孔軼艷 盧翠珍

(1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000)

目前，市場(chǎng)上有各種各樣的嵌入式實(shí)驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)。但是，絕大多數(shù)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其結(jié)構(gòu)往往是固定不可更改的，而且嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的內(nèi)部各種固件代碼也是固化在系統(tǒng)當(dāng)中，難以得到修改。因此，這一類嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所能夠給用戶提供的功能和支持的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都十分有限。而且嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在推廣和應(yīng)用過程中不能夠根據(jù)當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的部分功能模塊進(jìn)行升級(jí)改造，所能夠開展的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也是相對(duì)固化，不能夠靈活動(dòng)態(tài)地根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用去設(shè)計(jì)一些嵌入式應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。為了提高嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用的靈活性，需要對(duì)嵌入式平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使得嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠在應(yīng)用過程中根據(jù)技術(shù)的發(fā)展對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能模塊進(jìn)行升級(jí)改造，使得嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的需要。同時(shí)，也能夠通過對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)和功能模塊的升級(jí)改造，使得嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有針對(duì)性地開展一些新型的嵌入式實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)可配置的應(yīng)用目標(biāo)。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上一般是由微處理器和外圍電路所組成。但是，采取這種硬件結(jié)構(gòu)的嵌入式平臺(tái)往往不利于嵌入式平臺(tái)的升級(jí)改造。尤其是當(dāng)嵌入式平臺(tái)外部所連接的外圍電路設(shè)備使用不同的應(yīng)用接口時(shí)，這類嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則無法進(jìn)行成功的連接，從而限制了在這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上集成和應(yīng)用一些新型的應(yīng)用功能模塊。同時(shí)，傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由于在硬件結(jié)構(gòu)和功能模塊上被固化下來，從而導(dǎo)致在這種嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上所開展的嵌入式實(shí)驗(yàn)種類及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都非常有限，難以根據(jù)用戶的需求開展一些可靈活動(dòng)態(tài)配置的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。為了解決傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的這類問題，本文設(shè)計(jì)平臺(tái)的思路是通過在嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)計(jì)以ARM9微處理器為核心處理平臺(tái)、以FPGA芯片為嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接口電路，實(shí)現(xiàn)一種基于模塊化可動(dòng)態(tài)配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

根據(jù)上述提出的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建的一種基于模塊化可動(dòng)態(tài)配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從圖中可以看出，該嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心是ARM9微處理器和FPGA芯片。其中，ARM9微處理器實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各種主要的實(shí)驗(yàn)功能。而 FPGA芯片則主要實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微處理器與外圍電路之間的接口。而且由于FPGA芯片可以動(dòng)態(tài)地更新程序，因此，能夠通過在FPGA上加載不同的接口電路程序，實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接不同的外圍功能電路。從而，使得所構(gòu)建的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各外圍電路能夠以模塊為單元進(jìn)行靈活的更新和替換。

圖1 基于模塊化可動(dòng)態(tài)配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用目的及可動(dòng)態(tài)配置的實(shí)驗(yàn)要求，所構(gòu)建的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外圍電路設(shè)計(jì)有LCD觸摸屏模塊、AD/DC接口電路、RS232接口電路、FLASH存儲(chǔ)芯片、SDRAM存儲(chǔ)芯片、LED燈和蜂鳴器、電源模塊、時(shí)鐘模塊和JTAG接口。

在嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微處理器上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，以嵌入式操作系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)可動(dòng)態(tài)配置的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)。能夠根據(jù)用戶的需求，動(dòng)態(tài)、靈活地設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，調(diào)整實(shí)驗(yàn)的組織過程及實(shí)驗(yàn)要求。從而，滿足不同用戶使用該嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用需求。

