- Изучить ARM микроконтроллеры фирмы ATmel AT91SAM.
- Выполнить анализ САПР(IAR, Keil) и операционных систем реального времени для ARM микроконтроллеров.
- Изучить CAN, USB, Ethernet, сконфигурировать и настроить их применительно к AT91SAM.
- Создать образ ОС реального времени и установить его на АТ91SAM.
Планируемый
практический результат
Планируется сделать терминал релейной защиты, который по средствам CAN или Ethernet
сети смог бы собирать и сохранять данные с датчиков, релейных защит, устройств измерения, а также передавать их по USB интерфейсу на ПК.
Вверх.
Краткий анализ существующих
систем автоматизированного проектирования(IAR, Keil) и операционных системы реального времени. Основные характеристики ARM7
IDE IAR Embedded Workbench™
Интегрированная среда разработки и отладки IDE IAR Embedded Workbench™ (IAR EWARM) представляет собой мощное средство разработки и отладки, позволяющее создавать законченные прикладные проекты на базе различных 8-, 16- и 32-битных микроконтроллеров, в том числе микроконтроллеров с ядрами ARM. IDE включает в себя набор инструментальных средств, интегрированных в единую программу - оболочку с удобным оконным интерфейсом, работающую под Microsoft Windows. IAR Embedded Workbench™ хорошо документирована и имеет простой, интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Демоверсия IDE IAR Embedded Workbench™ с ограниченным сроком действия компилятора С/С++ (1 месяц) доступна на сайте www.iar.com
IDE IAR Embedded Workbench™ включает в себя следующие инструментальные средства:
• компилятор IAR ARM С/С++,
• ассемблер I AR ARM ,
• универсальный компоновщик IAR XLINK Linker™,
• программа построения библиотек IAR XAR Library Builder™,
• набор библиотек IAR XLIB Librarian™,
• текстовый редактор,
• менеджер проектов,
• утилита построения командной строки,
• отладчик языка высокого уровня IAR C-SPY Debugger™. Компилятор, ассемблер и компоновщик могут запускаться на выполнение не только из оболочки IDE, но из командной строки в случае, если есть необходимость использовать их как внешние инструментальные средства в уже установленной проектной среде. IDE IAR Embedded Workbench поддерживает развитые функции управления проектами, дающие возможность пользователю управлять всеми проектными модулями, например, файлами исходного текста на С или С++, ассемблерными файлами, подключаемыми файлами и другими связанными модулями. Файлы могут быть сгруппированы с различными опциями, заданными на уровне всего проекта, группы или только файла.
Для управления проектами IDE предоставляет следующие основные средства и возможности:
• шаблоны для создания проектов,
• иерархическое представление проекта,
• браузер исходного файла с иерархическим символьным представлением,
• установка опций глобально для групп исходных файлов или для индивидуальных исходных файлов,
• утилита Make, которая перетранслирует, повторно ассемблирует и компонует файлы, когда это необходимо,
• текстовые файлы проектов,
• утилита Custom Build, разворачивающая стандартный инструментальный набор простым способом,
• командная строка, формирующая проектный файл на входе.
IDE IAR Embedded Workbench предоставляет пользователю возможность удобного управления размещением окон, произвольной организации окон в группах, произвольного изменения размеров окон.
Вверх.
Инструментальные средства Keil ARM
Этот набор включает в себя интегрированную среду разработки mVISION, содержащую редактор и менеджер проектов, компилятор и компоновщик для процессора ARM7, а также программный симулятор микроконтроллера. Симулятор полностью моделирует работу ядра ARM7 и периферийных модулей микроконтроллеров LPC2000,AT91SAM. То есть, используя один только симулятор, можно наблюдать за работой всего микроконтроллера. Демонстрационную версию этого пакета программ можно скачать с сайта компании Keil ( www.keil.com ).
Компилятор ARM компании Keil позволяет писать программы на языке Си и компилировать код, выполняющийся на микроконтроллерах семейства LPC2000,AT91SAM. Для соответствия архитектуре микроконтроллеров в компиляторе используется ряд нестандартных расширений (не соответствующих стандарту ANSI С), с помощью которых обеспечивается поддержка различных функций микроконтроллера, таких как прерывание, взаимодействие наборов команд ARM/THUMB и доступ к встроенным периферийным устройствам.
