基于S3C44B0X和μC/OS-Ⅱ智能家居嵌入式系統設計
摘要： 近年來，嵌入式系統設備全面滲透到人們日常生活的各個領域，本文針對智能家居嵌入式系統的軟硬件設計需求，以S3C44B0X為處理器進行智能家居系統的硬件設計，以實現μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植。
Abstract：
Key words :
隨著社會經濟的飛速發展及計算機控制技術等科技的進步，人們對自身的生活和工作環境有了更高的要求，由此對家居智能化控制系統的要求也越來越緊迫。設計家居智能化控制系統，對促進住宅現代化建設具有重要意義。
家居智能化控制系統就是指利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術，將與家居生活相關的各種子系統有機結合，從而進行統籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。
近年來，嵌入式系統設備全面滲透到人們日常生活的各個領域，本文針對智能家居嵌入式系統的軟硬件設計需求，以S3C44B0X為處理器進行智能家居系統的硬件設計，以實現μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植。
1 軟硬件選擇
目前主要的嵌入式處理器類型有386EX，SC-400，Power PC，MIPS，ARM／Strong，ARM系列等，其中ARM以其小體積、低功耗、低成本、高性能成為嵌入式處理器首選。S3C44B0X是Samsung公司推出的16／32位RISC處理器，基于ARM7TDMI內核，提供3級流水線結構。它一方面具有ARM處理器低功耗、高性能的特點，同時又具有非常豐富的片上資源。其特點如下：
(1)內置鎖相環(PLL)，系統主頻最高達66 MHz；
(2)8路10位ADC，I2C，I2S總線控制器，6個PWM定時器；
(3)4種工作模式，正常、慢速、閑置和停止，可以根據需要切換系統工作方式，使系統功耗降低到最低限度；
(4)內置彩色LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，71個通用可編程I／O口和實時時鐘(RTC)。
由此可以看出，S3C44BOX具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點。這些特點可以較好地滿足家居智能控制系統的設計需要。作為家居智能控制系統，除了具有局域網接口、PSTN接口、RS 485接口、藍牙接口外，還應提供音頻視頻接口、HUB接口、報警傳感器接口等。這些接口可以實現音頻視頻自動切換、多臺PC同時上網、與各PC機結合完成家庭設備管理等功能。
μC／OS-Ⅱ是一種源碼公開的實時嵌入式操作系統。它完全是占先式的實時內核，是基于優先級的，即總是讓就緒態中優先級最高的任務先運行，因此實時性比非占先式的內核要好。它包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務問通信同步(信號量、郵箱、消息隊列)和內存管理等功能；它的絕大部分代碼用C語言編寫，可移植性強。目前，μC／OS-Ⅱ絕大多數可以在8位、16位、32位以至64位微處理器、微控制器、數字信號處理器(DSP)上運行。
2 智能家居硬件設計
在選定了處理器之后，外圍電路就可按要求進行設計。其硬件框圖如圖1所示，主要包括：
圖1 智能家居硬件總體構架
2.1 存儲器系統
其中靜態存儲器由FLASH組成，用于存儲智能家居中的嵌入式操作系統、HTTP服務器、家庭網絡服務器以及支持各種服務所需的文件系統。動態存儲器采用SDRAM，以提高系統的允許速度和采用操作系統來保證系統的穩定性，整個智能家居系統軟件平臺存儲在FLASH中，在系統啟動時，將從FLASH中運行Boot-loader，解壓縮操作系統，并將其搬移到SDRAM中，完成搬移之后，所有程序從SDRAM中運行。其中，FLASH選用SST公司生產的SST39VF160芯片。39VF160采用CMOS工藝設計，支持1 M的地址空間，20條地址總線，16條數據總線。SDRAM選用Hynix公司生產的HY57V641620芯片。HY57V641620存儲容量為4組×16 M(8 MB)，由于采用行／列地址鎖存機制，由行列地址共同構成20條地址線，完成1 M的尋址范圍。
2.2 輸入／輸出系統
包含LCD液晶顯示、鍵盤以及微型打印機等，可以基本滿足測試數據等顯示以及人機交互的需要。
2.3 外部通訊接口
包括RS 232串口、以太網接口。RS 232接口用于系統同PC機之間的通訊，可以把測試系統保存的數據導出來，本系統采用國際通用的RS 232C作為串行接口；以太網接口則可以把整個測試系統連接到互聯網上，從而實現該測試系統的遠程監控。
2.4 藍牙通信模塊
在家居控制器上使用藍牙技術主要是為了給家居控制器的各個功能模塊提供無線傳輸的方式。在家居中央控制器上可以采用藍牙模塊加開放藍牙協議的方式開發藍牙功能，綜合考慮成本、結構等因素，信息家電可以采用藍牙模塊加單片機的方式實現藍牙功能。將整個藍牙核心協議棧移植到單片機中顯然不合實際，可以采用這樣的開發方案：在藍牙HCI層的基礎上，根據信息家電信息傳輸的實際需求，建立相關協議，利用單片機直接和藍牙硬件模塊交換HCI指令，實現信息交互。單片機采集信息家電的相關信息通過藍牙模塊發送出去，藍牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機執行。
