基于ARM 的嵌入式無線通信實驗設計研究

陳志標

(福建師范大學協和學院,福建福州 350117)

0 前言

在高校計算機專業中,嵌入式系統課程屬于軟硬協同設計課程,為專業核心課程,理論知識較豐富,覆蓋范圍較廣。但在嵌入式系統課程實驗設計中,高校教師以嵌入式系統實驗為主,并未將嵌入式系統與行業先進技術整合。就此,基于ARM的嵌入式系統無線通信實驗設計具有鮮明現實意義,可將嵌入式系統與無線通信技術整合,滿足當前萬物互聯的通信需求,有效發展學生實踐素養。

1 基于ARM的嵌入式無線通信實驗特點

1.1 實驗系統配置

在基于AR M的嵌入式系統無線通信實驗中,實驗系統配置為實驗設計的基礎。通常來說,嵌入式系統的配置如下:

(1)PC機,即計算機硬件設備,是無線通信實驗系統的控制端,負責輸入/輸出信息、接收命令,如操作反饋信息、硬件信息等;(2)嵌入式系統開發板,為uClinux操作系統的運行程序,負責根據輸入的命令執行程序,如通過程序運行實現PC機和GPRS終端的數據通信;(3)GPRS終端,主機輸入命令的最終執行者,在實施無線網接入等通信功能時,均由GPRS終端的外接天線負責。通常來說,可利用GPRS的RS232接口,連接嵌入式系統的實驗開發板,保障通信實驗過程中各項數據的有效聯通,為實驗的有序進行提供保障[1]。

1.2 系統平臺建構要求

在建構實驗系統平臺時,嵌入式系統的配置選擇為重點,具體要求如下:

在實驗開發板選擇中,優先選擇ARM微處理器,該設備具有低功耗、體積小、性能優異、應用靈活、執行效率高等優勢。

在嵌入式操作系統選擇中,優先選擇uClinux系統,該系統具有較強的移植性,可支持多種文件系統,體積小、適用范圍廣。

在無線網絡接入設備選擇中,優先選擇GPRS網絡,該網絡具有傳輸速率高、安全性強、支持多種傳輸技術等優勢。

1.3 系統平臺應用優勢

在明確實驗系統配置的基礎上,可構建完善的嵌入式無線通信實驗系統,實踐應用呈現如下優勢,可推廣普及。

(1)可與多種接口連接,如USB、LCD、SM等。在后續無線通信實驗設計中,便于實驗系統的更新升級,為高校教師拓展實驗項目提供支持。

(2)以uClinux操作系統為嵌入式系統,可為高校教師設計無線通信實驗提供更廣闊的空間,豐富無線通信實驗的內容,拓展無線通信實驗的功能,切實發揮實踐教學的作用。

(3)維護成本低。在嵌入式系統廣泛應用的當下,無線通信實驗項目設計應用的芯片市場價格相對穩定,高校投入的建設成本與運維成本相對較低。

(4)GPS模塊功能豐富。在高校計算機專業教學中,GPS模塊不僅可用于嵌入式無線通信實驗項目,還可通過無線與Internet網連接,設計其他無線網應用實驗。

(5)無線通信實驗項目范圍廣。在計算機行業的迅猛發展下,行業理論與技術發展較快,無線通信實驗項目可利用嵌入式系統與GPS模塊進行功能拓展,滿足多種實驗項目的設計需求,為高校教師開展嵌入式系統課程實驗提供技術支持[2]。

2 基于ARM的嵌入式無線通信實驗案例

本文以嵌入式系統中的基礎概念Boot Loader、uClinux根文件與視頻通信系統為例,總結基于ARM的嵌入式無線通信實驗設計要點,為高校教師開展相關工作提供成功經驗參考。

2.1 實驗設計目的

在高校嵌入式系統課程中,Boot Loader為基礎部分,該理論與硬件息息相關,通過Boot Loader結構、原理等知識的學習及Boot Loader程序的編寫練習,可幫助學生深入認識嵌入式系統,加深學生對嵌入式系統相關知識的認識。同時,在嵌入式系統課程教學中,uClinux的根文件系統為重要實驗項目,學生對uClinux根文件系統實驗的掌握程度,直接影響后續應用程序設計實驗的操作水平。可以這樣說,Boot Loader與uClinux根文件系統為嵌入式系統軟硬件相關知識的基礎,將這兩者為核心,進行無線通信實驗的設計,可幫助學生熟悉上述配置的實驗系統平臺,明確ARM的體系結構特點及啟動初始化過程,確保學生可在程序編寫中熟練應用Thumb指令及C編寫初始化程序[3]。

在管段提升至與樁頂部相接近的位置后，從樁頂下部1m位置開始，以較慢的速度進行提升和旋噴，達到數秒之后，繼續向上以較慢的速度進行提升，當達到0.5m后，在樁頂處形成一個停漿面。

2.2 Boot Loader實驗

2.2.1 實驗方案設計

(1)實驗目標:在無線通信實驗設計前,應結合知識特點與實踐要求,明確實驗目標,為實驗設計與學生操作提供指導。對于Boot Loader實驗來說,要求學生掌握如下實踐操作:第一,ARM的初始化操作,包括各類寄存器、堆棧及SDRAM等;第二,外圍設備的初始化,包括實驗系統中的串口、I/O口及網口等;第三,時鐘頻率的初始化;第四,操作系統的操作,包括操作系統的下載、FLASH與SDRAM間數據的運輸、操作系統的應用等。

