（地球探测与信息技术专业论文）频域激电相干检测嵌入式系统研究.pdf

摘要 嵌入式系统被誉为“后p c ”时代的新秀。嵌入式系统具有功能强、 实时性强、结构紧凑、可靠性高和低功耗等特点，目前，嵌入式系统 已经广泛地应用到了我们生活的许多方面。 激发极化法( 激电法) 是找矿效果最好的电法勘探方法之一，人 们对它的研究一直没有间断过，尤其集中在观测系统的设计和激电法 原理和应用方面的研究。三频激电观测系统是在双频激电观测系统的 基础上发展起来的一种新的激电观测系统，它具有抗干扰能力强，分 辨率高，勘探深度大，抗耦，区分异常能力等特点。论文就是基于该 观测系统进行嵌入式系统的进一步研究。 论文的工作是围绕频域激电相干检测嵌入式系统的设计而展开 的。首先介绍了嵌入式系统的原理及应用，然后介绍了嵌入式操作系 统的一些基本知识。论文重点在于如何用嵌入式计算机完成精密相干 检测仪嵌入式系统的构建，论文中从硬件系统的设计和软件的编程两 个方面对该嵌入式系统的实现做了详细的论述。设计完成后的精密相 干检测仪嵌入式系统具有功耗低，体积小，观测精度高，功能扩展性 强、可作为开发平台等特点。 本文成功的实现了精密相干检测嵌入式系统的设计，这种开发模 式的探索对于其它激电仪器的研制也具有借鉴意义。 关键词频域激电，相干检测，嵌入式系统，嵌入式操作系统 a b s t r a c t i nt h ee r ao f “p o s t - p c ”，e m b e d d e ds y s t e mi sr e g a r d e d 鹪an e w r e p r e s e n t a t i o n w i t hi t sq u a l i t i e so fs t r o n gf u n c t i o n s ，s t r o n gr e a lt i m e ， c o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ， n o w a d a y se m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d ea p p l i e dt om a n yf i e l d so f o u r l i v e s i n d u c e dp o l a r i z a t i o nm e t h o d ( i p m ) i so n eo ft h em o s te f f e c t i v e m e t h o d si ne f f e c t i v ep r o s p e c t i n gm e t h o d sa n di sd e v e l o p e dt i l ln o w t h e d e v e l o p m e n ti ss p e c i a l l yf o c u s e d o nt h ed e s i g no f o b s e r v a t i o ns y s t e ma n d t h e o r ya n da p p l i c a t i o no fi p m t h et d _ 仔e q u e n c yi n d u c e dp o l a r i z a t i o n o b s e r v a t i o n s y s t e m ( t f i p o s ) ，d e v e l o p e d f r o md o u b l e j r e q u e n c y i n d u c e dp o l a r i z a t i o no b s e r v a t i o ns y s t e m ，i san e wi n d u c e dp o l a r i z a t i o n o b s e r v a t i o ns y s t e m i tc h a r a c t e r i z e sw i t hs t r o n ga n t ii n t e r f e r e n c ep o w e r , s t r o n gr e s o l u t i o np o w e r , h i g h e rp r o s p e c td e p t h ，a n t ic o m p l e xc o u p l i n g a n d a b i l i t yo fd i s t i n g u i s h i n ga b n o r m i t y w ed e s i g ne m b e d d e ds y s t e mo n t h eb a s i so f t f i p o sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri sd e v e l o p e da r o u n d t h ed e s i g n i n go f