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基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室建設論文
摘 要：高校大多數采用購買實驗臺、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、設備維護困難、實驗內容狹窄等局限。本文提出一種基于Proteus和Skyeye的嵌入式系統虛擬實驗室建設方案，所有的實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軟件； Skyeye軟件；虛擬實驗室
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、微機原理接口、操作系統、網絡通信技術、人機接口、軟件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，并逐步開始建立嵌入式系統實驗室。這些實驗室基本都是采用相應的硬件仿真設備來構建的，但由于嵌入式系統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備。虛擬實驗作為傳統實驗的重要。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虛擬實驗平臺的構建方案。
2、仿真軟件簡介
Proteus仿真軟件是一種功能強大的電子設計自動化軟件，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驗，模擬電子線路實驗、數字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統的實驗，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的目標是在通用的Linux和 Windows平臺實現一個純軟件模擬集成開發環境，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上可運行并進行源碼級調試Linux、uClinux、uC/OS-II操作系統和LwIP(一個著名的嵌入式TCP/IP實現)等系統軟件。并可對它們進行源碼級的分析和測試，同時了解ARM嵌入式CPU編程。
3、嵌入式系統虛擬實驗室架構
在上圖中，Proteus實驗室物理上位于其校園網內部的某一個局域網上，該局域網上的服務器上安裝Proteus和Skyeye服務器端軟件，操作系統為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、動態器件庫、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和開發板系列
目前SkyEye可以模擬的CPU主要是基于ARM內核的CPU，包括ARM7TDMI，ARM720T，ARM9TDMI，ARM9xx，ARM10xx，StrongARM，XScale等。目前SkyEye模擬的開發板包括基于Atmel 91X40/AT91RM92 CPU的開發板，基于Crirus Logic ep7312的開發板、基于StrongARM CPU的ADSBITSY開發板，基于XScale PXA250 CPU的LUBBOCK開發板、基于SAMSUNG S3C4510B/S3C44B0 CPU的開發板、基于SHARP LH7A400 CPU的開發板、基于Philip LPC22xx CPU的開發板等。主要模擬了對應各個開發板的串口、時鐘、RAM、ROM、LCD、網絡芯片等硬件外設。
4.2.2網絡芯片
目前SkyEye模擬了網絡芯片8019AS，其特點是：NE2000兼容，內建 16KRAM緩沖區，10MB傳輸速率。雖然目前模擬的開發板上不一定有網絡芯片8019AS，但我們可以在我們模擬的開發板上加上網絡芯片8019AS的模擬。這樣再加上在不同操作系統上的8019AS驅動程序，就可以方便地完成各種網絡應用的開發和設計。
4.3多層次的實驗內容
基于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仿真實驗，如串口通信、外部中斷、實時時鐘等微處理器應用系統的設計仿真和bootloader移植仿真。進一步，可以圍繞某一類型的MCU進行綜合性的課程設計或實驗，學生完成電路圖設計、軟硬件調試、系統調試以及PCB制作等整個過程。再有，借此實驗平臺，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，此時鼠標按下了數字健“6”。當鼠標按下其他的健時，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模擬整個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，系統軟硬件調試方便，圖形化的仿真結果非常直觀。另外，基于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，便于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單片機原理和以ARM為主的嵌入式
系統開發，它們知識架構是有淺入深的，proteus主要應用于單片機仿真設計而skyeye主要應用于ARM開發仿真。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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