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基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實(shí)驗室建設論文
摘 要：高校大多數采用購買(mǎi)實(shí)驗臺、實(shí)驗箱的形式來(lái)完成對實(shí)驗室的建設，這樣的實(shí)驗室存在著(zhù)資金投入大、設備維護困難、實(shí)驗內容狹窄等局限。本文提出一種基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實(shí)驗室建設方案，所有的實(shí)驗項目由軟件仿真系統完成，很好地解決了資金成本和設備維護問(wèn)題，增加了學(xué)生使用實(shí)驗室的便利性。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；Proteus軟件； Skyeye軟件；虛擬實(shí)驗室
1、引言
今天，幾乎所有的電子設備都有嵌入式系統的影子，研究和開(kāi)發(fā)嵌入式系統及其產(chǎn)品已經(jīng)成為當前的熱點(diǎn)之一。嵌入式技術(shù)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，在許多高校都開(kāi)設了嵌入式系統的相關(guān)課程，它涵蓋了計算機組成、微機原理接口、操作系統、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、人機接口、軟件技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的內容，因此，嵌入式系統的實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)顯得尤為重要。目前各個(gè)高校相繼開(kāi)設了嵌入式系統課程，并逐步開(kāi)始建立嵌入式系統實(shí)驗室。這些實(shí)驗室基本都是采用相應的硬件仿真設備來(lái)構建的，但由于嵌入式系統硬件的種類(lèi)繁多再加上資金的限制，不可能在一個(gè)實(shí)驗室包括所有種類(lèi)的嵌入式仿真設備。虛擬實(shí)驗作為傳統實(shí)驗的重要。下面將介紹一種基于Proteus軟件和Skyeye的開(kāi)放式、綜合性、高水平的嵌入式系統虛擬實(shí)驗平臺的構建方案。
2、仿真軟件簡(jiǎn)介
Proteus仿真軟件是一種功能強大的電子設計自動(dòng)化軟件，提供智能原理圖設計、SPICE模擬電路、數字電路及MCU器件混合仿真系統和PCB設計功能，不僅可以仿真傳統的電路原理實(shí)驗，模擬電子線(xiàn)路實(shí)驗、數字電路實(shí)驗等，而且可以仿真嵌入式系統的實(shí)驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(單片機應用系統、ARM 應用系統)的仿真實(shí)驗，這也是其他任何仿真軟件無(wú)力所及的。
SkyEye是一個(gè)開(kāi)源軟件(OpenSource Software)項目，中文名字是“天目”。SkyEye的目標是在通用的Linux和 Windows平臺實(shí)現一個(gè)純軟件模擬集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，模擬常見(jiàn)的嵌入式計算機系統。SkyEye是一個(gè)指令級模擬器，可以模擬多種嵌入式開(kāi)發(fā)板，在32位嵌入式CPU領(lǐng)域中，ARM系列CPU所占比重相當大，因此SkyEye首先選擇了ARM CPU核作為模擬目標CPU核。目前在SkyEye上可運行并進(jìn)行源碼級調試Linux、uClinux、uC/OS-II操作系統和LwIP(一個(gè)著(zhù)名的嵌入式TCP/IP實(shí)現)等系統軟件。并可對它們進(jìn)行源碼級的分析和測試，同時(shí)了解ARM嵌入式CPU編程。
3、嵌入式系統虛擬實(shí)驗室架構
在上圖中，Proteus實(shí)驗室物理上位于其校園網(wǎng)內部的某一個(gè)局域網(wǎng)上，該局域網(wǎng)上的服務(wù)器上安裝Proteus和Skyeye服務(wù)器端軟件，操作系統為Windows 2000server或Windows 2003 server，客戶(hù)端PC上安裝Proteus和Skyeye客戶(hù)端軟件，操作系統為Windows 2000 professional或Windows 2003 professional。另外，需配置少量的設計驗證系統硬件，以增加學(xué)生的感官認知。
4.豐富的設計資源
4.1 Proteus資源
嵌入式系統的設計主要Proteus VSM(Virtual System Mode)來(lái)完成。VSM是一個(gè)完整的嵌入式系統軟、硬件設計仿真平臺，它包括智能原理布圖系統ISIS、帶擴展的ProSpice混合模型仿真器、動(dòng)態(tài)器件庫、高級圖形分析模塊和處理器虛擬系統仿真模型VSM。