2.5 溫度、濕度檢測和實時時鐘實現模塊
主要實現對室內環境的監控，便于控制系統采取適當的方式控制室內環境。其中溫度采用溫度傳感器實現，實時時鐘采用S3C440BX自帶的RTC模塊實現。
3 μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植
μC／OS-Ⅱ在S3C44B0X上的移植，需要修改3個與ARM體系相關的文件：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU.ASM。在μC／OS-Ⅱ的移植過程中，采用ADS作為編譯器，ADS由一套完備的應用程序構成，可用來編寫和調試ARM系列的RISC處理器的應用程序，并可通過主機和實時分析工具讓使用者對應用程序進行完整的分析，加速實時嵌入式系統的開發和測試。
3.1 設置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關的代碼
這部分代碼的定義主要包括數據類型的定義、開關中斷代碼的宏定義、任務切換時執行代碼的定義和堆棧增長方向的定義。在S3C44B0X中，所有的任務堆棧都是用OS_TSK聲明數據類型，用OS_ENTER_CRITI-CAL()和OS_EXIT_CRITICAL()實現開關中斷，用結構常量OS_STK_GROWTH來指定堆棧的生長方式。
3.2 編寫與操作系統相關的函數OS_CPU_C.C
μC／OS-Ⅱ定義了6個函數在該文件中，其中OSTa-skStklnit()是任務堆棧初始化函數，其他5個函數都是Hook函數，即OSTaskCreateHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskSwHook( )，OSTaskStatHook( )，OsTimeTickHook()等接口函數，是系統預留給用戶添加功能的，只要聲明，可以不包含代碼，當用戶需要額外擴展功能時，在這5個函數中選擇加入就可。實際上需要修改的只有OSTaskStklnit()函數，該函數用來初始化任務堆棧，使得任務堆棧建立時與發生1次中斷后的堆棧結構相同。S3CA4B0X的堆棧結構如圖2所示。在修改OSTaskStklnit()函數時應依照該結構進行。
圖2 S3C44BOX處理器堆棧結構圖
3.3 編寫與處理器相關的函數OS_CPU.ASM
這部分代碼是對處理器的寄存器進行操作，必須用匯編語言來編寫，包括以下4個子函數：
3.3.1 OSStanHighRdy()
運行優先級最高的就緒任務，此函數是在OS-Start()多任務啟動后，負責從最高優先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針SP，通過SP依次將CPU現場恢復，這時，系統就將控制權交給用戶創建的該任務進程，直到該任務堵塞或者被其他更高優先級的任務搶占CPU。該函數僅在多任務啟動時被執行一次，之后多任務的調度和切換由以下函數實現。
3.3.2 OSCtxsw()
可實現任務級的上下切換，任務級切換是通過SWI或者TRAP人為制造的中斷來實現。ISR的向量地址必須指向OSCtxSw()，這一中斷完成的功能為：保存任務的環境變量(主要是寄存器的值，通過入棧來實現)，將當前SP存入任務控制塊中，載入就緒最高優先級任務的SP，恢復就緒態最高優先級任務的環境變量，中斷返回，以完成任務級的切換。
3.3.3 OSIntCtxSw()
中斷級的任務切換，在時鐘中斷ISR中(中斷服務例程)如果發現有高優先級等待的時鐘信號到來，則在中斷中退出后并不返回被中斷任務，而是直接調度高優先級的任務執行，從而能夠盡快地讓高優先級任務得到響應，保證系統的實時性能。其原理基本上與任務級的切換相同，但是由于進人中斷時已經保存了被中斷任務的CPU現場，因此不再進行類似的操作，只需對堆棧指針做相應調整。
3.3.4 OSTicklSR()
OSTickISR()是一個周期性函數，為內核提供時鐘節拍中斷。頻率越高、系統負荷越大、其周期的大小決定了內核所能給應用系統提供的最小時間間隔。一般只限于毫秒級(跟處理器有關)，對于要求更加苛刻的任務，需要用戶自己建立中斷來解決。該函數具體內容：保存寄存器，調用OSIntEnter()，調用OSTimeTick()，調用OSIntExit()，恢復寄存器，中斷返回。但注意不要在OSStaut()之前調用OSTickISR()。
完成以上3個程序的改寫，μC／OS-Ⅱ就可以在S3C44BOX上正確運行。
4 結語
家居智能控制系統是家庭內外信息交換和家電控制的平臺。本文采用SAMSUNG公司的S3C44BOX芯片設計硬件和軟件，克服8位單片機處理速度慢、接口資源和存儲資源不足的限制。在實驗調試過程中，該系統運行狀況良好、工作穩定。證明其設計是實用、有效的。但智能家居嵌入式系統是一個比較大的系統，目前只是涉及到其中核心部分，其他部分還需繼續探討。
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