一個典型的嵌入式系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

　　二、步驟2：設計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，協(xié)同分配硬件/軟件方面的要求

　　嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分：硬件架構(gòu)上以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、i/o設備、通信模塊等必要的外設；軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應用編程接口(api)，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包bsp。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預定的功能。根據(jù)osi的七層模型可以確定鏈路層和物理層由硬件實現(xiàn)，其他各層由軟件實現(xiàn)，如圖1。

圖1：mvb的osi模型和mvb系統(tǒng)軟硬件劃分。

　　1、嵌入式操作系統(tǒng)選擇：

　　*通常而言，為一個嵌入式系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)要考慮如下幾個因素：

　　*操作系統(tǒng)支持的微處理器

　　*操作系統(tǒng)的性能

　　*操作系統(tǒng)的軟件組件和設備驅(qū)動程序

　　*操作系統(tǒng)的調(diào)試工具，開發(fā)環(huán)境、在線仿真器(ice)、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等等

　　*操作系統(tǒng)的標準兼容性

　　*操作系統(tǒng)的技術(shù)支持程度

　　*操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標代碼

　　*操作系統(tǒng)的許可使用情況

　　*操作系統(tǒng)的開發(fā)者聲譽狀況

　　根據(jù)系統(tǒng)的需求和以上的原則，在mvb系統(tǒng)中采用了vxworks實時操作系統(tǒng)，vxworks是風河公司(windriver)開發(fā)的實時操作系統(tǒng)之一，以其優(yōu)秀的可靠性、實時性及內(nèi)核的可裁減性，被廣泛應用于通信、軍事、航天、航空、工業(yè)控制等關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)域，其開發(fā)環(huán)境為tornado。

　　2、處理器的選擇：在為嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時需要考慮以下幾個方面：

　　*性能：處理器必須有足夠的性能執(zhí)行任務和支持產(chǎn)品生命周期。

　　*工具支持：支持軟件創(chuàng)建、調(diào)試、系統(tǒng)集成、代碼調(diào)整和優(yōu)化工具對整體項目成功與否非常關(guān)鍵。

　　*操作系統(tǒng)支持：嵌入式系統(tǒng)應用需要使用有幫助的抽象來減少其復雜性。

　　*開發(fā)人員過去的處理器經(jīng)驗：擁有處理器或處理器系列產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗可以減少可觀的學習新處理器、工具和技術(shù)的時間。

　　*成本，功耗，產(chǎn)品上市時間，技術(shù)支持等等

　　在本系統(tǒng)的設計中，綜合以上各方面的因素，考慮到處理器性能，操作系統(tǒng)支持以及列車上嚴酷的工業(yè)環(huán)境等等，在mvb系統(tǒng)中選用了atmel用于工業(yè)控制領(lǐng)域的工業(yè)級的at91系列arm處理器at91m40800，它是基于arm7tdmi內(nèi)核，內(nèi)含高性能的32位risc處理器、16位高集成度指令集、8kb片上sram、可編程外部總線接口(ebi)、3通道16位計數(shù)器/定時器、32個可編程i/o口、中斷控制器、2個usart、可編程看門狗定時器、主時鐘電路和dram時序控制電路，并配有高級節(jié)能電路；同時，可支持jtag調(diào)試，主頻可達到40mhz。

　　3、相關(guān)外部設備的選擇：

　　在確定操作系統(tǒng)和處理器之后，就可以確定相關(guān)的外部設備，如flash，ram，串口等等。在mvb系統(tǒng)中，mvb控制器mvbc(multifunction vehicle bus controller)是一個mvb電路和實際的物理設備之間的接口控制器，它的主要功能是實現(xiàn)mvb總線信號與數(shù)據(jù)幀的編解碼，糾錯等功能，是本系統(tǒng)中要實現(xiàn)的關(guān)鍵的硬件模塊。由于系統(tǒng)規(guī)模，上市時間等方面的要求，系統(tǒng)暫時不考慮asic實現(xiàn)，因此在mvb系統(tǒng)中用fpga來實現(xiàn)這個關(guān)鍵模塊，fpga是asic最靈活和最合算的替代方案。考慮到系統(tǒng)需求與fpga資源，成本，供貨情況等因素，最終選擇了altera公司的cyclone系列fpga,其開發(fā)工具是quartus ii。

　　4、mvb系統(tǒng)架構(gòu)

　　由以上的需求分析和選型，完整的系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)如圖2圖3所示。

　　其中，處理器和 mvbc通過traffic memory(tm)進行通訊數(shù)據(jù)交換，所有軟件和mvbc要交換的控制信息和數(shù)據(jù)都可以在tm地址空間中找到，這個地址空間對處理器和mvbc都是可訪問的。其示意圖4如下

圖4：traffic memory。

　　三、步驟3：詳細的軟硬件設計和rtl代碼、軟件代碼開發(fā)

　　在系統(tǒng)架構(gòu)確定的基礎上，詳細的軟硬件設計就可以開始了。

　　1、硬件設計

　　硬件設計設計包括了mvb控制器的fpga設計和mvb總線系統(tǒng)的板級設計，其中關(guān)鍵的mvb控制器的設計如圖5

圖5：mvb控制器的框圖。

　　如圖所示，mvb控制器包含以下功能模塊：

　　*編碼器：產(chǎn)生曼徹斯特編碼，傳送數(shù)據(jù)幀

　　*發(fā)送緩沖區(qū)：作為要發(fā)送的數(shù)據(jù)和crc檢測值的緩沖區(qū)

　　*譯碼器：接收、曼徹斯特譯碼，數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)錯誤檢測

　　*接收緩沖區(qū)：作為接收端數(shù)據(jù)和crc結(jié)果的緩沖區(qū)

　　*報文分析單元：檢測主幀和從幀超時，幀誤檢測、錯誤狀態(tài)報告

　　*狀態(tài)控制寄存器：mvbc配置

　　*主控單元：支持mvbc作為主設備或者從設備工作，支持隊列消息傳送

　　*設備地址讀取和儲存單元：硬件定義的設備地址可以被不同的值覆蓋

　　*地址邏輯：把cpu對mvbc內(nèi)部寄存器進行訪問的輸入地址進行解析；產(chǎn)生mvbc訪問tm的輸出地址

　　*總線復用、轉(zhuǎn)換單元：處理mvbc內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送

　　*中斷邏輯：支持16種中斷源；

　　*通用定時器：兩個定時輸出信號，可提供給系統(tǒng)同步使用

　　*時鐘產(chǎn)生電路:產(chǎn)生所有mvbc工作的時鐘和計數(shù)器

　　2、軟件設計

　　由于在mvb系統(tǒng)中，過程數(shù)據(jù)，消息數(shù)據(jù)，監(jiān)視數(shù)據(jù)是三種不同的通訊機制，因此，mvb系統(tǒng)軟件的模塊設計如圖6。

圖6：mvb系統(tǒng)軟件模塊。