4.2 Skyeye資源
4.2.1CPU和開(kāi)發(fā)板系列
目前SkyEye可以模擬的CPU主要是基于A(yíng)RM內核的CPU，包括ARM7TDMI，ARM720T，ARM9TDMI，ARM9xx，ARM10xx，StrongARM，XScale等。目前SkyEye模擬的開(kāi)發(fā)板包括基于A(yíng)tmel 91X40/AT91RM92 CPU的開(kāi)發(fā)板，基于Crirus Logic ep7312的開(kāi)發(fā)板、基于StrongARM CPU的ADSBITSY開(kāi)發(fā)板，基于XScale PXA250 CPU的LUBBOCK開(kāi)發(fā)板、基于SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的開(kāi)發(fā)板、基于SHARP LH7A400 CPU的開(kāi)發(fā)板、基于Philip LPC22xx CPU的開(kāi)發(fā)板等。主要模擬了對應各個(gè)開(kāi)發(fā)板的串口、時(shí)鐘、RAM、ROM、LCD、網(wǎng)絡(luò )芯片等硬件外設。
4.2.2網(wǎng)絡(luò )芯片
目前SkyEye模擬了網(wǎng)絡(luò )芯片8019AS，其特點(diǎn)是：NE2000兼容，內建 16KRAM緩沖區，10MB傳輸速率。雖然目前模擬的開(kāi)發(fā)板上不一定有網(wǎng)絡(luò )芯片8019AS，但我們可以在我們模擬的開(kāi)發(fā)板上加上網(wǎng)絡(luò )芯片8019AS的模擬。這樣再加上在不同操作系統上的8019AS驅動(dòng)程序，就可以方便地完成各種網(wǎng)絡(luò )應用的開(kāi)發(fā)和設計。
4.3多層次的實(shí)驗內容
基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統實(shí)驗室可以開(kāi)設如圖2所示的三個(gè)層次的實(shí)驗內容：基礎型實(shí)驗內容、綜合型實(shí)驗內容和創(chuàng )新型實(shí)驗內容�；A型實(shí)驗內容包含嵌入式系統課程中規定的基本的驗證性仿真實(shí)驗，如串口通信、外部中斷、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等微處理器應用系統的設計仿真和bootloader移植仿真。進(jìn)一步，可以圍繞某一類(lèi)型的MCU進(jìn)行綜合性的課程設計或實(shí)驗，學(xué)生完成電路圖設計、軟硬件調試、系統調試以及PCB制作等整個(gè)過(guò)程。再有，借此實(shí)驗平臺，教師可以進(jìn)行課題的創(chuàng )新或研究，學(xué)生則可以進(jìn)行自主電子設計和畢業(yè)設計等。
4.4 試驗實(shí)例
圖3給出了一個(gè)Atmel AVR Tinyl6處理器、矩陣鍵盤(pán)和字符型液晶的組合運用的仿真系統實(shí)例。主要由Proteus提供的Tinyl6處理器、字符型液晶顯示屏（LCD）矩陣鍵盤(pán)組成。圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預置的字符串信息“BUPT_Information”，第二行第一列顯示當前的按鍵值，此時(shí)鼠標按下了數字健“6”。當鼠標按下其他的健時(shí)，液晶的顯示會(huì )同步更新，如果采用實(shí)驗箱來(lái)完成該實(shí)驗則需要用到多個(gè)硬件模塊，而采用仿真方式可以很方便地動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)系統的構造和運行狀況。
圖4給出了建立交叉工具鏈并在skyeye上仿真uclinux
5、結論
不難看出，采用Proteus和Skyeye構建嵌入式系統虛擬實(shí)驗室的方案具有比較明顯的優(yōu)勢。虛擬實(shí)驗室元器件模型豐富，電路設計可靠，系統軟硬件調試方便，圖形化的仿真結果非常直觀(guān)。另外，基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實(shí)驗室不存在元件損耗問(wèn)題，資金投入少，系統維護簡(jiǎn)單，它所能提供的實(shí)驗內容非常全面，便于有針對性的自行實(shí)驗，可有效地提高學(xué)生綜合分析、排除故障、開(kāi)發(fā)創(chuàng )新、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：嵌入式系統主要包括單片機原理和以ARM為主的嵌入式
系統開(kāi)發(fā)，它們知識架構是有淺入深的，proteus主要應用于單片機仿真設計而skyeye主要應用于A(yíng)RM開(kāi)發(fā)仿真。將它們完整的結合起來(lái)，完善了嵌入式系統實(shí)驗室的體系結構。
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