基于Cortex-A8嵌入式实验平台的设计与实现

内容摘要：针对目前嵌入式教学实验平台资源的不足，为了使理论与实践相结合、软硬件联系更紧密，设计提出了一套Cortex—A8内核的嵌入式系统实验平台方案，采用主流硬件构成，阐述了各实验设计流程，最后给出了嵌入式实验开发的关键问题。该实验系统模块丰富，具有可移植、可扩展的特点，实验设计层次鲜明，可满足教师科研工作与实验教学的需求。

随着市场需求的增长，嵌入式技术已经渗透到生活的各个方面，面对嵌入式领域日益旺盛的人才缺口，很多高校的相关专业都开设了嵌入式系统相关课程。以往嵌入式教学平台已很难满足电子通信行业高速发展，同时企业急需高素质的，具有产品经验的毕业生加入团队。而嵌入式技术具有很强的综合性，要求设计人员同时具备软硬件知识，需要了解特定任务对微处理器、存储器，外围设备和接口的要求，能够根据任务需求选择性能指标合适的元器件，并且能够设计电子电路(包括画元器件图，原理图，和PCB板图)。同时嵌入式又是一门实践性很强的技术，而传统的嵌入式系统的开发实验平台不是过于简单，就是结构过于复杂冗余。

本文设计了一套嵌入式系统实验平台，为嵌入式系统教学提供了实验环境，学生可以通过本平台了解嵌入式系统软硬件设计的一般思路和步骤，熟悉嵌入式操作系统和嵌入式图形用户界面的移植过程。经过深入的学习研究，还可以在该平台的基础上连接外设，进行多种功能的扩展，为嵌入式控制器的设计和技能大赛作很多有益的准备工作。该平台对于培训学生的嵌入式系统软硬件设计能力有很大帮助。同时该平台在设计与实现中也兼顾了实际应用的需要，在该平台基础上可以很方便地进行二次开发，实现包括电子书、视频采集、GPS等在内的多类产品的设计，因而该平台也可作为一套嵌入式产品解决方案。

1 嵌入式系统实验装置的开发

结合科研教学及嵌入式趋势的发展，本实验平台总体设计思想是要构建一个具有代表性的嵌入式系统，同时兼顾教学与科研两方面的要求，因而在元器件选择上采用了主流且实用的型号。

1.1 实验装置硬件设计

实验平台的硬件是采用CortexTM—A8内核的S5PC110处理器、以太网接口、串行接口、GPS模块、SD卡、触摸屏、无线模块、音频模块等设备构成，通过JTAG调试接口进行程序的烧录、调试。其片上资源丰富，通过各外设接口，学生可以进行基本硬件实验、软件实验、操作系统实验、嵌入式产品二次开发实验。

实验平台硬件均选取当前主流器件，各功能模块如图1所示。

1)ARM处理器选择CortexTM—A8内核的S5PC110设计而成。该处理器采用了32位的ARM精简指令集的一种处理器，能达到1 GHz的运算速度，其视频编解码能力达到1080p，支持电视输出(NTSC/PAL/IHDMI)，LCD的分辨率典型支持1 024x768。本处理器应用从智能手机到导航设备，都有完善的解决方案。并且集成了很多所需要的组件，比如无线通讯，个人导航，摄像，移动游戏，移动音乐和视频的播放，移动电视和PDA功能。

2)GPS模块：GPS器件是采用SiRF公司的Prima系列芯片，其支持各种外围设备，例如CMMB，视频输入等功能，具有灵敏度高，便携，功耗低等特点。

3)串口模块：软件调试、与外设的连接以实现串口通信。

4)USB接口：可扩展多组外设模块，如WiFi模块、移动硬盘、摄像头等应用模块。

5)触摸屏液晶TTL接口：采用TFT7寸(800*480)屏，分辨率可达1366x768，支持触摸功能，提供人机交互模式，显示重要信息。

6)SD卡接口：嵌入式实验平台数据的存储及扩展。

7)电源模块：产生实验平台中各部分电路的电源。

8)以太网模块：实现有线网络数据通信，下载μClinux内核及文件系统。

1.2 实验平台软件设计

嵌入式实验装置软件平台的关键就是各个实验功能模块的开发，结合嵌入式系统理论课程的内容，实验平台开发了以下实验内容(图2)。

1)基本硬件实验。目的是让学生结合理论知识了解嵌入式系统的硬件环境，理解基本的程序代码，熟悉软件编译环境和基本操作流程。结合实际教学目标，实验平台提供了6个基本实验，分别是跑马灯控制实验、数码管控制实验、键盘控制实验、PWM控制实验、串行通信实验、电机控制实验。根据任务指导书的内容进行实验调试后，可使初学者熟悉实验目的及原理、实验流程，掌握基本的嵌入式程序开发的能力。

2)嵌入式软件实验。通过以太网通信实验、无线通信实验、USB接口实验、键盘控制实验、触摸屏控制实验、GPS导航实验等环节，加深学生对嵌入式软硬件结构和编程的认识。

3)嵌入式操作系统实验。设计了嵌入式操作系统的移植和裁剪任务，包括服务功能的裁剪和数据结构的裁剪。可使学生熟悉和μC/OC-II和μCLinux的软件编译环境，进而掌握作系统的移植、文件系统和人机交互界面的开发等，然后可更深入的进行综合实验、相关课程设计的学习及项目的开发，加强学生对嵌入式系统的理解和应用能力的培养，提高学生钻研的主动性，最终具备嵌入式系统软、硬件独立开发能力。

4)嵌入式产品二次开发。结合实际应用，通过典型案例培养学生独立开发的能力。

2 关键问题及性能测试

2.1 以太网模块

以太网模块是建立下载内核镜像以及文件系统镜像的通道，为用户的提供有线网络服务。确保系统的硬件电路正常工作后，系统启动后，使用IPCONFIG配置网卡地址信息，保证嵌入式实验开发平台与PC机的IP地址在相同的网段内，即实验开发平台的IP地址为192.168. 1.xx，嵌入式实验开发平台通过交叉线与PC机相连，运行PINg网络命令，可进行网络连接测试。

2.2 无线网络

选用RT3070作为无线网卡芯片，在内核配置中添加无线网络选项，使μCLinux内核驱动程序支持RT3070无线网卡，然后对配置结束的μCLinux内核进行编译。还要必须移植无线网卡测试工具wirelesstools，在宿主机上交叉编译两个无线网络工具后，并把得到的测试工具安装到文件系统相应目录下面。系统启动结束后，把RTLS187无线网卡插入到嵌入式实验开发平台后，系统成功驱动RT3070无线网卡后，使用无线网络工具iwlist扫描附近网络中的热点AP，然后使用无线网络工具iwconfig连接实验室无线网络热点，添加相应的路由，系统可以识别无线网卡，并搜索WiFi热点AP，实现无线上网功能。

2.3 系统性能参数

通过实验测试，嵌入式实验开发平台的性能参数如表1。

3 结论

嵌入式技术作为一门综合程度高、发展势头迅猛的交叉性学科，要求学习人员在知识储备上需保持前沿性，且具有较强的实践能力。对于嵌入式系统的学习，加强和提高实验教学是培养创新能力的关键。笔者设计了适合嵌入式系统实验教学的实验装置，包括了基础软硬件实验、操作系统移植实验、产品的二次开发。实验装置配置高，配套实验齐全，内容软硬件结合紧密、循序渐进，层次清晰，使学生明确了学习任务，更快地培养学生嵌入式软硬件开发能力，为其从事嵌入式行业打下坚实的基础。