、工廠(chǎng)自動(dòng)化系統和銷(xiāo)售點(diǎn)（POS）應用等。該系列微控制器提供同級產(chǎn)品中最佳的閃存隨機存取時(shí)間，直接從閃存的速率高達33MHz；由于采用突發(fā)加速技術(shù)，順序代碼零等待狀態(tài)，最大存取速率50MHz，因此這個(gè)系列產(chǎn)品非常適合實(shí)時(shí)應用。該系列配備多達10個(gè)通信接口，包括CAN、 USB、HDLC (高級數據鏈路控制)、MMC (多媒體卡)和智能卡接口。靈活的封裝選擇包括有小型低量引腳的64引腳TQFP64和外置存儲器總線(xiàn)的144引腳TQFP144。該系列包括內置USB 和CAN接口的低成本64k字節閃存版微控制器STR711和 STR712，以及內置128或256字節程序閃存的經(jīng)典型微控制器,和對于無(wú)需USB和CAN接口的成本更低的“裸”微控制器STR715，該芯片內置 64千字節代碼閃存、16字節數據閃存和16字節RAM，沒(méi)有USB和CAN模塊，這個(gè)成本優(yōu)化型32位微控制器采用 64引腳的TQFP64封裝，專(zhuān)門(mén)為占板尺寸小的低成本應用而設計，例如：需要多用途和高性能處理器而不需要USB和CAN接口的工業(yè)系統和消費家電。

STR710工業(yè)級微控制器以ARM7TDMI 16/32處理器為內核，內帶Flash、SRAM、EMI、USB、CAN、5個(gè)定時(shí)器、12位ADC、10個(gè)通信接口。

2 uC/OS-II操作系統介紹

嵌入式系統的軟件一般由嵌入式操作系統和應用軟件組成, 編譯過(guò)程是一起進(jìn)行的。而操作系統的軟件又與硬件緊密相關(guān), 必須與具體應用相結合才能發(fā)揮其優(yōu)勢, 即必須結合實(shí)際系統的需求進(jìn)行合理的裁剪。所以, 如果能夠建立相對通用的軟硬件基礎, 然后在其上開(kāi)發(fā)出需要的系統, 是一種比較好的發(fā)展模式。從某種程度上來(lái)說(shuō), 嵌入式系統是指能夠運行操作系統的軟硬件綜合體。就實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(operation system )而言, 它可大致分為商用嵌入式OS與源碼開(kāi)放的嵌入式OS, 前者如WindRiver公司的Vxworks、ISI公司的pSOS和Quan- tum公司的QNX 等, 后者如免費的嵌入式Linux, 以及本文中所用到的uC/OS-II。

μC/OS-II由Micrium公司提供，是一個(gè)可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，它提供信號量、帶互斥機制的信號量、事件標志、消息信箱、消息隊列、內存管理、時(shí)鐘管理、任務(wù)管理等服務(wù)，適用于多種微處理器，微控制器和數字處理芯片（已經(jīng)移植到超過(guò)100種以上的微處理器應用中），同時(shí)，該系統源代碼開(kāi)放、整潔、一致，注釋詳盡，適合系統開(kāi)發(fā)。

3 嵌入式系統設計

3.1 硬件設計

該系統的硬件主要由STR710F微處理器，電源、復位、時(shí)鐘電路，JTAG調試電路，基本的按鍵和LED顯示等人機接口電路和時(shí)鐘電路所組成。系統設計結構如圖1所示。

在硬件上，系統包括基于STR710FZ2TB的ARM開(kāi)發(fā)平臺和時(shí)鐘電路兩大部分，其中ARM開(kāi)發(fā)平臺由電源部分，復位電路，時(shí)鐘電路，JTAG調試電路，Boot模式配置電路，ADC接口等組成。