外文翻译-基于嵌入式 Linux 的数控雕刻机的软件架构设计

XX 工 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译 学 院：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：外文出处：IEEE(用外文写)Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August 9 - 12, Changchun, China附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。指导教师评语：年月日签名： 注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文基于嵌入式 Linux 的数控雕刻机的软件架构设计 赵军奇 李辉和龙飞鹏 航天和航空研究所 航天和航空研究所中国电子科技大学 中国电子科技大学610054，中国四川省成都市 610054，中国四川省成都市 kelly.li 126.com 摘要 - 嵌入式系统已经被广泛应用在工业控制等诸多领域。随着嵌入式应用系统的规模和复杂性不断提高，嵌入式软件系统正变得越来越复杂。对与一个特殊的控制对象来说，设计合适的嵌入式软件架构是尤其重要的。同时，NC（数控）雕刻机的各种功能和非功能需求的不断提高。目前，大多数的软件架构的数控雕刻机即没有操作系统的支持，也无法满足这些要求。虽然一些有商业操作系统的支持的雕刻控制系统，但是它是昂贵的，而且也不利于企业发展具有自主知识产权的软件。为了解决上述问题，文件中基于嵌入式Linux和DARTS方法的新软件架构数控雕刻机被设计出来。首先是数据流图系统的数据流分析，然后系统根据H Gamma原理被划分成不同的任务。此外，软件架构被提出，还分析了任务间的同步和通信性。最后，进行了实时分析。使用这种软件架构，软件系统变得简单明了，不同的控制元件，根据不同的时间粒度可以无缝集成。通过实际应用，它被证明可以实现低成本的数控雕刻系统的各种要求。也大大提高了系统的灵活性和适应性。索引术语-ARM 嵌入式 Linux 雕刻 FPGA软件架构一、简介随着规模和复杂性的嵌入式的软件系统增加，软件架构的重要性已经超越算法和数据结构的计算。设计并指定系统总体结构出现了一种新的问题 1。好的体系结构可以帮助确保系统满足关键性能的要求同时，也能满足可靠性、可移植性、可扩展性、领域和互操作性。坏的体系结构可以是灾难性的。架构设计是从系统点视图到整体系统的高层次设计。不同专家对软件体系结构有他们自己的定义。毕竟，在不同的领域和环境中它是一个解决实际问题的工具，因此各类建筑模型或定义已发布。虽然不同的定义有所不同，我们可以看到系统的体系结构描述其总的结构的概念的核心之处有很大程度的通用性。这种结构通过了最高水平设计决策，包括诸如系统是由如何相互作用，相互作用的主要途径在那里，什么是关键性能的部件。关键的一步，建筑设计是分到一些管理子系统和子系统之间的接口设计。软件架构设计不仅应考虑如何满足系统的功能和性能要求，而且也要满足无功能方面的需求，如可靠性，可扩展性，可移植性和可用性。也有不统一方法的软件架构，尤其是在嵌入式系统中。被称为嵌入式Linux标准Linux裁缝通过小型化处理，并可以存储在非易失性存储器或微控制器的容量只有几百KB或者几MB。它是一个特殊的Linux操作系统，适用于特定的嵌入式系统2。Linux已经成为一个成熟的，高性能，稳定可靠，可替代传统的专有嵌入式操作系统3 。Linux不仅拥有适应性，灵活性和稳定性，而且还具有强网络功能。此外，Linux是一种免费软件开放源码4 。目前，大多数的数控软件架构雕刻机是没有操作系统的支持和不能以满足不同的需求。这些架构具有结构简单，但软件开发周期长，开发成本是昂贵的，软件的质量不能保证以及可移植性和可扩展较差。虽然一些与商业嵌入式操作系统如Windows CE的数控雕刻系统，系统生产成本高，还有昂贵的专利费。因此，它不是良好的企业发展与独立软件知识产权。但是如果一个嵌入式Linux使用开源操作系统，生产成本可以减少因为没有许可费是必要的，交叉开发工具链，也是免费的。此外，有等诸多优点，如缩短开发时间又因为开源设备驱动程序和可重复使用应用程序，方便的开发环境配置模块的功能，文件系统管理和容易解决的问题，从开源社区等5。