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1、Z S T UZhejiang Sci-Tech University专 科 毕 业 设 计BachelorS THESIS论文题目: 基于ARM的智能控制最小系统 专业班级： 姓名学号： 指导教师： 递交日期： 毕业设计诚信声明我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 摘 要随着计算机技术的发展，嵌入式系统获得了越来越广泛的应用。嵌入式处理器的应用量远远超过了通用处理器，几乎在我们身边的所有电子设
2、备中都有嵌人式系统，嵌入式应用的发展已经进入了个全新的时期。在嵌入式应用中，ARM微处理器深受厂家的欢迎。ARM微处理器将以其极好的性能和极低的功耗与高端的MIPS和PowerPC嵌入式微处理器抗衡。可以预见，在将来一段时间内，ARM微处理器仍将主宰32位嵌入式微处理器市场。因此学习和掌握ARM微处理器技术是非常必要的，而设计ARM微处理器最小系统是非常有意义的。本文就基于ARM的智能控制最小系统进行了设计。此次设计选用的芯片是LPC2378，利用ARM新能高、能耗省、资源丰富具有较强的事务管理功能等特点，进行了就最小系统的硬件和软件的构建。硬件方面就最小系统方面进行了电源模块，复位电路模块，
3、JTAG电路模块，存储器模块，时钟电路模块进行了设计，此外就键盘和显示屏进行了补充设计。软件方面主要介绍了uC/OS-II。本文简单的介绍了uC/OS-II的概述和内核分析。同时移植了uC/OS-II作为系统的软件平台，编写了启动与移植相关代码。uC/OS-II作为开源的嵌入式实时操作系统，拥有极为精简的内核和出色的实时性与可靠性，作为控制单元的操作系统平台对任务进行管理与调度，从软件上保证了系统的稳定性与可靠性。关键词：ARM微处理器；LPC2378；最小系统；嵌入式系统；uC/OS-IIAbstractWith the development of computer technology,
4、 the embedded system has applied more and more widely. Embedded processor is used far more than the general processor, we can find them in electronic equipment almost all around us, the application of the embedded development has entered a new era. In embedded application, ARM microprocessor is welc
5、omed by manufacturers. With its excellent performance and low consumption the ARM microprocessor is contend with high MIPS processor and PowerPC embedded microcontroller. In the foreseeable future, in a period of time, the ARM microprocessor will still dominate 32 bits embedded microprocessors marke
6、t. So study and grasp the ARM microprocessor technology is very necessary and design minimum ARM microprocessor system is very significant.This paper is designed the minimum intelligent control system based on the ARM. The design of the chip is the ARM LPC2378, which has high energy consumption, new
7、 can provinces, rich resources has strong affairs management function characteristics, we designed the smallest system hardware and software construction.The Hardware design includes the power module, the reset circuit module, the JTAG circuit module, the memory module, the clock circuit module hard
8、ware design, and adds the keyboard and screen design.Software mainly introduced the uC/OS-II. This paper simply introduces the summary of uC/OS-II and analysis of the kernel. While introduces the transplanting of uC/OS-II as the system software platform, write a startup and transplantation code. UC/
9、OS-II as a source of embedded real-time operating system, and has an extremely concise kernel and outstanding performance and reliability, as the control unit of operating system platform and operation management of tasks, it assured the system stability and reliability.Keywords: ARM microprocessor;
