基于凌陽SPCE061A的嵌入式應用系統的設計

管曉春（溫州大學物理與電子信息學院， 浙江 溫州 325027）

【摘要】本文介紹凌陽單片機SPCE061A在基于uC/OS-II操作系統的嵌入式應用系統的設計，硬件上采用SPCE061A的最小系統硬件結構為基礎，在軟件體系上移植了嵌入式實時操作系統uC/OS-II，并通過對凌陽公司SPCE061A的體系結構的分析，分析了移植過程中的涉及的主要內容和關鍵問題．并在此基礎上通過一個語音識別實例介紹了的應用程序的設計．
【關鍵詞】嵌入式系統；uC/OS-II；SPCE061A； 應用系統設計
【中圖分類號】 TP316．2

　　　　　　　The Design of application system based on uC/OS-II & SPCE061A
　　　　　　　　　　　　　　　　　Guan Xiaochun
　　(College of Physics & Electronics , Wen Zhou University, Wen Zhou Zhejiang,325027 )

Abstract：The paper introduces the design of SPCE061A ‘s application system based on uC/OS-II .It’s hardware is based on SPCE061A’s minal system,the software adoptes the transplant of uC/OS-II RTOS on it.The main points and important questions related with  uC/OS-II RTOS’s transplant on SPCE061A was discussed.A voice recognising application was introduces based on these things.

Key words：embedded system ；uC/OS-II；SPCE061A；application system design

引言

　　SPCE061A是凌陽科技新推出的u’nSP內核的高集成度，高性能十六位單片機，內嵌32K字 Flash的SPCE061A時是適用于數字余音識別應用領域的一種最經濟的選擇。它支持精簡指令系統，片內具有豐富的硬件資源。只需設計少量的片外擴展電路即可實現應用系統的硬件功能要求。　　uC/OS-II是一個源代碼公開的精簡的實時性很強的操作系統內核，移植性強，基于uC/OS-II來設計系統可以提高系統軟件開發的效率。將uC/OS-II移植到SPCE061A上，在uC/OS-II的平臺上設計軟件對于提高相關嵌入式應用系統產品的質量，減少開發周期和降低成本方面有著重要的意義．

1 基于SPCE061A的硬件最小系統的設計

1．1 SPCE061A的系統結構
　　SPCE061A具有豐富的片上系統資源，結構如圖1所示,其片內包括：
　　16位的高性能u’nsp內核單片機
　　CPU時鐘范圍：0.32MHz~49Mz
　　片內32k字的Flash程序存儲器、2k字的SRAM數據存儲器
　　2個16位I/O端口
　　14個中斷源
　　1通道專用音頻AD轉換通道
　　7通道AD轉換通道
　　內置MIC放大電路和自動增益(AGC)放大電路
　　2路電流輸出型的DA轉換通道
　　2個16位通用定時器/計數器
　　實時實鐘（RTC）
　　低電壓復位、低電壓監測
　　內置在線仿真接口（ICE）
　　具有保密功能
　　具有WatchDog功能
　
                                     SPCE061A的內部結構

{{分頁}}

1．2 基于SPCE061A的最小應用系統的構建
　　基于SPCE061A豐富的片內資源，在它的OSCO、OSCI端接上32768 Hz晶體振蕩器及諧振電容，在鎖相環壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應的電容、電阻后，再加上復位電路即可構成一個最小系統。如圖2所示。外圍電路接口可擴展LCD液晶顯示器用于對有關數據的實時顯示。
　
               圖2 PCE061A的最小應用系統框圖結構

