基于凌陽(yáng)SPCE061A的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

管曉春（溫州大學(xué)物理與電子信息學(xué)院， 浙江 溫州 325027）

【摘要】本文介紹凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A在基于uC/OS-II操作系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件上采用SPCE061A的最小系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在軟件體系上移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，并通過(guò)對(duì)凌陽(yáng)公司SPCE061A的體系結(jié)構(gòu)的分析，分析了移植過(guò)程中的涉及的主要內(nèi)容和關(guān)鍵問(wèn)題．并在此基礎(chǔ)上通過(guò)一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別實(shí)例介紹了的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)．
【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；uC/OS-II；SPCE061A； 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
【中圖分類號(hào)】 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(yáng)科技新推出的u’nSP內(nèi)核的高集成度，高性能十六位單片機(jī)，內(nèi)嵌32K字 Flash的SPCE061A時(shí)是適用于數(shù)字余音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。它支持精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，片內(nèi)具有豐富的硬件資源。只需設(shè)計(jì)少量的片外擴(kuò)展電路即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件功能要求?！　C/OS-II是一個(gè)源代碼公開(kāi)的精簡(jiǎn)的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，移植性強(qiáng)，基于uC/OS-II來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的效率。將uC/OS-II移植到SPCE061A上，在uC/OS-II的平臺(tái)上設(shè)計(jì)軟件對(duì)于提高相關(guān)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量，減少開(kāi)發(fā)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

1．1 SPCE061A的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　SPCE061A具有豐富的片上系統(tǒng)資源，結(jié)構(gòu)如圖1所示,其片內(nèi)包括：
　　16位的高性能u’nsp內(nèi)核單片機(jī)
　　CPU時(shí)鐘范圍：0.32MHz~49Mz
　　片內(nèi)32k字的Flash程序存儲(chǔ)器、2k字的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
　　2個(gè)16位I/O端口
　　14個(gè)中斷源
　　1通道專用音頻AD轉(zhuǎn)換通道
　　7通道AD轉(zhuǎn)換通道
　　內(nèi)置MIC放大電路和自動(dòng)增益(AGC)放大電路
　　2路電流輸出型的DA轉(zhuǎn)換通道
　　2個(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
　　實(shí)時(shí)實(shí)鐘（RTC）
　　低電壓復(fù)位、低電壓監(jiān)測(cè)
　　內(nèi)置在線仿真接口（ICE）
　　具有保密功能
　　具有WatchDog功能
　
                                     SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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1．2 基于SPCE061A的最小應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建
　　基于SPCE061A豐富的片內(nèi)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(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容、電阻后，再加上復(fù)位電路即可構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)。如圖2所示。外圍電路接口可擴(kuò)展LCD液晶顯示器用于對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。
　
               圖2 PCE061A的最小應(yīng)用系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)

2 uC/OS-II 在SPCE061A上的移植

2.1 uC/OS-II內(nèi)核移植的主要內(nèi)容
　　uC/OS-II是為微控制器和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其內(nèi)核主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的通信、內(nèi)存管理和時(shí)間管理。其軟件體系結(jié)構(gòu)以及與硬件的關(guān)系如圖3所示．多任務(wù)應(yīng)用程序位于最上層，通過(guò)調(diào)用內(nèi)核的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度和切換、存儲(chǔ)管理和任務(wù)進(jìn)程的通訊． uC/OS-II的大部分代碼是用C語(yǔ)言編寫(xiě)，而與硬件相關(guān)的三個(gè)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(guān)的匯編語(yǔ)言代碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器寄存器的訪問(wèn)以及堆棧的操作．因而uC/OS-II操作系統(tǒng)在SPCE061A上的移植主要是對(duì)0S_CPU．H，OS_CPU_A．A，OS_CPU_C．C三個(gè)源程序的編寫(xiě)。
 　
                圖3 uC/OS-II軟硬件體系結(jié)構(gòu)
　　其中OS_CPU．H 中包括了用#define定義的與處理器相關(guān)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(xiě)四個(gè)簡(jiǎn)單的匯編函數(shù)：(1)OSStartHighRdy()函數(shù)的作用是用于運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)．(2)OSCtxSw()是實(shí)現(xiàn)CPU 在正常運(yùn)行時(shí)任務(wù)間的切換，即對(duì)當(dāng)前任務(wù)堆棧的保存和對(duì)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堆棧的彈出，使最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲取CPU 的控制權(quán)． (3)OSIntCtxSw()是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行任務(wù)切換功能的函數(shù)．(4)OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘的中斷服務(wù)程序． 該程序執(zhí)行頻率為1O～100 Hz，主要功能是檢查是否有由于延時(shí)而被掛起的任務(wù)成為就緒任務(wù)，如果有就調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換，從而運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)．OS_CPU_C．C中主要是編寫(xiě)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStklnit(). 

2．2 移植中的關(guān)鍵問(wèn)題
　　多任務(wù)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，任一當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)好像獨(dú)占CPU一樣，需要為每個(gè)任務(wù)開(kāi)辟一段內(nèi)存空間作為該任務(wù)的任務(wù)堆棧，該堆棧的作用是保存任務(wù)被切換前時(shí)CPU各寄存器的值以及系統(tǒng)堆棧的數(shù)據(jù)。由于不同的處理器其內(nèi)部的寄存器分配不一樣，有時(shí)堆棧的增長(zhǎng)方式也不一樣，因而移植的關(guān)鍵問(wèn)題就是要針對(duì)不同的處理器如何在任務(wù)切換時(shí)做好寄存器的狀態(tài)的保護(hù)，以及系統(tǒng)堆棧和任務(wù)堆棧的切換，從而編寫(xiě)好介于底層硬件和操作系統(tǒng)之間的軟件層。凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)有R1~R5五個(gè)通用寄存器，以及段寄存器SR, 程序計(jì)數(shù)器PC,共有7個(gè)CPU內(nèi)部寄存器在任務(wù)切換前需要保存。uC/OS-II系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用OSCtxSw()來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。

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3 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)實(shí)例

　　本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證uC/OS-II在SPCE061A上的移植成功，系統(tǒng)共創(chuàng)建4個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，硬件實(shí)現(xiàn)上只需在最小系統(tǒng)上增加相應(yīng)的音頻電路和液晶顯示模塊。

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

同時(shí)采用信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)和LCD顯示的任務(wù)之間的通訊，使得系統(tǒng)在成功識(shí)別語(yǔ)音后同時(shí)控制LCD輸出識(shí)別的正確與否的信息。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果：系統(tǒng)初始化，調(diào)用訓(xùn)練函數(shù)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別訓(xùn)練；訓(xùn)練成功后，進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別循環(huán)，并將語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果在LCD上顯示出來(lái)。

4 結(jié)論

　　uC/OS-II操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，而且代碼量較小(總計(jì)8K 多)，現(xiàn)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(yīng)用價(jià)值，使得基于SPCE061A的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以更加靈活。同時(shí)uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的在SPCE061A移植，不但可以提高基于SPCE061A的應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性，還提高了應(yīng)用軟件的可移植性,降低了研發(fā)周期。

【參考文獻(xiàn)】
 [1] JEAN J，LABROSSE．uC/OS-II源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M]．邵貝貝，譯．北京：中國(guó)電力出版社，2001．
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[3] 任哲. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005
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【作者簡(jiǎn)介】管曉春 1981年生，碩士，女，浙江溫州 助教．主要研究方向?yàn)檫^(guò)程自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)