基于Cortex-A8嵌入式實(shí)驗平臺的設計與實(shí)現

摘要：針對目前嵌入式教學(xué)實(shí)驗平臺資源的不足，為了使理論與實(shí)踐相結合、軟硬件聯(lián)系更緊密，設計提出了一套Cortex—A8內核的嵌入式系統實(shí)驗平臺方案，采用主流硬件構成，闡述了各實(shí)驗設計流程，最后給出了嵌入式實(shí)驗開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。該實(shí)驗系統模塊豐富，具有可移植、可擴展的特點(diǎn)，實(shí)驗設計層次鮮明，可滿(mǎn)足教師科研工作與實(shí)驗教學(xué)的需求。

隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增長(cháng)，嵌入式技術(shù)已經(jīng)滲透到生活的各個(gè)方面，面對嵌入式領(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)設了嵌入式系統相關(guān)課程。以往嵌入式教學(xué)平臺已很難滿(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)驗的畢業(yè)生加入團隊。而嵌入式技術(shù)具有很強的綜合性，要求設計人員同時(shí)具備軟硬件知識，需要了解特定任務(wù)對微處理器、存儲器，外圍設備和接口的要求，能夠根據任務(wù)需求選擇性能指標合適的元器件，并且能夠設計電子電路(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)踐性很強的技術(shù)，而傳統的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)實(shí)驗平臺不是過(guò)于簡(jiǎn)單，就是結構過(guò)于復雜冗余。

本文設計了一套嵌入式系統實(shí)驗平臺，為嵌入式系統教學(xué)提供了實(shí)驗環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)本平臺了解嵌入式系統軟硬件設計的一般思路和步驟，熟悉嵌入式操作系統和嵌入式圖形用戶(hù)界面的移植過(guò)程。經(jīng)過(guò)深入的學(xué)習研究，還可以在該平臺的基礎上連接外設，進(jìn)行多種功能的擴展，為嵌入式控制器的設計和技能大賽作很多有益的準備工作。該平臺對于培訓學(xué)生的嵌入式系統軟硬件設計能力有很大幫助。同時(shí)該平臺在設計與實(shí)現中也兼顧了實(shí)際應用的需要，在該平臺基礎上可以很方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現包括電子書(shū)、視頻采集、GPS等在內的多類(lèi)產(chǎn)品的設計，因而該平臺也可作為一套嵌入式產(chǎn)品解決方案。

1 嵌入式系統實(shí)驗裝置的開(kāi)發(fā)

結合科研教學(xué)及嵌入式趨勢的發(fā)展，本實(shí)驗平臺總體設計思想是要構建一個(gè)具有代表性的嵌入式系統，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。

1.1 實(shí)驗裝置硬件設計

實(shí)驗平臺的硬件是采用CortexTM—A8內核的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(xiàn)模塊、音頻模塊等設備構成，通過(guò)JTAG調試接口進(jìn)行程序的燒錄、調試。其片上資源豐富，通過(guò)各外設接口，學(xué)生可以進(jìn)行基本硬件實(shí)驗、軟件實(shí)驗、操作系統實(shí)驗、嵌入式產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗。

實(shí)驗平臺硬件均選取當前主流器件，各功能模塊如圖1所示。

1)ARM處理器選擇CortexTM—A8內核的S5PC110設計而成。該處理器采用了32位的ARM精簡(jiǎn)指令集的一種處理器，能達到1 GHz的運算速度，其視頻編解碼能力達到1080p，支持電視輸出(NTSC/PAL/IHDMI)，LCD的分辨率典型支持1 024x768。本處理器應用從智能手機到導航設備，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(xiàn)通訊，個(gè)人導航，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：軟件調試、與外設的連接以實(shí)現串口通信。

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

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

6)SD卡接口：嵌入式實(shí)驗平臺數據的存儲及擴展。

7)電源模塊：產(chǎn)生實(shí)驗平臺中各部分電路的電源。

8)以太網(wǎng)模塊：實(shí)現有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據通信，下載μClinux內核及文件系統。

