基于凌陽SPCE061A的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

　　引言

　　SPCE061A是凌陽科技新推出的u課SP內(nèi)核的十六位單片機(jī)，內(nèi)嵌32K字 Flash的SPCE061A時是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域的一種經(jīng)濟(jì)的選擇。它支持精簡指令系統(tǒng)，片內(nèi)具有豐富的硬件資源。只需設(shè)計少量的片外擴(kuò)展電路即可實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件功能要求。μC/OS-II是一個源代碼公開的精簡的實時性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，移植性強(qiáng)，基于μC/OS-II來設(shè)計系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。將μC/OS-II移植到SPCE061A上，在μC/OS-II的平臺上設(shè)計軟件對于提高相關(guān)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量，減少開發(fā)周期和降低成本方面有著重要的意義。

　　基于SPCE061A的硬件最小系統(tǒng)的設(shè)計

　　SPCE061A的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　SPCE061A具有豐富的片上系統(tǒng)資源，結(jié)構(gòu)如圖1所示,其片內(nèi)包括：

　　·16位的高性能u課sp內(nèi)核單片機(jī)

　　·CPU時鐘范圍：0.32MHz~ 49MHz

　　·片內(nèi)32k字的Flash程序存儲器、2k字的SRAM數(shù)據(jù)存儲器

　　·2個16位I/O端口

　　·14個中斷源

　　·1通道專用音頻A/D轉(zhuǎn)換通道

　　·7通道A/D轉(zhuǎn)換通道

　　·內(nèi)置MIC放大電路和自動增益(AGC)放大電路

　　·2路電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換通道

　　·2個16位通用定時器/計數(shù)器

　　·實時實鐘(RTC)

　　·低電壓復(fù)位、低電壓監(jiān)測

　　·內(nèi)置在線仿真接口(ICE)

　　·具有保密功能

　　·具有WatchDog功能

　　基于SPCE061A的最小應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建

　　基于SPCE061A豐富的片內(nèi)資源，在它的OSCO、OSCI端接上32768 Hz晶體振蕩器及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容、電阻后，再加上復(fù)位電路即可構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。如圖2所示。外圍電路接口可擴(kuò)展LCD液晶顯示器用于對有關(guān)數(shù)據(jù)的實時顯示。

　　μC/OS-II 在SPCE061A上的移植

　　μC/OS-II內(nèi)核移植的主要內(nèi)容

　　μC/OS-II是為微控制器和應(yīng)用軟件開發(fā)而設(shè)計的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核主要實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、內(nèi)存管理和時間管理。其軟件體系結(jié)構(gòu)以及與硬件的關(guān)系如圖3所示．
多任務(wù)應(yīng)用程序位于最上層，通過調(diào)用內(nèi)核的API函數(shù)來實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度和切換、存儲管理和任務(wù)進(jìn)程的通訊． μC/OS-II的大部分代碼是用C語言編寫，而與硬件相關(guān)的三個源程序文件0S_CPU．H，OS_CPU_A．A，OS_CPU_C．C含有與硬件處理器相關(guān)的匯編語言代碼，來實現(xiàn)對處理器寄存器的訪問以及堆棧的操作．因而μC/OS-II操作系統(tǒng)在SPCE061A上的移植主要是對0S_CPU．H，OS_CPU_A．A，OS_CPU_C．C三個源程序的編寫。

　　其中OS_CPU．H 中包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量，宏和類型定義． 這樣與μC/OS-II所定義的變量類型相一致．OS_CPU_A．A 中要求用戶編寫四個簡單的匯編函數(shù)：(1)OSStartHighRdy()函數(shù)的作用是用于運(yùn)行最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)．(2)OSCtxSw()是實現(xiàn)CPU 在正常運(yùn)行時任務(wù)間的切換，即對當(dāng)前任務(wù)堆棧的保存和對高優(yōu)先級任務(wù)堆棧的彈出，使最高優(yōu)先級任務(wù)獲取CPU 的控制權(quán)． (3)OSIntCtxSw()是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行任務(wù)切換功能的函數(shù)．(4)OSTickISR()是系統(tǒng)時鐘的中斷服務(wù)程序． 該程序執(zhí)行頻率為10～100 Hz，主要功能是檢查是否有由于延時而被掛起的任務(wù)成為就緒任務(wù)，如果有就調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換，從而運(yùn)行高優(yōu)先級的任務(wù)．OS_CPU_C．C中主要是編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStklnit(). 