在以上的基础上，企业可以开发具有自主知识产权的数控软件财产权利和其他各项要求，也可以是满意。嵌入式Linux已成为当前在嵌入式系统的研究重点。二、硬件模型模型是对现实的抽象，它可以明确对现实的描述。为了获得雕刻控制系统模型，系统的主要硬件部分抽象为图1数控雕刻控制器的硬件与建筑的ARM和FPGA（现场可编程门阵列）。控制器的主控芯片采用32位RISC（精简指令集计算机）ARM三星公司的微处理器芯片S3C2440的基于ARM920T的结构。 它具有很高的工作效率400MHz和多种通用接口，如综合，集成USB，UART串口CEMERA，液晶，VGA和以太网控制器等。此外，提供片上存储器管理单元（MMU），这是用来实现虚拟内存管理，使Linux可以很容易地移植到ARM 。Alter 公司旋风 FPGA EPlC6 通过作为减轻负担的主控芯片的奴隶芯片。NAND Flash 内存用于非易失性的程序和数据存储。主存储器是同步动态随机存取存储器 (SDRAM) 和可能包含任意位置从几Mb到数百兆字节取决于应用程序。主要处理流系统的说明如下： 键控控制面板信息通过串行端口发送到手臂。臂然后过程和相应的控制数据发送到 FPGA 或显示面板。FPGA 主要做前端处理工作的传感器和控制信息 6。发送的 FPGA 的信号都是转换，并且由适配器孤立面板，然后发送到的驱动程序，将会推动的步进电机的雕刻机，以控制切削刀具路径。若要实现归巢的雕刻和工具更改的功能，将通过适配器泛 FPGA 回饲料的雕刻机传感器信号总之，建立在嵌入式技术上的控制器可以减少系统硬件规模、 促进应用程序开发、 减低成本和提高系统的可靠性和实时性能。三、任务划分数据流图（DFD）是一个重要的辅助设计工具在系统的开发，它允许开发人员系统以图形显示系统中的数据流。DFD的描述和分析系统比任何更精确其他神器，特别是嵌入式实时建模7。最终的数据流图的雕刻机系统（如图所示2）任务表示顺序程序执行或在并发程序的顺序部分。每个任务一个顺序执行的线程处理，因此没有并发允许范围内的任务。然而，整个系统并发是获得有多个任务的执行并行。已经DFD的系统分解初步分析。该系统的数据流显然是透露，因此，系统和数据流之间的功能他们可以能够识别方便。下一步是如何识别应用系统中的并发任务任务结构标准的DFD。在这里，飞镖（实时系统设计方法）方法被用来分解成更小，更易于管理的系统单位与它们之间定义良好的接口。其核心主题是解决构建系统的关键环节到并发任务，并定义它们之间的接口。飞镖采用了一套任务结构标准，这被称为H Gomma原则确定并发任务系统，以及一组确定的指导方针通信和同步接口之间各项任务。任务结构标准，是一套启发式，并发系统的设计中得到的经验所得。在确定的任务主要考虑的是系统内的功能的异步性质。在H Gomma原则分为三个单独的基于他们协助在任务中的使用方式的类别构建活动。首先是事件的依赖标准。事件依赖关系准则处理任务时被激活，包括设备的I/O依赖形成的Y，定期事件，控制功能和用户界面的依赖等。第二是任务凝聚力锡安标准。该的凝聚力锡安标准提供的评估函数的异步性质的手段，从而为确定是否和/或如何的职能应到并发任务，其中包括连续的凝聚力，时空的凝聚力和功能的凝聚力相结合的基础上。第三是任务的优先级标准，包括时间关键和计算密集型8。要实现这个目标的系统构建到并发任务中，构建 H Gamma原则弧数据流图中所示的函数的应用标准的任务。基于这些条件，雕刻软件系统可分为七个部分的弧，如下所示 （即在图 2 中的虚线帧）。（a) 用户界面任务： 要显示与坐标如用户交互信息，零件原点和过程进展以及其他状态信息等。(b) 键盘处理任务： 要从控制面板，如选择文件、 系统设置或参数设置、 手动移动等接收控制命令，然后进行相应的处理。(c) 文件处理任务： 从 U 盘中读取文件，然后解释的 G 代码或 HPGL 代码处理文件。结果将存储在缓冲区中。(d) 数据处理任务： 从缓冲区读取的数据并处理它通过控制厂内 thm，如治疗小行块 (法官大 S) 的加速和减速控制，插值处理。(e) 中断服务任务： 时手臂从 FPGA 收到中断信号发送 FPGA 的步进电机控制脉冲。(f) 扩展总结离子任务： 实现一些扩展功能。这些功能包括更新程序控制、 遥控电子控制、网络管理和工具等，运动的模拟。