2 uC/OS-II 在SPCE061A上的移植

2.1 uC/OS-II內核移植的主要內容
　　uC/OS-II是為微控制器和應用軟件開發而設計的搶占式實時多任務操作系統，其內核主要實現任務調度、任務間的通信、內存管理和時間管理。其軟件體系結構以及與硬件的關系如圖3所示．多任務應用程序位于最上層，通過調用內核的API函數來實現任務的調度和切換、存儲管理和任務進程的通訊． uC/OS-II的大部分代碼是用C語言編寫，而與硬件相關的三個源程序文件0S_CPU．H，OS_CPU_A．A，OS_CPU_C．C含有與硬件處理器相關的匯編語言代碼，來實現對處理器寄存器的訪問以及堆棧的操作．因而uC/OS-II操作系統在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。
 　
                圖3 uC/OS-II軟硬件體系結構
　　其中OS_CPU．H 中包括了用#define定義的與處理器相關的常量，宏和類型定義． 這樣與uC0S-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：(1)OSStartHighRdy()函數的作用是用于運行最高優先級的就緒任務．(2)OSCtxSw()是實現CPU 在正常運行時任務間的切換，即對當前任務堆棧的保存和對高優先級任務堆棧的彈出，使最高優先級任務獲取CPU 的控制權． (3)OSIntCtxSw()是在中斷服務程序中執行任務切換功能的函數．(4)OSTickISR()是系統時鐘的中斷服務程序． 該程序執行頻率為1O～100 Hz，主要功能是檢查是否有由于延時而被掛起的任務成為就緒任務，如果有就調用OSIntCtxSw()進行任務切換，從而運行高優先級的任務．OS_CPU_C．C中主要是編寫任務堆棧初始化函數OSTaskStklnit(). 

2．2 移植中的關鍵問題
　　多任務系統在運行時，任一當前正在運行的任務好像獨占CPU一樣，需要為每個任務開辟一段內存空間作為該任務的任務堆棧，該堆棧的作用是保存任務被切換前時CPU各寄存器的值以及系統堆棧的數據。由于不同的處理器其內部的寄存器分配不一樣，有時堆棧的增長方式也不一樣，因而移植的關鍵問題就是要針對不同的處理器如何在任務切換時做好寄存器的狀態的保護，以及系統堆棧和任務堆棧的切換，從而編寫好介于底層硬件和操作系統之間的軟件層。凌陽SPCE061A單片機有R1~R5五個通用寄存器，以及段寄存器SR, 程序計數器PC,共有7個CPU內部寄存器在任務切換前需要保存。uC/OS-II系統通過調用OSCtxSw()來實現任務的切換。

{{分頁}}

3 語音識別系統實例

　　本系統通過設計一個語音識別系統來驗證uC/OS-II在SPCE061A上的移植成功，系統共創建4個實時任務，硬件實現上只需在最小系統上增加相應的音頻電路和液晶顯示模塊。

／／O1建語音識別初始化任務
OSTaskCreate(Task1， (void * )0， (void*) tackl[-TASK—STK—SIZE一1]，1)；
／／O2建立語音訓練任務
OSTaskCreate(Task2， (void * )0， (void*) tack2[-TASK—STK—SIZE一1]，2)；
／／03建立語音識別任務
OSTaskCreate(Task3， (void * )0， (void*) tack3[-TASK—STK—SIZE一1]，3)；
／／04LCD顯示的任務
OSTaskCreate(Task4， (void * )1， (void*) tack4[-TASK—STK—SIZE一1]，4)；

同時采用信號量來實現語音識別任務和LCD顯示的任務之間的通訊，使得系統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。系統運行結果：系統初始化，調用訓練函數進行語音識別訓練；訓練成功后，進入語音識別循環，并將語音識別的結果在LCD上顯示出來。

4 結論

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

【參考文獻】
 [1] JEAN J，LABROSSE．uC/OS-II源碼公開的實時嵌入式操作系統[M]．邵貝貝，譯．北京：中國電力出版社，2001．
[2] 邵貝貝. 單片機嵌入式的在線開發方法[M]. 北京：清華大學出版社, 2004
[3] 任哲. 嵌入式實時操作系統uC/OS-II原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2005
[4] 劉海成，秦近平，韓喜春. MCU-DSP型單片機原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2006.

【作者簡介】管曉春 1981年生，碩士，女，浙江溫州 助教．主要研究方向為過程自動控制、嵌入式系統