基于A(yíng)RM控制器LPC2214的嵌入式系統研究與開(kāi)發(fā)

基于A(yíng)RM控制器LPC2214的嵌入式系統研究與開(kāi)發(fā)

張勝茂

（華東師范大學(xué)軟件學(xué)院　上?！?00062）

摘　要：本文首先分析了ARM體系結構，重點(diǎn)介紹了LPC2214的組成并舉了應用實(shí)例，然后分析了μC/OS-II的移植，最后說(shuō)明了LPC2214的調試。

關(guān)鍵詞：ARM；μC/OS-II；嵌入式系統；LPC2214

Researching and Exploiting Embedded System Based on ARM Controller LPC2214

本文于2005年3月9日收到。張勝茂：碩士生，主要研究方向：嵌入式系統研究與開(kāi)發(fā)。

1  嵌入式系統與ARM

　　嵌入式系統以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。

　　ARM（Advanced RSIC Machines）是一家出售芯片設計技術(shù)授權的公司，目前其設計的ARM微處理器占據了32位RISC(Reduced Instruction Set Computing)微處理器75％以上的市場(chǎng)份額。

2  ARM體系結構

　　ARM已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。目前流行的ARM芯片內核有ARM7TDMI、StrongARM、ARM720T、ARM9TDMI、ARM922T、ARM940T、ARM946T、ARM966T、ARM10TDMI等。Philips LPC2214（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LPC2214） 是基于A(yíng)RM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器，屬于V4T版本。

2．1  ARM處理器內核

　　現代的VLS技術(shù)把附加的系統部件與內核集成在同一芯片中。其中，內核是最為密集和復雜的部件，是確定一個(gè)新系統時(shí)選擇的關(guān)鍵。LPC2214的內核是ARM7TDMI（圖1）的可綜合版本（軟核）。字母意義分別是：T－高密度16位的Thumb指令擴展、D－支持片上調試、M－短時(shí)間64位乘法指令、I－EmbededICE觀(guān)察點(diǎn)硬件。

2．2  ARM 微控制器

　　嵌入式微控制器（單片機）就是將整個(gè)計算機集成到一塊芯片中。各廠(chǎng)商購買(mǎi)ARM公司的核心授權后，擴展與各自領(lǐng)域相關(guān)的片內外圍電路，并集成在芯片中,使基于A(yíng)RM處理器核的芯片多元化。設計者應盡可能采用片內外圍電路完成所需的功能，來(lái)簡(jiǎn)化系統設計，提高系統可靠性。LPC2214微控制器（如圖2）通過(guò)AHB 到VPB 的橋將VPB總線(xiàn)與AHB 總線(xiàn)相連，片內外設（中斷控制器除外）連接在VPB總線(xiàn)上。LPC2214具有：多個(gè)串行接口，2 個(gè)16C550 工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C 接口（400 kHz）、2 個(gè)SPI 接口；8路10 位A/D 轉換器（0~3V測量范圍），轉換時(shí)間可低至2.44uS；2個(gè)32 位定時(shí)器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）；PWM 單元（6 路輸出）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；112個(gè)通用I/O 口（可承受5V 電壓）；2 個(gè)低功耗模式，空閑和掉電；片上集成高速閃存。

　　稅控收款機是一種帶有計稅功能的電子收款機，它內部裝有自動(dòng)記錄但不能更改和抹掉的計稅存儲器。稅控收款機由以下幾部分組成：中文顯示系統、中文打印系統、專(zhuān)用稅控處理系統、外圍設備驅動(dòng)、電源、帶物理安全保證的機箱。稅控機制由以IC卡為基礎的發(fā)行、管理、申報、維護、經(jīng)營(yíng)等系統組成。有關(guān)數據由稅務(wù)部門(mén)用專(zhuān)用IC卡讀出，以便稽查。

　　此系統充分合理地利用了其片內實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外部存儲器接口、UART等其它外設接口。片上閃存作為用戶(hù)程序的存儲空間，其高速零等待特性保證系統的實(shí)時(shí)運行。其片上程序保護機制，防止代碼被任意更改和復制。整個(gè)系統的設計結構簡(jiǎn)潔，極具競爭優(yōu)勢。

3  系統移植

　　ARM芯片獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(Real Time Operating System)供應商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks Nucleus、OSE、eCOS、μC/OS-II等，我們將在稅控收款機系統上移植μC/OS-II。

3．1  μC/OS-II移植

　　LPC2214的ARM7TDMI-S內核用ARM ADS作為編譯器移植μC/OS-II。包括以下內容：①設置OS_CPU．H頭文件中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼如：整數、浮點(diǎn)數、堆棧等數據類(lèi)型定義，打開(kāi)或者關(guān)閉中斷函數設置，定義堆棧增長(cháng)方向，任務(wù)切換的執行代碼。②用C語(yǔ)言在OS_CPU_C．C文件中編寫(xiě)6個(gè)操作系統相關(guān)函數：任務(wù)堆棧初始化函數OSTaskStkInit( )，μC/OS-II在執行某些操作時(shí)調用的用戶(hù)函數：OSTaskCreateHook( )、OSTaskDelHook( )、OSTaskSwHook( )、OSTaskStatHook( )、OSTimeTickHook( )③在OS_CPU．ASM文件中用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)四個(gè)與處理器相關(guān)的函數：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)OSStartHighRdy( )、任務(wù)級的任務(wù)切換函數OSCtxSw( )、中斷級的任務(wù)切換函數OSIntCtxSw( )、中斷服務(wù)函數OSTickISR( )。這里介紹的是通用方法，在具體的項目中還有很多工作要作。

