【摘要】本文使用PCF8563芯片為嵌入式系統(tǒng)提供一個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它獨(dú)立自主地運(yùn)行，CPU從它那里獲得時(shí)間信息。文中簡(jiǎn)介了嵌入式ARM處理器和I2C總線的通訊協(xié)議；通過uclinux的交叉編譯、移植和燒寫uclinux內(nèi)核，在UP-NETARM3000上成功的運(yùn)行uclinux系統(tǒng)；在移植的uclinux系統(tǒng)上掛載NFS文件系統(tǒng)，運(yùn)行其中的應(yīng)用程序；并通過C程序在uclinux下實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCF8563的讀寫功能，成功地添加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　【關(guān)鍵詞】實(shí)時(shí)時(shí)鐘； ARM處理器； uclinux移植； PCF8563；I2C總線

　　1 引言
   
　　現(xiàn)在的許多設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘都有很高的要求，在片集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘往往只注意到了其使用的方便，而沒有考慮在實(shí)際應(yīng)用中還有很多特殊的要求。本文討論如何使用獨(dú)立的外擴(kuò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，來滿足這些要求。
什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？就是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的反饋信息或者指令，必須在要求的時(shí)間內(nèi)發(fā)出或者返回，否則視為無效。例如，數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，必須在對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)得到信號(hào)，以保證數(shù)據(jù)采集的有效性。那么什么是實(shí)時(shí)時(shí)鐘？就是采用獨(dú)立的晶振（或集成），擁有獨(dú)立供電系統(tǒng)，永不間斷的運(yùn)行，從而給系統(tǒng)提供可靠的系統(tǒng)時(shí)間。
   
　　集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和獨(dú)立實(shí)時(shí)時(shí)鐘的比較：
   
　　以博創(chuàng)UP-NETARM3000開發(fā)板為例，它使用的是三星公司生產(chǎn)的S3C44B0XARM７處理器，該處理器內(nèi)部集成了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其中的2個(gè)中斷源INT_RTC和INT_ADC中斷源在26個(gè)中斷源中優(yōu)先級(jí)。RTC的電壓要求2.5V或3V，但是不支持3.3V。也就是說開發(fā)板上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘不能脫離開發(fā)板獨(dú)立地運(yùn)行，同時(shí)中斷級(jí)別低，電壓范圍窄，精度不可調(diào)，不具備通用性。而外擴(kuò)的獨(dú)立實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓范圍寬，使用I2C總線，中斷級(jí)別高，同時(shí)獨(dú)立于開發(fā)板運(yùn)行，通用性好。特別是精度是可以矯正調(diào)節(jié)的，這對(duì)實(shí)時(shí)性來說精度是很重要的指標(biāo)。

　　2 ARM處理器
   
　　ARM(Advanced RISC Machines)是一類微處理器的通稱[1]。1991年ARM公司成立于英國(guó)劍橋,主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。ARM現(xiàn)在已遍及工業(yè)控制，消費(fèi)類電子產(chǎn)品,通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)比例，ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。

　　3 PCF8563
   
　　PCF8563是PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片, 芯片總線速度為400kbits/s,每次讀寫數(shù)據(jù)后,其內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、便攜儀器、傳真機(jī)、電池電源等產(chǎn)品中。PCF8563有16個(gè)8位寄存器,其中包括:可自動(dòng)增量的地址寄存器、內(nèi)置32.768kHz的振蕩器(帶有一個(gè)內(nèi)部集成電容)、分頻器(用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘)、可編程時(shí)鐘輸出、定時(shí)器、報(bào)警器、掉電檢測(cè)器和400kHz的I2C總線接口。所有16個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的8位并行寄存器,但不是所有位都有用。當(dāng)一個(gè)RTC寄存器被讀時(shí),所有計(jì)數(shù)器的內(nèi)容將被鎖存,因此,在傳送條件下,可以禁止對(duì)時(shí)鐘/日歷芯片的錯(cuò)讀。同時(shí)它還擁有PHILIPS的優(yōu)良品質(zhì)，在3V電壓，25攝氏度下，功耗為250nA，非常低。本文選用PCF8563來外擴(kuò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其硬件連接示意圖如圖1所示：

