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�；A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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