2 平臺(tái)工作原理

本文所設(shè)計(jì)的平臺(tái)的核心處理部分為ARM9微處理器和FPGA芯片。通過FPGA芯片連接帶觸摸功能的LCD顯示屏、FLASH芯片、SDRAM芯片、蜂鳴器、LED燈、AD/DC接口、RS232接口、電源模塊、時(shí)鐘電路模塊和JTAG接口，能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各外圍電路模塊化地升級(jí)、替換以及嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)可配置加載和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)單元所采用的ARM9芯片為S3C2440A，所選用的FPGA芯片為XC5VSX95T芯片，ARM9微處理器與FPGA芯片采用直接相連的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。FPGA芯片實(shí)現(xiàn)將ARM9輸出的命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各外圍電路功能模塊，并接受各外圍電路反饋回來的數(shù)據(jù)地址和命令信號(hào)。在外圍電路組成結(jié)構(gòu)部分，其中帶觸摸功能的 LCD顯示屏通過通過FPGA芯片連接至ARM9微處理器。LCD顯示的數(shù)據(jù)格式及接口電路功能采用ARM9芯片中內(nèi)置的LCD接口電路功能模塊。FPGA芯片在進(jìn)行LCD顯示屏信號(hào)傳輸過程中僅僅需要將信號(hào)進(jìn)行一個(gè)鎖存及轉(zhuǎn)發(fā)即可。FLASH芯片和SDRAM芯片與FPGA芯片直接相連，并通過FPGA芯片實(shí)現(xiàn)兩種存儲(chǔ)芯片接口電路與ARM9微處理器芯片接口電路的對(duì)連。FPGA芯片能夠根據(jù)ARM9微處理器輸出的地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)，將對(duì)存儲(chǔ)器的訪問數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至FLASH或者SDRAM芯片中。當(dāng)用戶在AD/DC接口外圍接不同的AD/DC功能模塊時(shí)，由用戶對(duì) FPGA中的 AD/DC接口電路進(jìn)行改寫及設(shè)計(jì)，使得FPGA芯片能夠完成ARM9微處理器信號(hào)與外部的AD/DC接口電路信號(hào)之間的格式轉(zhuǎn)換，完成外圍的AD/DC接口電路與ARM9微處理器之間的數(shù)據(jù)交換目的。RS232接口、LED燈、電源模塊和時(shí)鐘模塊，這些功能模塊都將通過 FPGA芯片直接將信號(hào)進(jìn)行鎖存和之后，轉(zhuǎn)發(fā)至ARM9微處理器上。同時(shí)，ARM9微處理器往外輸出至這些功能模塊的信號(hào)的時(shí)候，則FPGA芯片將同樣對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行鎖存，并進(jìn)行放大之后轉(zhuǎn)發(fā)至各外圍電路，確保ARM9微處理器輸出的這類信號(hào)能夠正確地驅(qū)動(dòng)各外圍電路的功能模塊。JTAG接口電路功能模塊主要是對(duì)FPGA芯片的程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)地加載。因此，通過JTAG接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA程序的動(dòng)態(tài)加載功能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容動(dòng)態(tài)配置，采用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容動(dòng)態(tài)生成方案，完成由用戶提出的實(shí)驗(yàn)要求和目的，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方案。

為了滿足嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)及運(yùn)行動(dòng)態(tài)配置實(shí)驗(yàn)的要求，在嵌入式平臺(tái)中采用WinCE操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件集成平臺(tái)，采用OpenGUI構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)的圖形庫，使得該嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?yàn)橛脩籼峁﹫D形化的操作界面。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

為了便于理解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成與工作原理，下面將結(jié)合嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的典型應(yīng)用過程，來進(jìn)一步介紹嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)及各功能模塊所發(fā)揮的作用。

第一步：當(dāng)用戶使用嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，首先，通過嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的試驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)定嵌入式實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容及目標(biāo)，嵌入式實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)根據(jù)用戶所設(shè)定的要求，自動(dòng)地生成嵌入式實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程。

第二步：根據(jù)用戶給出實(shí)驗(yàn)要求到生成詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，其實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。從圖2可看出，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)可配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)組織過程中，要將一些常用的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提取，作為最基本的嵌入式實(shí)驗(yàn)單元。

圖2 嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容動(dòng)態(tài)生成流程

第三步：根據(jù)用戶所提出的嵌入式實(shí)驗(yàn)要求，分解為若干個(gè)子要求。根據(jù)所分解的結(jié)果，從嵌入式實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)庫中調(diào)取，或者由用戶根據(jù)子要求具體設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)。

第四步：用戶的各種操作通過嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的嵌入式操作系統(tǒng)將用戶的程序及指令傳遞給微處理器，微處理器根據(jù)用戶的指令，完成相關(guān)的計(jì)算或控制功能。根據(jù)指令的執(zhí)行結(jié)果向嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的相關(guān)外圍設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)，所有的控制信號(hào)都經(jīng)過嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的 FPGA芯片轉(zhuǎn)發(fā)至各外圍電路。對(duì)于FLASH、DRAM、LED、時(shí)鐘模塊等這些相對(duì)簡單的外圍電路模塊，F(xiàn)PGA芯片是直接將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

第五步：而對(duì)于一些外圍接口較為復(fù)雜的電路模塊，如帶觸摸功能的液晶屏、AD/DC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，則需要通過FPGA的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)信號(hào)電頻及信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換。

第六步：如果需要對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的某些外圍電路模塊進(jìn)行替換或升級(jí)，此時(shí)，用戶可以直接將外圍電路模塊進(jìn)行更換，電路模塊的接口連接至FPGA芯片，新的FPGA程序?qū)⑼ㄟ^JTAG接口下載至FPGA芯片或者FPGA旁邊的存儲(chǔ)芯片中。

這種通過基于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)庫的形式來構(gòu)建用戶實(shí)際的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟，既能夠降低這種靈活多樣的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容生成的過程，同時(shí)又能夠大幅度提高該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的多樣性。

4 總結(jié)

本文根據(jù)高校嵌入式課程的需要，設(shè)計(jì)一種基于模塊化可動(dòng)態(tài)配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這種嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特征是平臺(tái)中各外圍電路模塊可以靈活地替換和升級(jí)。即使是新的功能模塊接口與原接口不一致，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)升級(jí)和替換。平臺(tái)通過采用 FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)微處理器與外圍功能模塊的接口電路，使得所構(gòu)建的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在接口電路上可以支持不同功能模塊的接口電路應(yīng)用要求。嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在微處理器上移植了嵌入式操作系統(tǒng)，并以嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建了可動(dòng)態(tài)配置的嵌入式實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)。能夠根據(jù)用戶的需求，自動(dòng)地生成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求，使得嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠方便地滿足不同用戶群體的需求，大大地?cái)U(kuò)展嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域，降低嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用成本，提高嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的利用率。

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