t h ee m b e d d e ds y s t e m o ff i e q u e n c yd o m a i ni n d u c e dp o l a r i z a t i o nc o h e r e n c ed e t e c t i o n a tt h e f i r s t , i td i s c u s s e st h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ，t h e nt h e b a s i ck n o w l e d g eo fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d t h ep a p e r e m p h a s i s o nh o wt oc o m p l e t ed e s i g n i n gt h ep r e c i s i o nc o h e r e n c ed e t e c t i o n i n s t r u m e n te m b e d d e ds y s t e m ( p c d i e s ) w i mt h ee m b e d d e dc o m p u t e r i ti s d i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e ro nt w os i d e s ：o n ei st h ed e s i g n i n go f h a r d w a r es y s t e m , t h eo t h e ri st h ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r e a r e r f i n i s h i n gd e s i g n i n g ，t h e p c d i e sh a sm a n yf e a t h e r s ：l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , l e s ss i z e ，h i g h e ro b s e r v a t i o np r e c i s i o n , s t r o n ga b i l i t yo f f u n c t i o ne x t e n d e da n de n a b l et ou s e df o rd e v e l o p i n gp l a t f o r m t l l i sp a p e rs u c c e s s f u l l yd e s i g n st h ep r e c i s i o nc o h e r e n c ed e t e c t i o n e m b e d d e ds y s t e m , i t sq u e s tf o rd e v e l o p m e n tm o d e lh a st h em e a n i n go f b e i n gu s e df o rr e f e r e n c ei nt h ed e v e l o p m e n to fo t h e ri n d u c e dp o l a r i z a t i o n i n s t r u m e n t sa sw e l l k e yw o r d s f r e q u e n c yd o m a i ni n d u c e dp o l a r i z a t i o n , c o h e r e n c e j l d e t e c t i o n , e m b e d d e ds y s t e m , e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m i | l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 频域激电相干检测嵌入式系统研究背景与意义 激发极化法【l l ( 激电法) 是5 0 年代末6 0 年代初，在我国开始试验研究和推 广的。实践证明，它是应用最广和效果最好的电法勘探方法1 2 j 之一早期以直流 ( 时间域) 为主。7 0 年代初开始推广交流( 频率域) 激电法，主要是变频法 3 1 。 中南工业大学研究者们提出的双频激电法 4 1 是对变频法的发展，随后又发展了伪 随机三频电磁法1 5 】，他们对这些方法既进行了理论研究，研制了相应仪器，还进 行了成功的应用和大面积的推广 6 1 。 长期以来，激电异常的评价与识别以及分离激电与电磁耦合效应一直是困扰 物探工作者的两大难题1 2 l 。例如在激电法寻找硫化矿时就存在两类干扰源：一类 是非矿地质干扰体，如碳质片岩干扰和地下含水层的干扰：另一类就是人文的干 扰，如矿山工业强用电的干扰，这使得在强干扰区进行找矿显得十分困难。