10、 LPC2378; Minimal systems; Embedded system; uC/OS II目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 目前主流的微处理器的简介11.2.1单片机11.2.2 CPLD/FPGA21.2.3 DSP31.2.4 ARM31.2.5 MIPS41.2.6 PPC41.3 ARM的特点51.4 研究的意义5第二章 嵌入式系统72.1 嵌入式系统的定义、特点及组成72.1.1 嵌入式系统的定义72.1.2 嵌入式系统的特点72.1.3 嵌入式系统的组成72.2 嵌入式操作系统的种类92.3 嵌入式操作系统及应用102.3.1
11、嵌入式操作系统102.3.2 嵌入式系统应用112.4 嵌入式系统的发展趋势11第三章 最小系统的硬件设计133.1 最小系统结构及框图133.2 电源133.3 时钟单元143.3.1 内部RC振荡器143.3.2 主振荡器153.3.3 RTC振荡器153.4 储存单元153.4.1 片内Flash存储器系统163.4.2 片内静态RAM163.4.3 外部存储器163.5 复位电路模块173.6 JTAG电路模块173.7 键盘和显示器设计183.7.1 键盘183.7.2 图形液晶20第四章 最小系统的软件设计214.1 嵌入式操作系统与uC/OS-II214.1.1 嵌入式实时操作系
12、统的特点224.1.2 uC/OS-II概述244.2 uC/OS-II内核分析264.2.1 uC/OS-II任务274.2.2 uC/OS-II的任务调度与切换284.2.3 uC/OS-II的中断与时钟节拍284.3 uC/OS-II的移植294.3.1 uC/OS-II的体系结构与移植准备294.3.2 uC/OS-II的移植内容31第五章 总结与展望38参考文献40致谢42附录43第一章 绪论1.1课题研究的背景当今社会，嵌入式系统高端发展迅速，ARM最小系统的研究对于高端技术的发展有着重要的意义。开发提高ARM最小系统显得尤为重要。它的性能好坏关系到高端开发的很多性能。所以，做好最
13、小系统的研究是对于ARM学习的第一步也是最重要的一步。ARM主要是ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌
14、入式应用领域确立了市场领导地位。ARM的最小系统的研究现在还处在研究改进阶段。为了更好的为高端系统提供好的运作平台和良好性能功底，ARM最小系统还在更进一步的完善中。ARM的各个型号也都在不断的完善，力求做到最好。ARM芯片的种类以及开发研究也得到越来越多人的关注。目前非常流行的有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（Real Time Operating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pS
15、OS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家，我国中兴通讯和华为通讯等公司已经购买ARM公司芯核用于通讯专用芯片的设计1。1.2目前主流的微处理器的简介1.2.1单片机 （1）51系列单片机 51单片机目前已有多种型号，8031/8051/8751是Intel公司早期的产品，而 ATMEL公司的AT89C51、AT89S52则更实用。ATMEL公司的51系列还有AT89C2051、AT89C1051等品种，这些芯片是在AT89C51的基础上将一些功能精简掉后形成的精简版。而市场上目前供货比较足的芯片还要算ATMEL的
16、51、52 芯片，HYUNDAI的GMS97 系列，WINBOND 的78e52，78e58，77e58 等。 （2）PIC系列单片机 在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。PIC系列单片机又分：基本级系列，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用；中级系列，如PIC12C6XX，该级产品其性能很高，如内部带有A/D变换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM输出、I2C和SPI等接口；PIC中级系列产品适用于各种高、中和低档的电子产品的设计中的高级系列，如PIC17CXX 具有丰富的I/O控制功能
17、，并可外接扩展EPROM和RAM，适用于高、中档的电子设备中使用。 （3）AVR系列单片机AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU）精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域2。1.2.2 CPLD/FPGACPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造
18、逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。许多公司如今都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片：Altera EPM7128S（PLCC84）、Lattice LC4128V（TQFP100）、Xilinx XC95108 （PLCC84）3。 FPGA是英文FieldProgrammable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、
19、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等4。1.2.3 DSPDSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达
