基於Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室建設論文
基於Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室建設論文
摘 要：高校大多數採用購買實驗臺、實驗箱的形式來完成對實驗室的建設，這樣的實驗室存在著資金投入大、裝置維護困難、實驗內容狹窄等侷限。本文提出一種基於Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室建設方案，所有的實驗專案由軟體模擬系統完成，很好地解決了資金成本和裝置維護問題，增加了學生使用實驗室的便利性。
關鍵詞：嵌入式系統；Proteus軟體； Skyeye軟體；虛擬實驗室
1、引言
今天，幾乎所有的電子裝置都有嵌入式系統的影子，研究和開發嵌入式系統及其產品已經成為當前的熱點之一。嵌入式技術是多學科交叉的產物，在許多高校都開設了嵌入式系統的相關課程，它涵蓋了計算機組成、微機原理介面、作業系統、網路通訊技術、人機介面、軟體技術等多門學科的內容，因此，嵌入式系統的實驗實踐教學顯得尤為重要。目前各個高校相繼開設了嵌入式系統課程，並逐步開始建立嵌入式系統實驗室。這些實驗室基本都是採用相應的硬體模擬裝置來構建的，但由於嵌入式系統硬體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.嵌入式模擬裝置。虛擬實驗作為傳統實驗的重要。下面將介紹一種基於Proteus軟體和Skyeye的開放式、綜合性、高水平的嵌入式系統虛擬實驗平臺的構建方案。
2、模擬軟體簡介
Proteus模擬軟體是一種功能強大的電子設計自動化軟體，提供智慧原理圖設計、SPICE類比電路、數位電路及MCU器件混合模擬系統和PCB設計功能，不僅可以模擬傳統的電路原理實驗，類比電子線路實驗、數位電路實驗等，而且可以模擬嵌入式系統的實驗，其最大的特色在於可以提供嵌入式系統(微控制器應用系統、ARM 應用系統)的模擬實驗，這也是其他任何模擬軟體無力所及的。
SkyEye是一個開源軟體(OpenSource Software)專案，中文名字是“天目”。SkyEye的目標是在通用的Linux和 Windows平臺實現一個純軟體模擬整合開發環境，模擬常見的嵌入式計算機系統。SkyEye是一個指令級模擬器，可以模擬多種嵌入式開發板，在32位嵌入式CPU領域中，ARM系列CPU所佔比重相當大，因此SkyEye首先選擇了ARM CPU核作為模擬目標CPU核。目前在SkyEye上可執行並進行原始碼級除錯Linux、uClinux、uC/OS-II作業系統和LwIP(一個著名的嵌入式TCP/IP實現)等系統軟體。並可對它們進行原始碼級的分析和測試，同時瞭解ARM嵌入式CPU程式設計。
3、嵌入式系統虛擬實驗室架構
在上圖中，Proteus實驗室物理上位於其校園網內部的某一個區域網上，該區域網上的伺服器上安裝Proteus和Skyeye伺服器端軟體，作業系統為Windows 2000server或Windows 2003 server，客戶端PC上安裝Proteus和Skyeye客戶端軟體，作業系統為Windows 2000 professional或Windows 2003 professional。另外，需配置少量的設計驗證系統硬體，以增加學生的感官認知。
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)來完成。VSM是一個完整的嵌入式系統軟、硬體設計模擬平臺，它包括智慧原理布圖系統ISIS、帶擴充套件的ProSpice混合模型模擬器、動態器件庫、高階圖形分析模組和處理器虛擬系統模擬模型VSM。
4.2 Skyeye資源
4.2.1CPU和開發板系列
目前SkyEye可以模擬的CPU主要是基於ARM核心的CPU，包括ARM7TDMI，ARM720T，ARM9TDMI，ARM9xx，ARM10xx，StrongARM，XScale等。目前SkyEye模擬的開發板包括基於Atmel 91X40/AT91RM92 CPU的開發板，基於Crirus Logic ep7312的開發板、基於StrongARM CPU的ADSBITSY開發板，基於XScale PXA250 CPU的LUBBOCK開發板、基於SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的開發板、基於SHARP LH7A400 CPU的開發板、基於Philip LPC22xx CPU的開發板等。主要模擬了對應各個開發板的串列埠、時鐘、RAM、ROM、LCD、網路晶片等硬體外設。
4.2.2網路晶片
目前SkyEye模擬了網路晶片8019AS，其特點是：NE2000相容，內建 16KRAM緩衝區，10MB傳輸速率。雖然目前模擬的開發板上不一定有網路晶片8019AS，但我們可以在我們模擬的開發板上加上網路晶片8019AS的模擬。這樣再加上在不同作業系統上的8019AS驅動程式，就可以方便地完成各種網路應用的開發和設計。
4.3多層次的實驗內容
基於Proteus和Skyeye的嵌入式系統實驗室可以開設如圖2所示的三個層次的實驗內容：基礎型實驗內容、綜合型實驗內容和創新型實驗內容。基礎型實驗內容包含嵌入式系統課程中規定的基本的驗證性模擬實驗，如串列埠通訊、外部中斷、實時時鐘等微處理器應用系統的設計模擬和bootloader移植模擬。進一步，可以圍繞某一型別的MCU進行綜合性的課程設計或實驗，學生完成電路圖設計、軟硬體除錯、系統除錯以及PCB製作等整個過程。再有，藉此實驗平臺，教師可以進行課題的創新或研究，學生則可以進行自主電子設計和畢業設計等。
4.4 試驗例項
圖3給出了一個Atmel AVR Tinyl6處理器、矩陣鍵盤和字元型液晶的組合運用的模擬系統例項。主要由Proteus提供的Tinyl6處理器、字元型液晶顯示屏（LCD）矩陣鍵盤組成。圖中模擬的情況是，液晶的第一行顯示預置的字串資訊“BUPT_Information”，第二行第一列顯示當前的按鍵值，此時滑鼠按下了數字健“6”。當滑鼠按下其他的健時，液晶的顯示會同步更新，如果採用實驗箱來完成該實驗則需要用到多個硬體模組，而採用模擬方式可以很方便地動態模擬整個系統的構造和執行狀況。
圖4給出了建立交叉工具鏈並在skyeye上模擬uclinux
5、結論
不難看出，採用Proteus和Skyeye構建嵌入式系統虛擬實驗室的方案具有比較明顯的優勢。虛擬實驗室元器件模型豐富，電路設計可靠，系統軟硬體除錯方便，圖形化的模擬結果非常直觀。另外，基於Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室不存在元件損耗問題，資金投入少，系統維護簡單，它所能提供的實驗內容非常全面，便於有針對性的自行實驗，可有效地提高學生綜合分析、排除故障、開發創新、解決實際工程問題的能力。
本文作者創新點：嵌入式系統主要包括微控制器原理和以ARM為主的嵌入式
系統開發，它們知識架構是有淺入深的，proteus主要應用於微控制器模擬設計而skyeye主要應用於ARM開發模擬。將它們完整的結合起來，完善了嵌入式系統實驗室的體系結構。
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