同时， 由于在频率域激电中电磁耦合效应也比较突出，严重时会影响到数据的采集与激 电异常的解释。 为解决这些i 母题，中南大学( 原中南工业大学) 物探所进行了长期的探索研 究，并取得了一些有意义的成果，提出了区分矿与非矿的新思路1 7 l 【s j 。他们将精 密相干检测的瞬时数据采集系统【9 】应用到三频激电法中，研制出来的i p 3 相幅 精密相干检测仪具有抗干扰能力强、精度高、勘探深度大、可区分非矿异常等优 点，成功地应用到了找矿和找水的项目中。 加上近年来随着地表矿多被发现，物探工作正面临寻找深部隐伏矿床的任 务；而且找矿任务多在地形条件比较恶劣的高寒偏远山区，这就对物探仪器的性 能提出了更高的要求。如何进一步提高系统的观测精度、改善仪器的整体性能、 增强其稳定性、同时减小仪器的体积和重量以更加适应野外工作，这都是我们设 计仪器要考虑的。根据精密相干检测仪自身的特点，我们在前人研究的基础上 9 1 0 0 对其加以两方面的改进：一是我们采用精度更高的1 6 位的仍转换器取代原 先1 2 位的m d 转换器：二是在实现整个仪器强大功能的前提下，我们考虑用嵌 入式计算机【】取代笔记本电脑控制构建嵌入式系统，集成后的嵌入式系统更加 稳定可靠，保持良好的可扩展性。 1 2 国内外研究现状 中南大学硕十学何论文第一章绪论 电法仪器跟其它仪器一样，一般都经历了机械式一电子管一晶体管一集成电 路一微机控制等几个阶段【l2 1 ，频域激电仪也不例外。我国自主研发并得到公认 的双频激电仪( s - 2 ) ，就是采用的单片机控制技术，其它的同类产品现在也大多 处于这一个阶段，如重庆奔腾数控的w d j s 1 数字直流激电接收仪1 1 3 博等。 国外生产电法仪器的著名厂家有加拿大凤凰公司和美国的z o n g e 公司等，它 们研发的仪器在同类产品中处于领先的地位。比如z o n g e 公司的新一代产品 g d p 3 2 t 4 1 ：g d p - 3 2 多功能接收机采用主频高达6 6 1 3 3 m h z 的5 8 6 微处理器进 行控制；安装m sd o s 、w m d o w s9 5 操作系统，有了操作系统的支持，在其上 可运行用户可执行程序；内存包括1 6 m bd r a m ，2 5 6 m bf l a s hr a m 用于存储程 序和数据，另外还有容量达4 1 g b 的硬盘可供选择。g d p 3 2 是z o n g e 公司公布 的最新一代的产品( 第四代) ，从它的设计中可以看出，将高性能微处理应用到 仪器设计中组成嵌入式系统，可以大大增强仪器的性能和提高智能化水平，这也 是现代化仪器发展的一个总的趋势。 嵌入式系统【i 习( e m b e d d e ds y s t e m ) 定义为：以应用为中心、以计算机技术 为基础、软件和硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统的发展与微处理器技术的发展息息相关，它是随着处理器技术的 发展从而得到越来越广泛的应用，如今嵌入式系统已经成为了计算机应用领域的 一个重要组成部分嵌入式系统具有的实时高效、体积小、低功耗等特点，如今 应用的领域包括制造工业、过程控制、通信、仪器仪表、汽车工业、航空航天、 军事装备，信息家电等许多方面。 其实，将嵌入式系统应用到电法仪器中并不是什么新鲜的事情。大家熟悉的 单片机系统本身就是一个典型的嵌入式系统，但由于单片机的底层性以及与对象 系统的紧耦合使得它只能理解成嵌入式系统的低端应用【嘲，而且众所周知，单 片机的控制能力很强，但数据处理能力却很有限。再如前面提到的g d p - 3 2 和用于 大地电磁测量的e h 一4 无一例外的都采用了高性能的3 2 位微处理器，增加了d o s 操 作系统的支持，从而使仪器具有了野外数据采集实时图形显示的功能并且大大增 强了仪器的存储能力，这些都值得我们在设计自己的系统中借鉴。但它们也存在 不尽人意之处：野外采集的数据量非常大，数据的处理必须在室内，将数据导出 后依赖p c 机完成，整个过程比较繁琐：而且纯d o s 操作系统提供的界面不够友好， 这也是我们设计中需要克服的。 经过分析比较，我们在精密相干检测仪嵌入式系统的研究中围绕板载主频达 3 0 0 舳z 的5 8 6c p u 的工业主板p c c 一3 5 6 8 来构建整个硬件系统，操作系统我们选用 了w i n d o w s9 8 操作系统，因为w i n d o w s 系列界面友好，同时w i n d o w s9 8 提供的 中南大学硕士学仿论文 第一章绪论 虚拟d o s 平台满足我们在程序员开发平台( p w b ) 下完成的所有程序运行的要求。 完成后的嵌入式系统软、硬件均呈模块化设计，功能易于扩展，而且在其上就可 以进行开发。 1 3 频域激电相干检测嵌入式系统研究内容及论文主要工作 1 3 1 主要研究内容 频域激电相干检测嵌入式系统的研究是基于i p - 3 相幅精密相干检测接收机 进行的。