20、每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。目前主流的DSP芯片主要有TI公司的TI 2000系列、TI 5000系列、TI6000系列以及ADI公司的ADI DSP系列5。1.2.4 ARMARM 即Advanced RISC Machines的缩写是对一类微处理器的通称。ARM同时还是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等6。目前
21、ARM的主流分以下几类：ARM7TDMI 应用于Game Boy Advance，Nintendo DS，iPod；ARM9TDMI Armadillo，GP32，GP2X，Tapwave Zodiac（Motorola i. MX1）；ARM9E Nintendo DS，Nokia N-GageConexant 802.11 chips；STMicroSTR91xF，ARM11 Nokia N93，Zune，Nokia N800，NOKIA E72Cortex Texas Instruments OMAP3； Broadcom is a user；Luminary Micro3 微控制器家族
22、。1.2.5 MIPSMIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。MIPS最早是在80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。MIPS324K
23、cT处理器是采用MIPS技术特定为片上系统（System-On-a-Chip）而设计的高性能、低电压 32位MIPS RISC 内核。MIPS 64 20Kc的浮点能力强，可以组成不同的系统，从一个处理器的Octane工作站到64个处理器的Origin 2000服务器；这种CPU更适合图形工作站使用。MIPS最新的R12000芯片已经在SGI的服务器中得到应用，目前其主频最大可达400MHz。1.2.6 PPCPowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的POWER（Performance Optimized With En
24、hanced） RISC；IBM Connect 电子报2007年8月号译为“增强RISC性能优化”架构。二十世纪九十年代，IBM（国际商用机器公司）、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。例如，4xx 系列 PowerPC 处理器缺乏浮点运算，并且还使用一个受软件
25、控制的 TLB 进行内存管理，而不是象台式机芯片中那样采用反转页表7。1.3 ARM的特点ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司。作为嵌入式RISC处理器的知识产权IP供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，在处理器核的基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，如ATMEL、Philips、Intel、Sansung、Shar
26、p等，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴。ARM是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。 当前ARM体系结构的扩充包括：Thumb 16位指令集，为了改善代码密度；DSP DSP应用的算术运算指令集；Jazeller允许直接执行Java字节码。 ARM处理器系列提供的解决方案有：无线、消费类电子和图像应用的开放平台；存储、自动化、
27、工业和网络应用的嵌入式实时系统；智能卡和SIM卡的安全应用。 ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价32位代码节省达35，然而保留了32位系统的所有优势8。1.4研究的意义 ARM（Advanced RISC Machines）是基于RSIC架构数据宽为32位可嵌入操作系统的微处理器。该微处理器以其低功耗、高性能和低成本等优势广泛应用于工业控制、PDA、移动通信、路由器等领域。利用ARM新能高、能耗省、资源丰富具有较强的事务管理功能等特点，设计应用于智能控制系统的ARM最小系统模块进行系统通信、后台管理、界面显示、等功能，可以运行操作系统等应用程序。随着嵌入式
28、相关技术的迅速发展，嵌入式系统的功能越来越强大，应用接口更加丰富，根据实际应用的需要设计出特定的嵌入式最小系统和应用系统，是嵌入式系统设计的关键。第二章 嵌入式系统 嵌入式系统是不同于常见计算机系统的一种计算机系统，它不以独立设备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制的作用。从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微处理器；支撑硬件主要包括存储介质、通信部件和显示部件等；嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、支撑软件以及应用中间件等9。2.1
29、嵌入式系统的定义、特点及组成2.1.1嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件均可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。高实时性使嵌入式系统的基本要求，其次，还要求代码尽可能的小，运行速度尽可能的快，可靠性尽可能高。嵌入式系统试将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌
