基于STM32ZET6控制器的数字PDA系统的设计
0 引言
以cortex-m3为内核的处理器由于其低功耗以及低成本并且是32位处理器，越来越多的研究人员已经从51处理器、avr等处理器开始转移到这个领域。数字pda系统设计采用的是以cortex-m3的内核stm32zet6控制器，但是由于stm32zet6内部没有mmu，不能移植wince，linux等操作系统，故只能应用uclinux，μc／os-ⅱ等实时操作系统。传统的操作系统uclinux，μc／os-ⅱ在微控制器中移植后，应用程序就开始了与操作系统、以及硬件驱动之间的交互，一旦要添加新的应用程序或者对应用程序的更改，代码的修改量以及整个操作系统的稳定性都会收到影响。这时就需要一种新的机制，能够在保证系统稳定性的基础上快速设计应用程序，也正是基于这种思想，数字pda系统将实时操作系统、硬件驱动、fatfs进行统一的封装，并给出一种基于页的机制，每一页就是一个线程，利用μc／os-ⅱ操作系统进行任务间的切换，而应用程序只需要按照页的设计规则，进行应用程序页设计即可，设计最终证明是合理可靠的。
1 数字pda系统原理框图说明 数字pda系统的硬件电路部分由微控制器stm32f103zet6、16 mb nor flash存储器、液晶显示lcd控制电路、usb接口电路、vs1003b mp3解码芯片电路、2 gb misrosd卡接口电路、以及2．5～5 v电源电路组成。它的结构图如图1所示。
2 数字pda系统硬件电路设计
2．1 微处理器mcu 微处理器mcu采用stm32f103zet6 arm芯片，其特点是低功耗、价格低、具有丰富的外设资源如fsmc控制器、usb、多路spi和usart，并且有mdk编程手册，易于上手。
2．2 nor flash存储器 nor flash采用m29w128芯片，nor flash的作用是存储页面资源、gui资源、以及各种字库资源。数字pda系统硬件电路使用微控制器的fsmc控制器对m29w128 nor flash进行读写操作，主要是为了提高对m29w128读写速度。m29w128nor flash中的存储的数据，也可以通过从microsd卡中读取并进行存储。
2．3 tft液晶显示电路 数字pda系统硬件电路使用以hx8312为主控芯片的液晶控制电路和主控制器连接。主控制器和液晶控制电路之间的数据通信也使用主控制器的fsmc接口，目的是进行快速传输数据，避免液晶显示刷屏现象的产生。
2．4 vs1003音频解码电路 vs1003是音频解码芯片，它支持mpeg1和mpeg2，wma，midi，mp3解码，同时支持ima adpcm(单声道)、麦克风和线入等编码，vs1003具有一个高性能低功耗的dsp处理器核vs_dsp，0．5 kb数据ram。数字pda系统使用vs1003音频解码芯片，实现pda的音乐mp3的播放功能。
2．5 usb接口电路和microsd卡接口电路 stm32微控制器具有1个usb接口，该usb接口主要实现数字系统pda在和pc机连接时的usb通信，当然也能为数字系统pda系统供电。micro sd实现了数字pda系统的大容量数据的存储。
2．6 pda内部usb转串口电路 pl2303遵循usb协议，并且支持到rs 232的转换。pda数字系统通过pl2303电路实现主控制器的串口和pc之间的串口通信，这个电路主要用于系统调试。
2．7 电源电路 电源电路包括锂电、5 v外接电源滤波电路、5 v转3．3 v、3．3 v转2．8 v、3．3 v转2．5 v五个电路，它们主要负责分别给主控制器、解码芯片、sd、norflash提供电源。
3 数字pda系统软件系统设计 3．1 软件系统总体介绍 相比较硬件电路来说，硬件电路一旦确定并且电路正确，基本上没有大的变化，而软件部分则会出现非常大变化，因为应用的程序是多种多样的。但是stm32微控制器没有像pc处理器那样含有mmu，不能运行linux和wince操作系统，但是在很多情况下，pda数字系统是要实现多任务操作的，或者说多线程操作，所以在这种条件下，pda数字系统采选用μc／os-ⅱ进行多任务之间根据优先级别的调度，而应用程序又是基于操作系统和硬件的，为了提高操作系统的稳定性和减少在数字pda添加应用程序时代码的修改了，所以数字pda系统将操作系统、gui、硬件驱动程序、文件系统fatfs进行整合，采用一种页机制，每一页就是指一个tft lcd显示的页，每一页就是一个线程，当页切换时，底层操作系统就实现任务的切换。
3．2 fatfs文件系统的移植 由于pda数字系统使用sd卡作为大容量数据的存储，虽然主控制器stm32含有sdio接口，硬件驱动程序只要进行相应的配置就能实现sd的读写操作，但是这种操作时基于扇区的，而上层应用程序操作的是文件，所以必须移植文件系统。移植步骤就是将sd的读写扇区函数和文件系统的底层接口函数想关联。数字pda系统使用fatfs文件系统，当然也可以使用fat32文件系统，fatfs文件系统中diskio．c中提供五个接口函数，如图2所示。
将microsd卡驱动函数的sd扇区读函数、扇区写函数、以及sd初始化的函数和图中的disk_read，disk_write，disk_initialize进行对接，当让还要在fatfs文件系统中数据类型integer．h中包含stm32f10x．h以及将integer．h中的数据类型进行更改，只需要更改文件系统中bool类型数据和stm32f10x．h中的bool类型一致即可，文件系统就移植完了。移植了fatfs文件系统后，数字pda系统在读取sd卡时，就可以按照大家常用的文件格式进行读取数据。