(2)總體設計方案:在嵌入式系統教學中,Boot Loader程序的編寫應以程序任務和程序工作為核心。因B o o t Loader程序的執行與CPU體系結構聯系密切。對于不同的CPU體系結構,應編寫不同Boot Loader代碼。在此基礎上,如全部使用匯編進行代碼編寫,會使Boot Loader程序具備較高局限性,不可將其移植至其他CPU。就此,在本文設計的無線通信實驗項目中,將Boot Loader程序設計實驗劃分為stage1和stage2兩部分。與CPU體系結構相關的代碼,如設備初始化代碼等,統一置于stage1中,在代碼編寫時,均采用匯編語言,以此減少程序的占用空間。在stage2程序代碼編寫中,要求學生用C語言來實現,便于Boot Loader程序的后續拓展與更新升級,提高代碼可讀性和可移植性。

2.2.2 實驗方案實施

在明確上述實驗設計方案后,學生按照教師要求的操作步驟進行實驗。以硬件設備初始化處理為例,學生實施的操作包括中斷的屏蔽、CPU速度與時鐘頻率的設置、堆棧及RAM的初始化。在學生完成內核的調用后,表明Boot Loader程序設計實驗順利完成。

2.3 uClinux根文件實驗

2.3.1 實驗方案設計

在嵌入式無線通信實驗項目中,uClinux根文件實驗的實驗目標如下:要求學生在Linux環境下完成內核映象文件zimage和根文件系統映象文件romfs.img的制作。在實驗設計中,操作步驟與注意要點如下:

(1)構建arm-Linux交叉開發環境。在實驗過程中,利用uClinux開發調試應用程序時,宿主機交叉開發環境的構建為基礎環節,確保宿主機可編譯生成支持實驗開發板運行的代碼。

(2)選擇ARM交叉編譯器。在uClinux根文件實驗中,AR M交叉編譯器負責在PC 機上編譯生成支持微處理器操作系統的內核。

(3)執行命令。在uClinux根文件實驗中,當交叉開發環境與交叉編譯器配置完成后,應在主機上執行以下命令:sh arm-elf-tools-20030314.sh。在此基礎上,可在計算機上完成uClinux-ARM交叉編譯環境的建構,學生應對uClinux內核進行重新編譯,生成操作系統內核和ROMFS根文件系統。

(4)生成uClinux文件系統。在構建的uClinux根文件開發環境中,結合教師下發的程序任務,進行uClinux根文件的生成操作。

2.3.2 實驗方案實施

學生按照上述實驗步驟完成uClinux根文件的生成操作后,利用局域網將壓縮內核印象文件及根文件系統印象文件傳輸到開發板的SDRAM中,再由Boot Loader程序傳輸至FLASH,完成實驗操作。在主機退出程序設計界面,轉至Windows環境后,打開串口調試工具,合理配置對應的接口,完成連接后,啟動實驗板,完成Boot Loader程序相關信息的打印,并輸入命令mrun,即可啟動設計的uclinux開發環境,在sash提示符后輸入命令:LS,可在界面觀看到操作系統的所有目錄,便于后續無線通信實驗。

2.4 視頻通信系統實驗

通過上述實驗,學生對嵌入式系統有較為深入的理解,初步掌握嵌入式無線通信實驗項目操作的要點。教師可結合無線通信技術發展現狀,選擇合適的嵌入式無線通信實驗項目主題,設計拓展性實驗,要求學生利用學習的知識與掌握的實踐技能,完成視頻通信系統的設計[4]。

2.4.1 實驗目標

在視頻通信系統實驗中,要求學生掌握基于AR M的嵌入式系統設計要點,明確Linux與uClinux的異同點,利用Linux系統完成視頻通信系統的設計,掌握無線通信技術與嵌入式系統的整合方式,拓展學生的設計思維,提高學生的實踐操作能力。

2.4.2 實驗設計

(1)總體設計方案:在視頻通信系統實驗中,教師為學生配置無線通信設備、ARM裝置及對應的節點硬件。在軟件設計中,采集端的程序流程如下:采集并壓縮視頻圖像→將壓縮圖片存儲于緩存區→顯示視頻圖像→向接收端發送連接請求→發送視頻圖像;接收端的程序流程如下:響應采集端發送的連接請求→與采集端連接→接收視頻圖像→顯示視頻圖像。

(2)系統功能設計:在明確上述軟硬件配置的基礎上,教師應以視頻通信系統的功能設計為要點,組織學生在系統配置視頻通信過程中各項功能的運行程序,保障無線通信實驗項目的有效實施。細化來說,視頻通信系統的功能設計應涵蓋視頻采集功能、視頻壓縮功能、視頻傳輸功能、視頻顯示功能[5]。在明確系統程序設計的基礎上,教師可將學生劃分為若干個小組,各個小組進行項目的分工合作,明確項目建設中每個學生負責的部分,確保所有學生均參與嵌入式無線通信實驗項目,提高實驗教學有效性。在視頻通信系統設計實驗項目中,因視頻通信系統配置多項功能,各小組可安排一名學生負責一個功能模塊的編程工作,完成后小組討論完善,共同完成視頻通信系統的設計,使學生掌握嵌入式系統與無線通信技術整合的理論與實踐知識,屬于成功的嵌入式無線通信實驗設計,值得借鑒學習。

3 結語

綜上所述,在計算機專業教學中,基于ARM的嵌入式系統無線通信實驗可整合學生的理論與實踐,發展學生綜合素養。在實驗設計中,高校教師應合理配置實驗系統,為學生創造合理實驗環境;結合嵌入式系統相關知識與無線通信技術發展現狀,選擇合適無線通信實驗項目主題,明確實驗設計目標,設計規范實驗操作步驟,切實發揮無線通信實驗項目作用,培養更多優秀計算機人才。