30、入式操作系统和嵌入式软件则是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。整个嵌入式系统所应用的软硬件技术统称为嵌入式技术1。2.1.2嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。概括起来，嵌入式系统有以下几个特点。（1）嵌入式系统无所不在 嵌入式技术广泛应用于自动控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事、消费等各个领域。嵌入式系统几乎存在于我们周围各种电器设备中，在数量上远远超过了各种通用计算机。（2）嵌入式系统是完成专用功能的最小系统 嵌入式系统不仅和通常PC机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用
31、而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，用来完成某种具体应用，在兼容性方面要求不高；但在功耗、成本、体积方面限制较多，要求硬件、软件都要发挥最高效率，可靠性高，力争以最小系统达到最高性能。（3）嵌入式系统对软件的要求 由于嵌入式产品要求体积小、成本低，一般不具有硬盘等大容量存储设备，嵌入式系统软件一般固化在容量较小的Flash存储器中。这就要求软件代码具有较高的质量和可靠性，有的系统还要求软件具有实时处理能力。（4）嵌入式系统的开发环境和开发工具由于嵌入式系统自身没有足够的资源，不具备自主开发能力，所以一般嵌入式系统的开发模式是作为目标机的嵌入式系统与作为宿主机的主机相连接，
32、构成交叉开发环境。另外，还需要编译器、链接器等作为开发工具10。2.1.3 嵌入式系统的组成 既然嵌入式系统也是计算机系统，那么必须有硬件系统和软件系统组成。 其硬件不可避免地必须有三大部分组成，那就是中央处理器（CPU）、存储器以及输入/输出手段。它要求软硬件结合，并融为一体而成为产品。芯片加软件就成为产品但要有相应的开发工具辅助进行开发。 嵌入式系统是面向应用、面向产品的（与桌面计算机PC不同）、因此成本因素是非常关键、它决定了下面的诸多选择。（1）硬件系统 据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1000种，流行的体系结构有30多个系列。在手机、PDA行业，大部分采用ARM核结构为主。把
33、嵌入式计算机分为下面几类：嵌入式微处理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP处理器EDSP和嵌入式片上系统SOC。嵌入式处理器体系结构经历了从CISC到RISC和Compact ISC的转变，常有的体系结构有：X86、ARM、MIPS及PowerPC等。其它外设有液晶屏、触摸屏、键盘控制、串行口、并口、网口、A/D和PCI总线等。（2）软件系统嵌入式系统是现代多学科相互融合的产物，它以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，是适应应用环境的产品。嵌入式系统无多余软件并且软件一般固化在ROM或FLAH芯片上，硬件也无多余RAM存储容量，具有要求系统运行可靠性高、成本低、体积小和功耗少等特
34、点。在嵌入式系统中，采用OS的嵌入式系统一般都是任务相对复杂，CPU数据长度为16/32/64位的高档微控制器，有实时性要求。而4/8/16位的单片机系统，一般均无OS要求，控制和编程相对简单11。2.2嵌入式操作系统的种类 嵌入式操作系统根据应用对象不同，大体分成下列几类：（1）基于Windows兼容的：嵌入式Linux、WindowsCE、EPOC等；（2）工业与通信类：VxWorks、PSON、QNX、VRTX、Neculeus等；（3）单片机类：iRMX、CMX、MC/OS等；（4）面向Intenet类：Palm OS、Visor、Hopem、PPSM等。 从操作系统的本身特性来说，嵌
35、入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WinDrive公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件公司的QNX、ATI的Neculeus等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。这里重点介绍一下工业控制领域常用的实时操作系统12。实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。在这些场合，如果逻辑和时序
36、出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。 对于基于优先级的系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的CPU使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把CPU的控制权完全交给了该任务，直到它主动将CPU控制权还回来。 实时操作系统主要用于对系统时间由
37、严格要求的场合，如航空航天以及对时间有严格要求的工业控制场所。一般家用和消费类产品，对实时性的要求一般不高，可以采用非实时性的操作系统13。2.3嵌入式操作系统及应用2.3.1嵌入式操作系统嵌入式操作系统完成系统初始化以及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。嵌入式操作系统具有相对不变性。嵌入式操作系统具有一下特点。（1）体积小嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存（Flash Memory）作为存储介质。这就要求嵌入式系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌
38、入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。（2）实时性 大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统（RTOS）。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问题。（3）特殊的开发调试环境 提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是编译/连接器、内核调试/跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等14。2.3.2嵌入式系统应用 嵌入式系统应用是以嵌入式系统硬件