1.2 實(shí)驗平臺軟件設計

嵌入式實(shí)驗裝置軟件平臺的關(guān)鍵就是各個(gè)實(shí)驗功能模塊的開(kāi)發(fā)，結合嵌入式系統理論課程的內容，實(shí)驗平臺開(kāi)發(fā)了以下實(shí)驗內容(圖2)。

1)基本硬件實(shí)驗。目的是讓學(xué)生結合理論知識了解嵌入式系統的硬件環(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。結合實(shí)際教學(xué)目標，實(shí)驗平臺提供了6個(gè)基本實(shí)驗，分別是跑馬燈控制實(shí)驗、數碼管控制實(shí)驗、鍵盤(pán)控制實(shí)驗、PWM控制實(shí)驗、串行通信實(shí)驗、電機控制實(shí)驗。根據任務(wù)指導書(shū)的內容進(jìn)行實(shí)驗調試后，可使初學(xué)者熟悉實(shí)驗目的及原理、實(shí)驗流程，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。通過(guò)以太網(wǎng)通信實(shí)驗、無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗、USB接口實(shí)驗、鍵盤(pán)控制實(shí)驗、觸摸屏控制實(shí)驗、GPS導航實(shí)驗等環(huán)節，加深學(xué)生對嵌入式軟硬件結構和編程的認識。

3)嵌入式操作系統實(shí)驗。設計了嵌入式操作系統的移植和裁剪任務(wù)，包括服務(wù)功能的裁剪和數據結構的裁剪?？墒箤W(xué)生熟悉和μC/OC-II和μCLinux的軟件編譯環(huán)境，進(jìn)而掌握作系統的移植、文件系統和人機交互界面的開(kāi)發(fā)等，然后可更深入的進(jìn)行綜合實(shí)驗、相關(guān)課程設計的學(xué)習及項目的開(kāi)發(fā)，加強學(xué)生對嵌入式系統的理解和應用能力的培養，提高學(xué)生鉆研的主動(dòng)性，最終具備嵌入式系統軟、硬件獨立開(kāi)發(fā)能力。

4)嵌入式產(chǎn)品二次開(kāi)發(fā)。結合實(shí)際應用，通過(guò)典型案例培養學(xué)生獨立開(kāi)發(fā)的能力。

2 關(guān)鍵問(wèn)題及性能測試

2.1 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊是建立下載內核鏡像以及文件系統鏡像的通道，為用戶(hù)的提供有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。確保系統的硬件電路正常工作后，系統啟動(dòng)后，使用IPCONFIG配置網(wǎng)卡地址信息，保證嵌入式實(shí)驗開(kāi)發(fā)平臺與PC機的IP地址在相同的網(wǎng)段內，即實(shí)驗開(kāi)發(fā)平臺的IP地址為192.168. 1.xx，嵌入式實(shí)驗開(kāi)發(fā)平臺通過(guò)交叉線(xiàn)與PC機相連，運行ping網(wǎng)絡(luò )命令，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接測試。

2.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

選用RT3070作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡芯片，在內核配置中添加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )選項，使μCLinux內核驅動(dòng)程序支持RT3070無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，然后對配置結束的μCLinux內核進(jìn)行編譯。還要必須移植無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡測試工具wirelesstools，在宿主機上交叉編譯兩個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )工具后，并把得到的測試工具安裝到文件系統相應目錄下面。系統啟動(dòng)結束后，把RTLS187無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡插入到嵌入式實(shí)驗開(kāi)發(fā)平臺后，系統成功驅動(dòng)RT3070無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡后，使用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )工具iwconfig連接實(shí)驗室無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )熱點(diǎn)，添加相應的路由，系統可以識別無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，并搜索WiFi熱點(diǎn)AP，實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能。