ОС реального времени
ОС РВ — это специальный класс ПО нижнего уровня, на базе которого разрабатываются так называемые системы РВ (СРВ), общей отличительной чертой которых является гарантированное время реакции, не превосходящее заранее определенный интервал, который определяется характерным временем изменения состояния ТП.
На рынке присутствует множество коммерческих ОС РВ, вот лишь некоторые из них: Nucleus PLUS (разработчик Accelerated Technology); CMX-RTX (разработчик CMX Systems); ThreadX (Express Logic); VRTX (разработчик Mentor Graphics); Windows CE и Windows NT Embedded (Microsoft Corp.); OS-9 (Microware Systems Corp.); RTOS-32 (On Time Software); QNX (QNX Software Systems Ltd.); ChorusOS (Sun Microsystems); RTX for Windows NT and Windows CE (VenturCom); VxWorks (Wind River Systems).
Наличие в качестве основы ОС РВ не гарантирует создание СРВ. Это лишь необходимое, но вовсе не достаточное условие. Помимо этого, для создания СРВ нужно правильно спроектировать систему в целом, учитывая такие параметры, как производительность аппаратных средств, возможные объемы информационных потоков, мощность каналов связи и т.п. [2].
Обзор Windows XP Embedded
Windows XP Embedded — это компонентная версия Windows XP Professional c дополнительными возможностями для встраивания и инструментарием, поддерживающим процесс разработки специализированных образов операционной системы. Основной целью разработки специальной версии XP, Embedded было создание встраиваемой системы с богатыми функциональными возможностями, максимально совместимой как с имеющейся настольной операционной системой и существующим прикладным программным обеспечением, так и с привычным для программистов процессом разработки прикладных программ.
Действительно, включив в образ операционной системы только необходимые компоненты, можно тем не менее воспользоваться всеми богатыми возможностями Win32 API и системной инфраструктуры XP Professional. Для разработки приложений, работающих под управлением XP Embedded, нет необходимости переучивать разработчиков, создающих приложения под XP Professional, равно как и нет нужды в каких-либо специализированных средствах разработки. Любые продукты, обеспечивающие разработку для XP Professional, позволяют осуществлять разработку программ и для XP Embedded.
Итак, становится понятно, откуда в названии этой специализированной операционной системы суффикс XP. Что же делает XP встроенной, или Embedded? Во-первых, то, что она состоит из компонентов, и, во-вторых, имеет дополнительные возможности для встраивания. Представление возможностей операционной системы в виде отдельных компонентов позволяет разработчику включать в образ только необходимые компоненты, а дополнительные возможности встраивания эффективно создают специализированные устройства.
Поскольку операционная система Windows XP Embedded состоит из тех же бинарных файлов, что и Windows XP Professional, практически все возможности, которые есть в XP Professional, поддерживаются и в XP Embedded, например:
* вытесняющая многозадачность;
* поддержка нескольких процессоров;
* Win32 API;
* модель драйверов Windows (WDM);
* шифрованная файловая система (EFS);
* IP Security (IPSec);
* Kerberos;
* Windows Firewall;
* DEP (Data Execution Prevention);
* Internet Explorer 6;
* проигрыватель Windows Media версии 9;
* поддержка DirectX 9.0c API;
* удаленный рабочий стол (Remote Desktop);
* точки восстановление системы (System Restore Point);
* консоль восстановления (Recovery Console);
* Windows Management Instrumentation;
* TCP/IP, UDP;
* протокол IPv6;
* беспроводные сети и устройства (Wi-Fi, IrD, Bluetooth);
* Internet Information Server;
* .NET Framework 1.1;
* ASP.NET;
* и т. д.
В поставку XP Embedded входят шаблоны для дизайна некоторых популярных типов устройств, позволяющие ускорить процесс их разработки; кроме того, поставка включает макросы, которые могут пригодиться при разработке и тестировании.
Один из вспомогательных макросов, MinKernel Sample Macro (Demo), включает в себя ядро Windows XP, его драйверы устройств, не требует прохождения процедуры FBA, при запуске отображает черный экран и выводит в отладочный порт сообщение Debug и не поддерживает Win32 API. Если на устройстве требуется запускать приложения или давать пользователю возможность интерактивно взаимодействовать с устройством, необходимо использовать конфигурацию на основе менеджеров сессий MinLogon или WinLogon. Тестовые конфигурации на их основе, соответственно, представляют остальные два компонента макроса для разработки: MinLogon Sample Macro и WinLogon Sample Macro.