39、平台的搭建、嵌入式操作系统的成功移植和运行为前提的，这一部分运行于嵌入式操作系统之上，完成特定的功能或利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。经过不断地发展，嵌入式系统原有的3层结构逐步演化成为一种4层结构。这个新增加的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板级支持包，是一个介于硬件于软件之间的中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统硬件直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化15。2.4 嵌入式系统的发展趋势（
40、1）提供强大的网络服务 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口，相应需要TCP/IP协议簇软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如Web或无线Web编程模式，还需要相应的浏览器，如HTML、WML等。（2）小型化、低成本、低功耗 为
41、满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web或WAP等。（3）人性化的人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步
42、成效。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同步声翻译还有很大距离。（4）完善的开发平台 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和ASP在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期16。第三章 最小系统的硬件设计3.1最小系统结构及框图最
43、小系统结构框图如图3-1所示。图3-1 最小系统结构框图3.2电源电源为整个系统提供能量，是嵌入式系统工作的基础。LPC2378芯片的工作电压为3.3V或5V，同时系统对电源质量的要求较高，而其功率消耗不是很大，所以不宜选择开关电源，而选择低压模拟电源。故选用电源电压调节器为LM2576。 LM2576是降压型开关稳压器，LM2576具有非常小的电压调整率和电流调整率，LM2576具有3A 的负载驱动能力，LM2576能够输出3.3V、5V、12V、15V 的固定电压和电压可调节的可调电压输出方式。LM2576 可以高效的取代一般的三端线性稳压器，LM2576能够充分的减小散热片的面积， LM
44、2576在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576 输出电压的误差范围为4；振荡器的振荡频率误差范围为10；典型的待机电流为50A，芯片内置过流保护电路和过热保护电路。电源电路原理图如图3-2所示17。图3-2 电源电路原理图 然后是对模拟电源器件的选择。这次选择的是Sipex半导体SPX1117。SPX1117的性价比比较高，具有很好的可扩展性，可与许多产品直接连接。SPX1117为一个低功耗正向电压调节器，可以用在一些高效率、小封装的低功耗设计中。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。同时使用10uF的输出电容来保证稳定性。 SPX1
45、117具有以下特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；3端可调节（电压可选：1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V）；低静态电流；0.8A时低压差为1.1V；0.1%线性调整率/0.2%负载调整率；2.2uF陶瓷电容即可保持稳定；过流及温度保护；多封装：SOT-223，TO-252，TO-220及TO-263（现已提供无铅封装）。 模块图如图3-3所示。图3-3 SPX1117模块图3.3时钟单元 LPC2300包括3个独立的振荡器，它们分别为主振荡器、内部RC振荡器和 RTC振荡器。每个振荡器可根据特定的应用要求，在多种用途中使用。 3.3.1内部RC振荡器
46、 内部RC振荡器（IRC）可以用作看门狗定时器的时钟源，和/或用作驱动PLL以及CPU的时钟。IRC的精度不允许使用USB接口（USB 接口需要一个更精确的时间基准），标称的IRC频率为4MHz。 在上电或任何芯片复位时，LPC2300 使用IRC作为时钟源。软件以后可切换为另一种可用的时钟源。 3.3.2主振荡器 主振荡器可以在使用或不使用PLL的情况下用作CPU的时钟源。主振荡器在1MHz24MHz的频率下操作。该频率可通过PLL来提高，其值可高达CPU操作频率的最大值。振荡器输出称为OSCCLK。PLLCLKIN选择用作PLL输入的时钟，为了便于频率等式的书写及本文档的描述，ARM处理器
47、时钟频率称为CCLK。3.3.3 RTC振荡器 RTC振荡器可用作RTC，和/或看门狗定时器的时钟源。同时，RTC振荡器也可用于驱动PLL和CPU。 此次系统同时采用有源晶振和无源晶振。无源晶振我们选用XO53-NEGTC-12M。XO53-NEGTC-12M的特点：频率温度稳定度10106Max；可选三态控制功能；TTL/HCOMS兼容；体积小；盘带包装18。 时钟单元电路如图3-4所示。图3-4 时钟单元电路原理图3.4储存单元3.4.1片内Flash存储器系统LPC2378包含了一个高达512kB的Flash存储器系统，该存储器可用于代码和数据存储。Flash存储器编程可以通过几种方法来实现。可以通过串行端口进行在系统编程。当正在运行时，应用程序可以对Flash