 
圖1  PCF8563與S3C44B0X的連接圖

　　4 I2C總線
   
　　在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，有為數(shù)眾多的IC需要進(jìn)行相互之間以及與外界的通信。為了提供硬件的效率和簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，PHILIPS開發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡(jiǎn)單的雙向兩線串行總線I2C(Inter IC總線)。I2C總線支持任何一種IC制造工藝。作為一個(gè)專利的控制總線，I2C已經(jīng)成為世界性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

　　5 uclinux系統(tǒng)[3]
   
　　uClinux是微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式操作系統(tǒng)。在GNU通用許可證的保證下,運(yùn)行µClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)。它具有體積小、穩(wěn)定、良好的移植性、的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持，以及豐富的API函數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。uClinux除了不能實(shí)現(xiàn)fork()外，其余uClinux的API函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)Linux完全相同。
   
　　①.uClinux的內(nèi)核加載方式
   
　　uClinux的內(nèi)核有兩種可選的運(yùn)行方式：可以在flash上直接運(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。Flash運(yùn)行方式：把內(nèi)核的可執(zhí)行映象燒寫到flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從flash的某個(gè)地址開始逐句執(zhí)行。內(nèi)核加載方式：把內(nèi)核的壓縮文件存放在flash上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)行。
   
　　②.uclinux的根（root）文件系統(tǒng)
   
　　uClinux系統(tǒng)采用romfs文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)相對(duì)于一般的ext2文件系統(tǒng)要求更少的空間。內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼，romfs文件系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，建立文件系統(tǒng)超級(jí)塊（superblock）需要更少的存儲(chǔ)空間。romfs文件系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)擦寫保存，對(duì)于系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)保存的數(shù)據(jù)采用虛擬ram盤的方法進(jìn)行處理（ram盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。

　　6 uclinux在S3C44B0X上的移植[4]
   
　　BootLoader引導(dǎo)程序是嵌入式開發(fā)很重要的組成部分。它是CPU 加電后個(gè)開始運(yùn)行的代碼，由它終將操作系統(tǒng)啟動(dòng)起來并將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。BLOB(Boot Loader OBject)初是由Jan-Derk Bakker和Erik Mouw為L(zhǎng)ART而寫的引導(dǎo)代碼，由于其良好的移植性和強(qiáng)大的功能被移植到了很多其它機(jī)器上。BLOB遵守GNU GPL licence。BLOB功能比較強(qiáng)大，它可以：
   
　　①.. 初始化諸如CPU的主頻、SDRAM的控制管理、中斷、串行口等硬件；
　　②.. 啟動(dòng)Linux內(nèi)核并提供一個(gè)RAMDISK；
　　③.. 通過串口下載內(nèi)核或者RAMDISK到板卡上；
　　④.. 可以將修改過的新的內(nèi)核或者RAMDISK寫到Flash上；
　　⑤.. 可以重新自由設(shè)定存儲(chǔ)中不同的布局；
　　⑥.. 可以提供一個(gè)命令行接口給用戶。
   
　　Blob常用的命令有：blob、boot、xdownload、flashreload、dump、reblob、status、flash等。xdownload命令用于下載內(nèi)核和根文件系統(tǒng)到內(nèi)存中，flash命令用來把它們燒到flash中。
   
　　在PC機(jī)上建立起uclinux的編譯環(huán)境，在終端中運(yùn)行博創(chuàng)開發(fā)板自帶光盤上的install.sh文件，它將在你的PC機(jī)上安裝交叉編譯環(huán)境和一個(gè)在44B0X上運(yùn)行uclinux-2.4.x文件夾和許多有用的文件夾。建立交叉編譯環(huán)境也可以通過下在通用的gcc編譯器來實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè).sh文件，其運(yùn)行方法在后面有介紹。實(shí)際上就是建立uclinux的庫文件的過程。開源的好處就在于這一切都是透明的，不需要你去配置，只要會(huì)安裝就可以了。
   