Требования к системе разработчика:
* Microsoft Windows 2000 SP4 или выше;
* Microsoft SQL Server 2000 или MSDE (Microsoft SQL Server Desktop Edition) 5.0;
* минимум 728 МГц процессор (рекомендуется 1 ГГц);
* минимум 256 Мбайт оперативной памяти;
* 3 Гбайт свободного места на диске;
* 512 Мбайт - 1 Гбайт неразмеченного пространства на диске;
* рекомендуемый размер файла подкачки - не менее 600 Мбайт;
* Windows Embedded Studio (Windows XP Embedded c Service Pack 2).
Вверх.
RTOS-32
В ней представлено комплексное решение для высокопроизводительных встраиваемых систем, базирующихся на І386 совместимых платформах, операционную систему жесткого реального времени RTOS-32, которая имеет масштабируемую архитектуру и состоит из шести компонентов: RTTarget-32, RTKernel-32, RTFiles-32, RTIP-32, RTPEG-32 и RTUSB-32.
Модуль RTTarget-32 является основой RTOS-32 и должен присутствовать во всех приложениях, разработанных на ее базе. Он включает все средства, необходимые для запуска 32-разрядных приложений во встроенной системе. RTTarget-32 может выполнять одно 32-разрядное приложение, построенное Win32 совместимым компилятором. Он имеет загрузчик, инициализирующий аппаратуру и запускающий приложение. RTTarget-32 также поддерживает набор вызовов API Win32, позволяющий запускать программы, разработанные для консольного режима Windows NT. Этой эмуляции вполне достаточно для загрузки и выполнения программ, созданных обычными Win32 совместимыми компиляторами, без изменений или же с минимальными доработками. Таким образом, RTTarget-32 может рассматриваться как миниатюрное ядро Windows NT для встраиваемых систем, которое занимает не более 16 кбайт оперативной памяти. Другим преимуществом такой совместимости является возможность использования стандартных систем разработки приложений для NT, например, Inprise C++ и Delphi, Microsoft Visual C++, Watcom C++, Microsoft Visual Studio и других, способных создавать исполняемые файлы стандартного Win32 PE -типа. Возможна полная интеграция компонентов RTOS-32 в Microsoft Visual Studio. При этом можно пользоваться встроенным отладчиком.
Модуль RTKernel-32 — это библиотека диспетчеризации многозадачных систем реального времени. Компактный (16К кода и 6К данных) планировщик с поддержкой запуска динамических библиотек расширяет возможности программ, выполняемых на RTTarget-32, и дополняет стандартные вызовы Win32 возможностью создания и управления потоками, семафорами, критическими секциями и другими свойствами, которыми наделены операционные системы жесткого реального времени: детерминированностью и приоритетностью. Планировщик RTKernel-32 работает в 15 раз быстрее, чем в Windows 95, и примерно в 5 раз быстрее, чем в NT.
Сетевая поддержка RTOS-32 обеспечивается модулем RTIP-32. Он позволяет одновременно обмениваться данными по нескольким каналам Ethernet и последовательным интерфейсам. Для RTIP-32 необходимо использование RTKernel-32. В стандартный комплект RTIP-32 входит поддержка протоколов UDP, TCP, ARP, RARP, BOOTP, IGMP и ICMP. Дополнительно приобретаются модули поддержки протоколов PPP, FTP, TFTP, Web Server, POP3 Client, SMTP Client, TELNET Client/Server, SNMP Agent, DHCP Client/Server, SNTP Client, SMB Client/Server, WLAN.
Модуль файлового ввода-вывода RTFiles-32 позволяет использовать стандартные функции работы с файловыми системами FAT-12, FAT-16 и FAT-32 и работать с любыми типами носителей — флэш дисков, статической памяти, USB -дисков (требуется RTUSB-32), CD-ROM и DVD. Нестандартное оборудование может поддерживаться через драйвер с простым интерфейсом. Поддержка жестких дисков до 2 терабайт, съемных дисков и «горячей» замены носителей позволяет использовать RTFiles с самым современным оборудованием.