（g）FPGA 处理任务： 实施实时功能，例如，将控制脉冲发送到的步进电机进行识别，接收和处理传感器信号等。任务 (a)-(f) 在因为ARM中实现其强大的计算能力。(G) 的任务实现的FPGA 由于其实时处理的能力。四、结构设计A.软件体系结构软件架构通常起着关键作用，要求和实施之间的桥梁。基于嵌入式Linux的数控雕刻机控制器的软件结构如图3，每个架构的一部分，也被描述如下。BSP （板级支持包）是一个软件开发包之间的硬件层和软件层。它用于弥补硬件的差异，引导操作系统，并提供设备驱动程序。这是一个关键内含的编辑操作系统和硬件之间的接口。嵌入式Linux内核的版本是2.6，许多新的功能已被添加到支持宽嵌入式系统的申请表格离子。它可以定制和移植基于ARM，以满足我们的特殊要求数控雕刻系统。同时，使用嵌入式Linux可以简化系统设计。复杂申请一些简单的任务，这是程序可分为嵌入式Linux管理。基于嵌入式Linux内核，根文件系统与选定嵌入式图形用户界面(GUI)该系统的要求。系统管理接口也由嵌入式 Linux 支持。YAFFS的（另一个闪存文件系统）是采用根文件系统，这也是一种日志结构文件系统像JFFS/JFFS2。它是专为NAND Flash和适合大容量存储设备。YAFFS的，因此设计不仅要适应NAND快闪记忆体的功能，但也是为了更好地使用NAND快闪记忆体的优势，以达到最佳性能。它使用的日志结构，错误查修正和技术，以提高NAND闪存的健壮性。YAFFS的来临，使得低成本的NAND闪存芯片的影响伊夫和鲁棒性。YAFFS的是高度可移植，可在Linux上运行。Qt/Embedded是著名的商业嵌入式GUI工具，具有巨大的跨平台能力，可以很方便在目前流行的操作系统，如嵌入式Linux的应用。阙可以直接与I/O设备进行通信。此外，其面向对象的系统架构，使得其代码结构化，重用和运行快。阙支持相框缓冲驱动器，可以直接写入帧缓冲不X-服务器或支持的X库。以这种方式，这样可以节省内存成本和提高应用程序的运行效率9。考虑优点上面提一下，本文采用它作为嵌入式轻量级的GUI组件库的基本构造工具面向工业监控。提到的部分所提供的服务的基础上上面的数控雕刻（除了在应用程序任务FPGA 处理任务）的胳膊上的开发。在 FPGA处理任务将由 FPGA 单独开发开发工具。软件系统是简单而明确的分层体系结构设计，避免整体系统的太大、太复杂。此外的优势分层体系结构：不同控制组件基于不同时间可以集成粒度无缝地，同时它可以轻松同步低级别的连续动态之间的协调系统和高水平的离散事件系统 10。B.任务界面FIFO缓冲区或共享的内存可以用来任务之间进行通信。通过访问的内存多个任务，访问程序都必须与其他同步数据的访问。这种纸使用文件处理任务之间进行通信的共享的内存和达达处理的任务，并通过生产者-消费者问题解决同步问题的算法。文件表示为生产者，而数据处理任务处理任务被表示为消费者。生产商过程产生数据所使用的消费者过程。允许生产者和消费者的进程运行同时，我们必须有一个可用的有界的缓冲区的可以填充由生产者并清空的项目，消费者。此缓冲区将驻留在内存中的一个区域，由生产国和消费进程共享。生产商可以生成一个项目时，消费者会消耗另一个项目。可能会导致对共享数据的并发访问数据不一致。生产者和消费者必须同步，因此，消费者不会尝试使用项目，但尚未产生。为了解决同步过程中，将使用信号量。对于本项目，统计信号量的标准将用于空和完整，而不是二进制的信号量，将使用互斥锁代表互斥体。生产者和消费者的身份运行单独的线程-将移动项目，并从该缓冲区的与这些空，同步全额、 和互斥体结构.允许生产者和消费者的进程运行同时，我们必须有一个可用的有界的缓冲区的可以填充由生产者并清空的项目，消费者。此缓冲区将驻留在内存中的一个区域，由生产国和消费进程共享。生产商可以生成一个项目时，消费者会消耗另一个项目。可能会导致对共享数据的并发访问数据不一致。生产者和消费者必须同步，因此，消费者不会尝试使用项目，但尚未产生11。为了解决同步过程中，将使用信号量。对于本项目，统计信号量的标准将用于空和完整，而不是二进制的信号量，将使用互斥锁代表互斥体。生产者和消费者的身份运行单独的线程-将移动项目，并从该缓冲区的与这些空，同步全额、 和互斥体结构。FIFO，使得模块内的设计解耦。FIFO界面很简单，减少设计时间。FIFO 很少是瓶颈，以来的宽度和深度可以调整和非常适合连接自定义直接向嵌入式处理器，硬件和简单一个短的设计周期和小代码的大小与实施12。 