　　移植中的關(guān)鍵問題

　　多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時，任一當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)好像獨(dú)占CPU一樣，需要為每個任務(wù)開辟一段內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧，該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。由于不同的處理器其內(nèi)部的寄存器分配不一樣，有時堆棧的增長方式也不一樣，因而移植的關(guān)鍵問題就是要針對不同的處理器如何在任務(wù)切換時做好寄存器的狀態(tài)的保護(hù)，以及系統(tǒng)堆棧和任務(wù)堆棧的切換，從而編寫好介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層。凌陽SPCE061A單片機(jī)有R1~R5五個通用寄存器，以及段寄存器SR, 程序計數(shù)器PC,共有7個CPU內(nèi)部寄存器在任務(wù)切換前需要保存。μC/OS-II系統(tǒng)通過調(diào)用OSCtxSw()來實現(xiàn)任務(wù)的切換。

　　語音識別系統(tǒng)實例

　　本系統(tǒng)通過設(shè)計一個語音識別系統(tǒng)來驗證μC/OS-II在SPCE061A上的移植成功，系統(tǒng)共創(chuàng)建4個實時任務(wù)，硬件實現(xiàn)上只需在最小系統(tǒng)上增加相應(yīng)的音頻電路和液晶顯示模塊。

　　//建語音識別初始化任務(wù)

　　OSTaskCreate(Task1， (void * )0， (void*) tackl[-TASK—STK—SIZE一1]，1)；

　　//建立語音訓(xùn)練任務(wù)

　　OSTaskCreate(Task2， (void * )0， (void*) tack2[-TASK—STK—SIZE一1]，2)；

　　//建立語音識別任務(wù)

　　OSTaskCreate(Task3， (void * )0， (void*) tack3[-TASK—STK—SIZE一1]，3)；

　　//LCD顯示的任務(wù)

　　OSTaskCreate(Task4， (void * )1， (void*) tack4[-TASK—STK—SIZE一1]，4)；

　　同時采用信號量來實現(xiàn)語音識別任務(wù)和LCD顯示的任務(wù)之間的通訊，使得系統(tǒng)在成功識別語音后同時控制LCD輸出識別的正確與否的信息。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果：系統(tǒng)初始化，調(diào)用訓(xùn)練函數(shù)進(jìn)行語音識別訓(xùn)練；訓(xùn)練成功后，進(jìn)入語音識別循環(huán)，并將語音識別的結(jié)果在LCD上顯示出來。

　　結(jié)語

　　μC/OS-II操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實時性，而且代碼量較小(總計8K 多)，現(xiàn)已被移植到許多處理器上。 而將μC/OS-II移植到SPCE061A芯片上，具有一定的應(yīng)用價值，使得基于SPCE061A的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計可以更加靈活。同時μC/OS-II實時操作系統(tǒng)的在SPCE061A移植，不但可以提高基于SPCE061A的應(yīng)用系統(tǒng)的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，還提高了應(yīng)用軟件的可移植性,降低了研發(fā)周期。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.  JEAN J，LABROSSE．uC/OS-II源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)[M]．邵貝貝，譯．北京：中國電力出版社，2001

　　2.  邵貝貝. 單片機(jī)嵌入式的在線開發(fā)方法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2004

　　3.  任哲. 嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005
　　
　　4.  劉海成，秦近平，韓喜春. MCU-DSP型單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006