基于Cortex-A8嵌入式實驗平臺的設計與實現(xiàn)

摘要：針對目前嵌入式教學實驗平臺資源的不足，為了使理論與實踐相結(jié)合、軟硬件聯(lián)系更緊密，設計提出了一套Cortex—A8內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺方案，采用主流硬件構(gòu)成，闡述了各實驗設計流程，最后給出了嵌入式實驗開發(fā)的關(guān)鍵問題。該實驗系統(tǒng)模塊豐富，具有可移植、可擴展的特點，實驗設計層次鮮明，可滿足教師科研工作與實驗教學的需求。

隨著市場需求的增長，嵌入式技術(shù)已經(jīng)滲透到生活的各個方面，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)專業(yè)都開設了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。以往嵌入式教學平臺已很難滿足電子通信行業(yè)高速發(fā)展，同時企業(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，要求設計人員同時具備軟硬件知識，需要了解特定任務對微處理器、存儲器，外圍設備和接口的要求，能夠根據(jù)任務需求選擇性能指標合適的元器件，并且能夠設計電子電路(包括畫元器件圖，原理圖，和PCB板圖)。同時嵌入式又是一門實踐性很強的技術(shù)，而傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實驗平臺不是過于簡單，就是結(jié)構(gòu)過于復雜冗余。

本文設計了一套嵌入式系統(tǒng)實驗平臺，為嵌入式系統(tǒng)教學提供了實驗環(huán)境，學生可以通過本平臺了解嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計的一般思路和步驟，熟悉嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式圖形用戶界面的移植過程。經(jīng)過深入的學習研究，還可以在該平臺的基礎(chǔ)上連接外設，進行多種功能的擴展，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。該平臺對于培訓學生的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計能力有很大幫助。同時該平臺在設計與實現(xiàn)中也兼顧了實際應用的需要，在該平臺基礎(chǔ)上可以很方便地進行二次開發(fā)，實現(xiàn)包括電子書、視頻采集、GPS等在內(nèi)的多類產(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(tǒng)實驗裝置的開發(fā)

結(jié)合科研教學及嵌入式趨勢的發(fā)展，本實驗平臺總體設計思想是要構(gòu)建一個具有代表性的嵌入式系統(tǒng)，同時兼顧教學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用的型號。

1.1 實驗裝置硬件設計

實驗平臺的硬件是采用CortexTM—A8內(nèi)核的S5PC110處理器、以太網(wǎng)接口、串行接口、GPS模塊、SD卡、觸摸屏、無線模塊、音頻模塊等設備構(gòu)成，通過JTAG調(diào)試接口進行程序的燒錄、調(diào)試。其片上資源豐富，通過各外設接口，學生可以進行基本硬件實驗、軟件實驗、操作系統(tǒng)實驗、嵌入式產(chǎn)品二次開發(fā)實驗。

實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(nèi)核的S5PC110設計而成。該處理器采用了32位的ARM精簡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，比如無線通訊，個人導航，攝像，移動游戲，移動音樂和視頻的播放，移動電視和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。

3)串口模塊：軟件調(diào)試、與外設的連接以實現(xiàn)串口通信。

4)USB接口：可擴展多組外設模塊，如WiFi模塊、移動硬盤、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：嵌入式實驗平臺數(shù)據(jù)的存儲及擴展。

7)電源模塊：產(chǎn)生實驗平臺中各部分電路的電源。

8)以太網(wǎng)模塊：實現(xiàn)有線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，下載μClinux內(nèi)核及文件系統(tǒng)。

1.2 實驗平臺軟件設計

嵌入式實驗裝置軟件平臺的關(guān)鍵就是各個實驗功能模塊的開發(fā)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)理論課程的內(nèi)容，實驗平臺開發(fā)了以下實驗內(nèi)容(圖2)。

1)基本硬件實驗。目的是讓學生結(jié)合理論知識了解嵌入式系統(tǒng)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(jié)合實際教學目標，實驗平臺提供了6個基本實驗，分別是跑馬燈控制實驗、數(shù)碼管控制實驗、鍵盤控制實驗、PWM控制實驗、串行通信實驗、電機控制實驗。根據(jù)任務指導書的內(nèi)容進行實驗調(diào)試后，可使初學者熟悉實驗目的及原理、實驗流程，掌握基本的嵌入式程序開發(fā)的能力。

2)嵌入式軟件實驗。通過以太網(wǎng)通信實驗、無線通信實驗、USB接口實驗、鍵盤控制實驗、觸摸屏控制實驗、GPS導航實驗等環(huán)節(jié)，加深學生對嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)和編程的認識。

3)嵌入式操作系統(tǒng)實驗。設計了嵌入式操作系統(tǒng)的移植和裁剪任務，包括服務功能的裁剪和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的裁剪?？墒箤W生熟悉和μC/OC-II和μCLinux的軟件編譯環(huán)境，進而掌握作系統(tǒng)的移植、文件系統(tǒng)和人機交互界面的開發(fā)等，然后可更深入的進行綜合實驗、相關(guān)課程設計的學習及項目的開發(fā)，加強學生對嵌入式系統(tǒng)的理解和應用能力的培養(yǎng)，提高學生鉆研的主動性，最終具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件獨立開發(fā)能力。

4)嵌入式產(chǎn)品二次開發(fā)。結(jié)合實際應用，通過典型案例培養(yǎng)學生獨立開發(fā)的能力。

2 關(guān)鍵問題及性能測試

2.1 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊是建立下載內(nèi)核鏡像以及文件系統(tǒng)鏡像的通道，為用戶的提供有線網(wǎng)絡服務。確保系統(tǒng)的硬件電路正常工作后，系統(tǒng)啟動后，使用IPCONFIG配置網(wǎng)卡地址信息，保證嵌入式實驗開發(fā)平臺與PC機的IP地址在相同的網(wǎng)段內(nèi)，即實驗開發(fā)平臺的IP地址為192.168. 1.xx，嵌入式實驗開發(fā)平臺通過交叉線與PC機相連，運行ping網(wǎng)絡命令，可進行網(wǎng)絡連接測試。

2.2 無線網(wǎng)絡

選用RT3070作為無線網(wǎng)卡芯片，在內(nèi)核配置中添加無線網(wǎng)絡選項，使μCLinux內(nèi)核驅(qū)動程序支持RT3070無線網(wǎng)卡，然后對配置結(jié)束的μCLinux內(nèi)核進行編譯。還要必須移植無線網(wǎng)卡測試工具wirelesstools，在宿主機上交叉編譯兩個無線網(wǎng)絡工具后，并把得到的測試工具安裝到文件系統(tǒng)相應目錄下面。系統(tǒng)啟動結(jié)束后，把RTLS187無線網(wǎng)卡插入到嵌入式實驗開發(fā)平臺后，系統(tǒng)成功驅(qū)動RT3070無線網(wǎng)卡后，使用無線網(wǎng)絡工具iwlist掃描附近網(wǎng)絡中的熱點AP，然后使用無線網(wǎng)絡工具iwconfig連接實驗室無線網(wǎng)絡熱點，添加相應的路由，系統(tǒng)可以識別無線網(wǎng)卡，并搜索WiFi熱點AP，實現(xiàn)無線上網(wǎng)功能。