乒乓球操作中引入异步 FIFO 的设计，以使 FPGA 和手臂实现无缝的缓冲和高速数据处理流，以确保 FPGA 的流水处理。显示了典型的乒乓球操作方法如图 5 13。数据缓冲区模块1数据缓冲区模块2输入的数据选择器单元2MUX1输出的数据选择器单元2MUX1数据处理模块作为后面的 FPGA乒乓球操作的处理流程是： 从ARM的输入的数据首先分配给数据缓冲模块我通过输入数据选择器单元，然后在下一次切换时，将缓冲输入的数据在数据缓冲模块 2。同时，数据缓冲在数据缓冲模块我最后一次被发送到数据处理模块处理通过输出数据单位。在第三个时，输入和输出数据交换了又两个数据缓冲区模块。提到的步骤以上将反复和重复。数据缓冲区模块在我们的系统是先进先出。数据选择器的的开关信号单位是由 FPGA的发送中断信号，当需要在数据。这意味着当数据缓冲中的两个之一已处理的数据缓冲区的模块，然后将发送 FPGA ARM 的外部中断信号。因此，手臂将发送数据以 FPGA 的中断服务程序。FPGA将缓冲区在此数据缓冲区模块，接收的数据。与此同时，数据处理模块仍可处理其他数据缓冲区模块中的数据。乒乓球操作促进系统的并发性。用来达到相同的效果，对于其他任务的另一种方式是通过消息队列，这是为操作系统提供协作进程手段，彼此沟通，如图 6 中所示。消息消息发送消息接收消息消息队列消息队列提供了一种机制，允许进程沟通和同步他们的行动，而不共享相同的地址空间和中尤其有用分布式的环境中，沟通流程可能驻留在不同的计算机上。消息队列设施提供至少两个操作，发送 （消息） 和接收 （消息）。在 Linux 系统中，函数用于创建消息队列，功能用于发送使用消息队列和 接收的消息） 函数从消息队列中接收消息。当任务发送消息到消息队列，它首先判断这是否消息队列是完全不是。如果队列已满，则任务会一直等待，直到其他任务得到了来自消息消息队列。同样地，当任务接收从消息消息队列，它首先判断是否该消息队列为空。如果消息队列为空，则该任务会一直等待，直到其他任务已发送消息消息队列。消息队列有五种工作模式，其中分别是一对一，一到多、 多对一，很多人为许多和充分的双面打印。可以是不同的工作模式选择了不同的通信要求基于之间的任务。五、实时分析任务可以是作为实时任务分类和非实时根据不同的实时请求的任务。雕刻机有三个耦合生成 XYZ 步进电机运动，每个电机已接收两个控制其驱动程序发出信号，其中一个是脉冲和另一种是方向。它也有三限制传感器，以确定轴的赛车终结点。FPGA 的实时任务，例如，这样做主要负责的是前端处理工作的传感器和控制信息。所以，我们的系统中的实时任务是 FPGA 加工(非常高速 vhdl 描述的任务，综合的电路硬件描述语言）。FPGA 是直接连接到手臂内存总线。它们之间的通信通过阅读来实施和书面运输指令和数据的内存地址。系统为用户使用 10 内存映射方法操作 FPGA 的空间。除了地址总线、 数据总线和控制信号线，也是一个外部中断信号从 FPGA 相连的手臂。为了得到顺利操作和效率，关键的问题在于是否 FPGA 可以不断将控制信号发送到驱动程序。那就是，无论是否FPGA 是缺乏控制信号。如果在这一条件，步进电机将被阻止。要解决这个问题，乒乓球操作被通过 FPGA 来处理数据。所以，之后 FPGA 已经处理了其中一个问题被转换为，数据缓冲区模块，手臂 ISR 是否可以响应正被其它数据缓冲区模块期间中断信号处理。条件进行分析可以 FPGA 等多久通过使用数据缓冲区的 Linux 中断响应延迟在最坏的情况下的模块。曾经的影响因素在我们的系统了。相关的参数显示如下： 雕刻，这表示为 v 的速度单位是米/分钟 ；FPGA 中的数据大小的缓冲区模块表示为 n ；步进发送脉冲的频率电机被表示为 f，哪一个单元是 Hz ；脉搏相当于表示为 （5 ； FPGA 可以在的时间至少等待中断响应延迟表示为T，其单位是它们之间的关系显示如下。v = f o (mm / s) = 0.06 f o(m / min) (I)脉冲当量 （在此雕刻机 5 是0.0025 毫米。 这样我们能(3) 绘制表格如图，如图中所示，我们可以知道 FPGA 可以等待ARM 中断响应延迟为 n 的增加较多的时间。当参数 n 固定时时间 T 是迅速作为雕刻 v 增加的速度下降。虽然T 的时间被固定的为了提高雕刻速度，数据缓冲区 n 的大小应较大。T 的时间