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基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室建設(shè)論文
摘 要：高校大多數(shù)采用購買實驗臺、實驗箱的形式來完成對實驗室的建設(shè)，這樣的實驗室存在著資金投入大、設(shè)備維護(hù)困難、實驗內(nèi)容狹窄等局限。本文提出一種基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室建設(shè)方案，所有的實驗項目由軟件仿真系統(tǒng)完成，很好地解決了資金成本和設(shè)備維護(hù)問題，增加了學(xué)生使用實驗室的便利性。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Proteus軟件； Skyeye軟件；虛擬實驗室
1、引言
今天，幾乎所有的電子設(shè)備都有嵌入式系統(tǒng)的影子，研究和開發(fā)嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點之一。嵌入式技術(shù)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，在許多高校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機接口、軟件技術(shù)等多門學(xué)科的內(nèi)容，因此，嵌入式系統(tǒng)的實驗實踐教學(xué)顯得尤為重要。目前各個高校相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，并逐步開始建立嵌入式系統(tǒng)實驗室。這些實驗室基本都是采用相應(yīng)的硬件仿真設(shè)備來構(gòu)建的，但由于嵌入式系統(tǒng)硬件的種類繁多再加上資金的限制，不可能在一個實驗室包括所有種類的嵌入式仿真設(shè)備。虛擬實驗作為傳統(tǒng)實驗的重要。下面將介紹一種基于Proteus軟件和Skyeye的開放式、綜合性、高水平的嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗平臺的構(gòu)建方案。
2、仿真軟件簡介
Proteus仿真軟件是一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，提供智能原理圖設(shè)計、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設(shè)計功能，不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路原理實驗，模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)(單片機應(yīng)用系統(tǒng)、ARM 應(yīng)用系統(tǒng))的仿真實驗，這也是其他任何仿真軟件無力所及的。
SkyEye是一個開源軟件(OpenSource Software)項目，中文名字是“天目”。SkyEye的目標(biāo)是在通用的Linux和 Windows平臺實現(xiàn)一個純軟件模擬集成開發(fā)環(huán)境，模擬常見的嵌入式計算機系統(tǒng)。SkyEye是一個指令級模擬器，可以模擬多種嵌入式開發(fā)板，在32位嵌入式CPU領(lǐng)域中，ARM系列CPU所占比重相當(dāng)大，因此SkyEye首先選擇了ARM CPU核作為模擬目標(biāo)CPU核。目前在SkyEye上可運行并進(jìn)行源碼級調(diào)試Linux、uClinux、uC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP(一個著名的嵌入式TCP/IP實現(xiàn))等系統(tǒng)軟件。并可對它們進(jìn)行源碼級的分析和測試，同時了解ARM嵌入式CPU編程。
3、嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室架構(gòu)
在上圖中，Proteus實驗室物理上位于其校園網(wǎng)內(nèi)部的某一個局域網(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(tǒng)為Windows 2000server或Windows 2003 server，客戶端PC上安裝Proteus和Skyeye客戶端軟件，操作系統(tǒng)為Windows 2000 professional或Windows 2003 professional。另外，需配置少量的設(shè)計驗證系統(tǒng)硬件，以增加學(xué)生的感官認(rèn)知。
4.豐富的設(shè)計資源
4.1 Proteus資源
嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計主要Proteus VSM(Virtual System Mode)來完成。VSM是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計仿真平臺，它包括智能原理布圖系統(tǒng)ISIS、帶擴展的ProSpice混合模型仿真器、動態(tài)器件庫、高級圖形分析模塊和處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型VSM。
4.2 Skyeye資源
4.2.1CPU和開發(fā)板系列
目前SkyEye可以模擬的CPU主要是基于ARM內(nèi)核的CPU，包括ARM7TDMI，ARM720T，ARM9TDMI，ARM9xx，ARM10xx，StrongARM，XScale等。目前SkyEye模擬的開發(fā)板包括基于Atmel 91X40/AT91RM92 CPU的開發(fā)板，基于Crirus Logic ep7312的開發(fā)板、基于StrongARM CPU的ADSBITSY開發(fā)板，基于XScale PXA250 CPU的LUBBOCK開發(fā)板、基于SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的開發(fā)板、基于SHARP LH7A400 CPU的開發(fā)板、基于Philip LPC22xx CPU的開發(fā)板等。主要模擬了對應(yīng)各個開發(fā)板的串口、時鐘、RAM、ROM、LCD、網(wǎng)絡(luò)芯片等硬件外設(shè)。
4.2.2網(wǎng)絡(luò)芯片
目前SkyEye模擬了網(wǎng)絡(luò)芯片8019AS，其特點是：NE2000兼容，內(nèi)建 16KRAM緩沖區(qū)，10MB傳輸速率。雖然目前模擬的開發(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(tǒng)上的8019AS驅(qū)動程序，就可以方便地完成各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)和設(shè)計。
4.3多層次的實驗內(nèi)容
基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統(tǒng)實驗室可以開設(shè)如圖2所示的三個層次的實驗內(nèi)容：基礎(chǔ)型實驗內(nèi)容、綜合型實驗內(nèi)容和創(chuàng)新型實驗內(nèi)容�；A(chǔ)型實驗內(nèi)容包含嵌入式系統(tǒng)課程中規(guī)定的基本的驗證性仿真實驗，如串口通信、外部中斷、實時時鐘等微處理器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計仿真和bootloader移植仿真。進(jìn)一步，可以圍繞某一類型的MCU進(jìn)行綜合性的課程設(shè)計或?qū)嶒�，學(xué)生完成電路圖設(shè)計、軟硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試以及PCB制作等整個過程。再有，借此實驗平臺，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(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等。
4.4 試驗實例
圖3給出了一個Atmel AVR Tinyl6處理器、矩陣鍵盤和字符型液晶的組合運用的仿真系統(tǒng)實例。主要由Proteus提供的Tinyl6處理器、字符型液晶顯示屏（LCD）矩陣鍵盤組成。圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預(yù)置的字符串信息“BUPT_Information”，第二行第一列顯示當(dāng)前的按鍵值，此時鼠標(biāo)按下了數(shù)字健“6”。當(dāng)鼠標(biāo)按下其他的健時，液晶的顯示會同步更新，如果采用實驗箱來完成該實驗則需要用到多個硬件模塊，而采用仿真方式可以很方便地動態(tài)模擬整個系統(tǒng)的構(gòu)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(jié)論
不難看出，采用Proteus和Skyeye構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室的方案具有比較明顯的優(yōu)勢。虛擬實驗室元器件模型豐富，電路設(shè)計可靠，系統(tǒng)軟硬件調(diào)試方便，圖形化的仿真結(jié)果非常直觀。另外，基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室不存在元件損耗問題，資金投入少，系統(tǒng)維護(hù)簡單，它所能提供的實驗內(nèi)容非常全面，便于有針對性的自行實驗，可有效地提高學(xué)生綜合分析、排除故障、開發(fā)創(chuàng)新、解決實際工程問題的能力。
本文作者創(chuàng)新點：嵌入式系統(tǒng)主要包括單片機原理和以ARM為主的嵌入式
系統(tǒng)開發(fā)，它們知識架構(gòu)是有淺入深的，proteus主要應(yīng)用于單片機仿真設(shè)計而skyeye主要應(yīng)用于ARM開發(fā)仿真。將它們完整的結(jié)合起來，完善了嵌入式系統(tǒng)實驗室的體系結(jié)構(gòu)。
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