3．3 μc／os-ⅱ实时操作系统的移植 μc／os-ⅱ为pda数字系统的操作系统提供多线程操作，任务的调度。由于系统需要多线程的调度，需要为数字pda系统移植μc／os-ⅱ。数字pda系统使用信号量和邮箱机制进行多任务的调度。μc／os-ⅱ是用标准c语言和汇编语言来写的，只有与微处理器相关的是由汇编指令写的，所以在stm32f103zet6上中移植μc／os-ⅱ实时操作系统，只需要更改或者重写处理器相关文件os_cpu．h和os_cpu_c．c，汇编文件os_cpu-a．asm，系统配置文件os_cfg．h。
3．4 硬件驱动程序 数字pda系统在调用微控制器的各种外设接口资源、以及各种硬件资源时需要调用这些硬件资源的驱动程序。数字pda系统的硬件驱动程序由串口打印输出驱动程序、sd卡驱动程序、vs1003b硬件驱动程序、tft lcd液晶显示器驱动程序、3个spi串行通信口的驱动程序、nor flash和stm32 fsmc接口驱动程序、触摸屏tsc2046驱动程序组成。以上的驱动程序保证了各个模块硬件资源的正常工作。作为最底层驱动程序，这些程序保证了整个数字pda系统能够实现各种应用程序。
3．5 页与gui图形界面接口 数字pda系统要在tft lcd液晶显示器中的进行图形界面的显示，需要gui的支持，数字pda系统采gui设计没有移植ucgui，而是根据液晶控制器重写的gui，由于stm32f103zet6微控制器的时钟为72 mhz，这样写的好处在于提高液晶页面显示的速度，减少刷屏现象的产生，提高pda液晶画面显示的质量。
数字pda系统将以上的所有软件进行了整合，将液晶屏显示一个页作为一个线程，页面进行切换就实现了任务的切换，任务的切换由操作系统实现。通过页机制的框架，在应用程序进行修改或者添加新的应用程序时，减少了代码的修改量，保证系统的稳定性。
数字pda系统启动后就进入主页线程，操作系统系统根据硬件中断和信号量邮箱机制，进行也切换，页切换的时候，会调用文件系统或者硬件驱动程序，这就是pda系统的工作原理。
4 结语 数字pda设计是在硬件电路设计上移植文件系统、操作系统上完成的，整个系统不仅要求硬件电路的兼容正确，同时也要求fatfs文件系统和μc／os-ⅱ操作系统的移植正确，整个系统基于页的机制进行任务切换，经过实际证明页机制可以进行快速严谨的应用程序开发。
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2 数字pda系统硬件电路设计
2．1 微处理器mcu 微处理器mcu采用stm32f103zet6 arm芯片，其特点是低功耗、价格低、具有丰富的外设资源如fsmc控制器、usb、多路spi和usart，并且有mdk编程手册，易于上手。
2．2 nor flash存储器 nor flash采用m29w128芯片，nor flash的作用是存储页面资源、gui资源、以及各种字库资源。数字pda系统硬件电路使用微控制器的fsmc控制器对m29w128 nor flash进行读写操作，主要是为了提高对m29w128读写速度。m29w128nor flash中的存储的数据，也可以通过从microsd卡中读取并进行存储。
2．3 tft液晶显示电路 数字pda系统硬件电路使用以hx8312为主控芯片的液晶控制电路和主控制器连接。主控制器和液晶控制电路之间的数据通信也使用主控制器的fsmc接口，目的是进行快速传输数据，避免液晶显示刷屏现象的产生。
2．4 vs1003音频解码电路 vs1003是音频解码芯片，它支持mpeg1和mpeg2，wma，midi，mp3解码，同时支持ima adpcm(单声道)、麦克风和线入等编码，vs1003具有一个高性能低功耗的dsp处理器核vs_dsp，0．5 kb数据ram。数字pda系统使用vs1003音频解码芯片，实现pda的音乐mp3的播放功能。
2．5 usb接口电路和microsd卡接口电路 stm32微控制器具有1个usb接口，该usb接口主要实现数字系统pda在和pc机连接时的usb通信，当然也能为数字系统pda系统供电。micro sd实现了数字pda系统的大容量数据的存储。
2．6 pda内部usb转串口电路 pl2303遵循usb协议，并且支持到rs 232的转换。pda数字系统通过pl2303电路实现主控制器的串口和pc之间的串口通信，这个电路主要用于系统调试。
2．7 电源电路 电源电路包括锂电、5 v外接电源滤波电路、5 v转3．3 v、3．3 v转2．8 v、3．3 v转2．5 v五个电路，它们主要负责分别给主控制器、解码芯片、sd、norflash提供电源。
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3．2 fatfs文件系统的移植 由于pda数字系统使用sd卡作为大容量数据的存储，虽然主控制器stm32含有sdio接口，硬件驱动程序只要进行相应的配置就能实现sd的读写操作，但是这种操作时基于扇区的，而上层应用程序操作的是文件，所以必须移植文件系统。移植步骤就是将sd的读写扇区函数和文件系统的底层接口函数想关联。数字pda系统使用fatfs文件系统，当然也可以使用fat32文件系统，fatfs文件系统中diskio．c中提供五个接口函数，如图2所示。
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数字pda系统启动后就进入主页线程，操作系统系统根据硬件中断和信号量邮箱机制，进行也切换，页切换的时候，会调用文件系统或者硬件驱动程序，这就是pda系统的工作原理。
4 结语 数字pda设计是在硬件电路设计上移植文件系统、操作系统上完成的，整个系统不仅要求硬件电路的兼容正确，同时也要求fatfs文件系统和μc／os-ⅱ操作系统的移植正确，整个系统基于页的机制进行任务切换，经过实际证明页机制可以进行快速严谨的应用程序开发。
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