3．2  建立完整的嵌入式實(shí)時(shí)系統

　　μC/OS-II提供的僅僅是一個(gè)任務(wù)調度的內核，要想實(shí)現一個(gè)以L(fǎng)PC2214為主控單元，應用于稅控收款機的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，還需相當多的擴展工作。主要包括：

　?、俳⑽募到y相關(guān)的API函數：如初始化文件函數InitOSFile( )、通過(guò)文件緩沖區讀寫(xiě)數據函數ReadOSFile( )和WriteOSFile( )、打開(kāi)和關(guān)閉文件函數OpenOSFile( )和CloseOSFile( )。

　?、跒橥獠吭O備建立驅動(dòng)程序并規范相應的API函數。外設驅動(dòng)程序可以對系統提供訪(fǎng)問(wèn)外圍設備接口，把操作系統和外圍設備分離開(kāi)來(lái)。當外圍設備改變的時(shí)候，只需更換相應的驅動(dòng)程序，不必修改操作系統的內核以及運行在操作系統的軟件。如：液晶驅動(dòng)、鍵盤(pán)驅動(dòng)、UART接口驅動(dòng)等。

　?、蹌?chuàng )建圖表用戶(hù)接口GUI函數,實(shí)現Unicode字庫的顯示及相關(guān)函數。

　?、芟到y的消息隊列。消息相關(guān)函數在各個(gè)任務(wù)之間、用戶(hù)應用程序之間以及用戶(hù)應用程序和系統的各個(gè)任務(wù)之間通常是通過(guò)消息來(lái)傳遞信息和同步的。

　?、荻惪厥湛顧C軟件設計采用模塊化思想，其用戶(hù)程序的開(kāi)發(fā)大體分為如下部分：主程序、自檢診斷模塊、IC卡讀寫(xiě)模塊、UART通訊模塊、開(kāi)票模塊、液晶顯示和按鍵等人機接口模塊。

4　ARM體系中的調試

　　調試階段在整個(gè)系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中所占的比重越來(lái)越大，因此擁有高效、強大的調試系統可以大大減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品面市時(shí)間，減輕系統開(kāi)發(fā)工作量。ARM體系結構包含了完善的調試手段，下面僅介紹基于JTAG的ICE類(lèi)型調試的原理。

4.1 基于JTAG的ICE類(lèi)型調試

　　基于JTAG的調試系統結構（圖4）包括：位于主機上的調試器、目標系統、主機和目標系統之間進(jìn)行分析和轉換的模塊。JTAG調試是邊界掃描方式，LPC2214微核電路部件的每個(gè)I/O引腳包含一個(gè)電路元件，此元件的接口連接到JTAG二進(jìn)制位移位寄存器上進(jìn)行測試，這樣每個(gè)引腳都被JTAG采樣或監聽(tīng)。ARM7TDMI（圖2）的TAP控制器通過(guò)JTAG接口控制各個(gè)硬件掃描鏈，掃描鏈0可以訪(fǎng)問(wèn)所有外圍部件；掃描鏈1是掃描鏈0的一部分，它可以訪(fǎng)問(wèn)數據總線(xiàn)和控制總線(xiàn)BREAKPT；掃描鏈2主要用于訪(fǎng)問(wèn)Embedded ICE邏輯部件中的各寄存器。ARM7TDMI調試接口建立在IEEE1149－1190標準之上，該標準定義了訪(fǎng)問(wèn)芯片的5個(gè)引腳串行通訊協(xié)議，可以通過(guò)5個(gè)引腳訪(fǎng)問(wèn)芯片內部，從而可以進(jìn)行調試和測試。JTAG調試過(guò)程：①設置程序斷點(diǎn)、數據斷點(diǎn)或相應外部請求，以便進(jìn)入調試狀態(tài)；②當程序運行到斷點(diǎn)指令時(shí)，處理器進(jìn)入調試狀態(tài)，此時(shí)斷點(diǎn)指令還沒(méi)執行；③在調試狀態(tài)用戶(hù)執行所需的調試能，如停止目標程序執行、查看目標內核狀態(tài)、查看和修改存儲器的內容等。

5．結束語(yǔ)

　　本文通過(guò)對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II中的關(guān)鍵技術(shù)及ARM體系組結構和調試的分析，結合LPC2214的硬件結構和運行環(huán)境，說(shuō)明了μC/OS-II的移植、PLPC2214的應用和調試。

參考文獻：

1，Jean J. Labrosse 著(zhù)，邵貝貝等譯，μC/OS-Ⅱ__源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統.北京：中國電力出版社，2001.

2，周立功 等編著(zhù)，ARM微控制器基礎與實(shí)戰.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003-11.