　　通過串口燒寫uclinux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)，這在Windows下使用超級(jí)終端。Linux下使用minicom。基本設(shè)置是波特率115200，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，停止位1，無數(shù)據(jù)流控制。
   
　　同時(shí)要在PC機(jī)上建立NFS文件共享服務(wù)，本文的共享目錄是/root/nfs。進(jìn)入服務(wù)器配置選項(xiàng)，里面有NFS，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置等。配置過程時(shí)建立要選擇共享的目錄和訪問的IP段。

　　7 PCF8563的讀寫程序
   
　　PCF8563 使用的是I2C總線，他的讀寫過程遵循總線的讀寫過程，S3C44B0X的I2C總線控制器為一個(gè)多主的控制器，其讀寫流程如圖2所示。

　　根據(jù)流程編寫了PCF8563的讀寫程序。該程序通過uclinux的交叉編譯工具編譯成為可以在S3C44B0X上面運(yùn)行的程序，過程如下：該程序和它的頭文件放到同一個(gè)目錄下，然后打開終端在終端下執(zhí)行：

　　cd 所在目錄
　　arm-elf-gcc -elf2flt rtc main.c
　　這樣就會(huì)生成一個(gè)uclinux下的可執(zhí)行文件，通過NFS掛載過去，步驟如下：
　　ifconfig eth0 202.204.96.196
　　mount -t nfs 202.204.96.198:/root/nfs /host
　　用cd命令進(jìn)入所掛載的目錄，直接執(zhí)行就可以了。

　　該過程在實(shí)際操作過程中可以用一種簡(jiǎn)便的方法來實(shí)現(xiàn)，這也是經(jīng)行uclinux下開發(fā)程序的簡(jiǎn)便之處，那就是makefile　文件。我們?cè)谝慌_(tái)服務(wù)器主機(jī)上建立一個(gè)虛擬機(jī)VM work station，里面安裝的是linux系統(tǒng)和uclinux的交叉編譯環(huán)境，在需要編譯的文件所在目錄下建立一個(gè)makefile文件，內(nèi)容如下：

　　all: main.c         //編譯的文件
　　arm-elf-gcc -elf2flt -o rtc main.c  //編譯讀寫程序
　　cp rtc /root/nfs      //復(fù)制rtc到NFS共享目錄下
　　chmod +x /root/nfs/rtc     //改變可執(zhí)行文件rtc的屬性
   
　　通過telnet獲得虛擬機(jī)的root權(quán)限。然后進(jìn)入main.c所在目錄。這時(shí)候的編譯就只需要在main.c所在目錄下運(yùn)行make命令就可以了，它會(huì)自動(dòng)生成可執(zhí)行文件rtc,自動(dòng)復(fù)制到NFS共享文件夾中。在開發(fā)板上進(jìn)入NFS共享文件夾，運(yùn)行其中的應(yīng)用程序。這種方法對(duì)程序的開發(fā)極其的方便，這也是linux下程序開發(fā)調(diào)試的優(yōu)勢(shì)之一。

　　8 結(jié)論：
   
　　本文使用PCF8563來代替CPU上集成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，使系統(tǒng)時(shí)間不會(huì)丟失，在硬件上保證了實(shí)時(shí)性；精度相對(duì)集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘得到了提高。在其讀寫程序的編寫編譯過程中，還對(duì)uclinux下的高效程序開發(fā)方法進(jìn)行了實(shí)踐。在有較高的精度要求時(shí)，可以對(duì)時(shí)鐘的精度進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)需求。同時(shí)這種擴(kuò)展方法具有一定的通用性，可以在各種單片機(jī)和ARM應(yīng)用系統(tǒng)中使用，有一定的使用和借鑒價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：
　　
　　[1]  李駒光等.《ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)祥解》.北京:清華大學(xué)出版社,2003
　　[2]  慕春棣.《嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建》.清華大學(xué)自動(dòng)化系試用教材.2003年1月
　　[3]  劉崢嶸、張智超等編著.《嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)詳解》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004
　　[4]  北京博創(chuàng)科技有限公司.UP-NETARM3000uClinux開發(fā)指南.2003年11月