嵌入式的LED点阵显示屏的研究与实现

技术的进步推动着人类对需求的不断提高，人类对需求的提高又不断促进

着技术的进步。沿着需求和技术发展的方向，本文把嵌入式和CPLD技术引入

到点阵显示项目中，以此实现功能多样、系统强壮、维护方便、面向网络的新

型LED点阵显示系统。

嵌入式—后CP时代[l9]

二十世纪末，计算机迈入了后PC时代。后PC时代的到来，使得人们开

始越来越多地接触到一个新的概念—嵌入式产品。像手机、PDA(如商务通等)均属于手持的嵌入式产品，VCD机、机顶盒等属于嵌入式产品，而像车

载GPS系统、数控机床、网络冰箱等同样都采用嵌入式系统。形式多样的数

字化设备正努力把htie二et连接到人们生活各个角落。

在中国，随着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可控性提出了更高

的要求;这些只能通过家电的数字化和网络化来实现:随着电话通信费用和通

信类电子产品的价格进一步下调，PDA结合数字手机将成为今后个人数据通

信和事务处理的最佳选择;同时，对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也

需要有专用的嵌入式系统软件的支持。这些需求都极大地刺激了嵌入式系统的

发展和产业化的进程。如果说PC机的发展带动了微机硬件和整个桌面软件的

发展，那么数字化产品的广泛普及必将为嵌入式软/硬件产业的蓬勃发展提供

无穷的推动力。

嵌入式系统的定义与特点

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，

适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机

系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的

应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理

器/微处理器、存储器及外设器件和1/0端口、图形控制器等。软件部分包括操

作系统软件(05)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。有时设计人员

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把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为;而操作系统控

制着应用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点:

)l嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPu，与通用型的最大不同

就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功

耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集

成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，

跟网络的藕合也越来越紧密。

2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行

业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金

密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

3)嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，

力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的

选择更具有竞争力。

4)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体

产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

5)为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在

存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

6)嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也

是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开

发。

2嵌入式系统的技术发展

1.嵌入式始于微型机时代

电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终

是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，

微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计

算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房;基于高速数值解算能力

的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌

入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电

气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾

驶仪或轮机状态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计

算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对

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象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生

于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系

中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。

2.现代计算机技术的两大分支

由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控

制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通

用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算;技术发展方向是总线速度

的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象

的智能化控制能力;技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能

力与控制的可靠性。

早期，人们将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。

然而，对于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元……)，无法

嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全

不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成

了现代计算机技术发展的两大分支。

如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式

计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系

统两大分支并行发展时代，从而导致20世纪末，计算机的高速发展时期。

3.嵌入式系统的两种应用模式

嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机

的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研

究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式必须具备对象领域的

专业知识。

)l嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单

片机时代。在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领

域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机

专业队伍并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己

习惯性的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的

特点是:软、硬件的底层性和随意性;对象系统专业技术的密切相关性;缺少

计算机工程设计方法。

2)虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后Pc

时代的到来，网络、通信技术得以发展;同时，嵌入式系统软、硬件技术有了

很大的提升，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机

专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，

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即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。

这两种应用模式将并存、互补。由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应

用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍

为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系

统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。

另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但介于对象专

业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，

不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。

2CPLD技术〔2，][26]L271〔29，〔3”〔32，

2.1可编程的发展历史

在当今社会数字产品急速发展的同时，数字集成电路本身也在不断地进行

更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小规模集成电路、中规模的集成电路、

大规模的集成电路发展到超大规模的集成电路以及许多具有特定功能的专用

集成电路。随着微电子技术的发展，设计和制造集成电路的任务已不完全由半

导体厂商来独立承担。系统设计人员更愿意自己设计专用的集成电路(Aslc)

芯片，而且希望ASIC设计的周期尽可能短，最好在实验室里能设计出合适的

ASIC芯片，并立即投入使用之中，其中应用最广泛的当属复杂可编程逻辑器

件(CPLD)和现场可编程门阵列F(PGA)。

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器P(ROM)、紫外光可擦除

只读存储器(EPROM)和电擦除只读存储器E(ZPROM)三种。由于结构的限制，

他们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍微复杂的可编

程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的

PLD是由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑可以用

“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积的形式完成大量的组合逻辑功

能。这一阶段的产品主要有PAL和GAL。PAL由一个可编程的“与”平面与

一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被设置为寄

存器状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM

技术和EEPROM技术等。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵

列P(LA)，它也是由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面

的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，有掩膜可编程的。在

队L的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑(GAL，GneerciArryaLgoic)，它447