Модуль RTPEG-32 — графическая объектно-ориентированная библиотека для RTOS-32. Включает в себя полный набор элементов управления для создания пользовательских интерфейсов в стиле Windows приложений. При выполнении функций RTPEG-32 никогда не блокируются прерывания, тем самым не прерываются процессы реального времени. Поддерживается многозадачный режим. Для работы с приложениями можно использовать мышь, сенсорный экран или клавиатуру. Имеется набор драйверов для различных VGA и SVGA/VESA графических адаптеров. Утилита WindowBuilder позволяет быстро создавать графические объекты RTPEG-32, генерируя С++ код для инициализации всех созданных окон и обработки сообщений. Имеются дополнительные средства для создания шрифтов и для преобразования изображений различных форматов в массивы данных С++.
Модуль RTUSB-32 — библиотека, реализующая стек > спецификации USB 1.1 и 2.0 для мастерустройств. Включает в себя драйверы всех наиболее распространенных мастер-контроллеров (OHCI, UHCI, EHCI). Поддерживаются все стандартные режимы обмена, позволяющие использовать библиотеку, как для обмена большими массивами данных, так и для обмена в режиме реального времени. Полностью поддерживается режим «включи и работай» и «горячее» подключение/отключение ведомых устройств. Возможны использование каналов DMA и доступ к периферийным устройствам на низком уровне. В комплект поставки входит набор драйверов типовых устройств: клавиатуры, мыши, принтера и т.д.
Оценочная версия RTOS-32: предоставляются полная документация в электронном виде, примеры и библиотеки. Имеется возможность создавать и отлаживать собственные программы. Доступна по адресу ftp://ftp.prosoft.ru/pub/ Software/ONTIME/rtos32.
Вверх.
Основные характеристики ядра ARM7
Рисунок 1 - Блок-схема ядра ARM7
(анимация сделана в Gif Animator, запускается при обновлении страницы, 10 кадров, 5 повторений, 89.8 kb)
- 32-разрядный RISC процессор (32-разрядные шины данных и адреса) с производительностью 17 MIPS при тактовой частоте 25 МГц (пиковая производительность 25 MIPS)
- 32-разрядная адресация - линейное адресное пространство в 4 Гбайта - исключает потребность в сегментированной, разделенной на банки или оверлейной памяти
- Тридцать один 32-разрядный регистр общего назначения и шесть регистров состояния
- Регистры адресов, записи и конвейера
- Циклическое сдвиговое устройство и перемножитель
- Трехуровневый конвейер (выборка команды, ее декодирование и выполнение)
- Рабочие режимы Big Endian и Little Endian
- Напряжение питания 3,3 и 5 В
- Малое потребление 0,6 мА/МГц, при изготовлении по CMOS технологии с топологическими нормами 0,8 мкм.
- Полностью статическая работа, позволяющая дополнительно снижать потребление за счет уменьшения тактовой частоты, что идеально для критичных к потреблению применений
- Быстрый отклик на прерывания применений реального масштаба времени
- Поддержка систем виртуальной памяти
- Простая, но мощная система команд
Необходимо отметить, что перевод ядра на технологию с уменьшенными топологическими нормами позволяет, как повысить его производительность, так и еще больше снизить потребление.
32-разрядная система команд ядра ARM7 содержит одиннадцать базовых типов команд:
- Два типа используют встроенное арифметико-логическое устройство, циклическое сдвиговое устройство и умножитель при операциях над данными в банке из 31 регистра, форматом по 32 разряда каждый;
- Три класса команд управления перемещением данных между памятью и регистрами, один оптимизированный на обеспечение гибкости адресации, другой под быстрое контекстное переключение и третий под подкачку данных;
- Три команды управляют потоком и уровнем привилегии выполнения;
- Три типа предназначены для управления внешними сопроцессорами, что позволяет расширить функциональные возможности системы команд за пределами ядра.
Система команд ARM хорошо обрабатывается компиляторами языков высокого уровня. В отличие от некоторых RISC процессоров, процессор ARM7, при возникновении необходимости в некотором уменьшении объема кодов, допускает программирование и на ассемблере.
Заключение.
С появлением микроконтроллеров стало возможным выполнять важнейшие задачи в энергетике, в частности, выполнение сложных релейных защит, которые стали надежнее, так как значительно снизилось количество подвижных механических частей, которые заменили полупроводники быстрее, так как нет тех задержек, которые были в механических деталях и меньше в размерах.
ENG