实现一个功能强大、抗干扰能力强、观测精度高和功能易于扩展的系统 是我们进行研究的目的所在，也是我们研究的主要内容。 根据m 3 相幅精密相干检测仪接收机本身的特点，我们将从以下几个方面 来完成它的嵌入化改造。 其一是为了提高整个系统数据采集的精度，在信号输入模拟电路部分，我们 用高精度的1 6 位a d 转换器取代原来1 2 位的模数转换器a d c l 2 1 0 l 。这就要 求我们对模拟电路部分电路进行重新设计，相关的驱动程序必须重新编写。一 其二是根据精密相干检测仪的特点完成整个嵌入式系统的设计，这也是整个 论文研究的重点。一个嵌入式系统的实现包括硬件和软件两个方面。硬件方面如 何构建一个系统的硬件体系，它包括合理的选择微处理器，围绕选定的微处理器 搭建它的外围设备和完成模拟电路的设计，并且实现模拟电路与处理器之间的通 讯连接。软件方面包括首先选择好满足自己需要的编译环境，然后在选定的编译 环境下完成整个程序的编写和调试工作，达到实现整个系统的功能所以说，一 个好的嵌入式系统的实现应该是软、硬件协同设计的结果。 1 3 2 论文的主要工作 本论文的工作主要围绕构建一个可行的精密相干检测仪嵌入式系统展开的， 它大致可以分为两大部分：一个方面是论述了相关的原理方法，包括嵌入式系统 的基本原理和开发方法、频域激电法的相关原理、相干检测技术的基础理论等， 论文中还简单的介绍了嵌入式操作系统；另一方面就是精密相干检测仪嵌入式系 统具体实现方法的研究，包括从硬件和软件两个方面协同设计加以实现，论文中 将这部分作为重点做了十分详细的论述。 第二章详细地论述了嵌入式系统的原理包括嵌入式系统的的发展历史、特 点以及设计方法等方面的内容。 第三章简单地介绍了嵌入式操作系统。随着嵌入式系统功能的强大和复杂性 的增加，嵌入式操作系统应运而生，论文简要的介绍了嵌入式操作系统的概念、 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 特点及分类。 第四章详细论述了频域激电相干检测嵌入式系统硬件体系的构建。本章首先 介绍了频域激电相干检测嵌入式系统硬件平台的整体构架，然后针对精密相干检 测仪的嵌入式系统的具体组成又将其分为嵌入式计算系统、模拟通道以及两者之 间的接口电路三个部分分别加以详细论述。本章介绍的重点又在嵌入式计算系统 的具体实现、a d s 7 8 0 5 的具体应用和嵌入式计算系统与模拟电路之间的通讯接 口的实现部分。完成后的嵌入式系统整个硬件结构紧凑，扩展方便，功能强大。 第五章详细地介绍了频域激电相干检测嵌入式系统的软件实现。c 语言由于 既具有高级语言的特点，又与硬件结合的十分紧密，是用来开发嵌入式系统的首 选语言。我们利用m i c o s o rc 6 0 提供的程序员工作平台( p w b ) 进行程序设计， 完成整个系统的控制，数据的采集、存储和处理等功能。借助w i n d o w s9 8 提供 的虚拟d o s 下运行程序，整个工作界面十分友好。具体软件功能地实现本章中 又分通讯模块、控制模块集、模数转换( a d ) 模块、数据采集模块、数据处理 模块，图形输出模块等几个子模块分别叙述。模块化的程序设计使得整个系统的 功能扩展十分容易，系统中可直接进行程序调试为系统的开发带了了便利。 第六章是论文的最后一章，它对整个论文的工作做出了总结，并对以后的研 究工作提出了一些有意义的建议。 4 中南大学硕七学位论文 第二章嵌入式系统 第二章嵌入式系统 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体 应用相结合的产物，这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。嵌入式系统一般指非p c 系统它是以应用为中心、软 硬件可裁减的、能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性要 求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于一体， 类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特 点，因此特别适合于要求实时和多任务的系统1 1 8 1 目前，嵌入式技术己成为通信和消费类产品的共同发展方向。嵌入式系统几 乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、电视机顶盒、手 机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、 空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与 医疗仪器等。 彝 2 1 嵌入式系统的发展历史【1 6 】 嵌入式系统的发展与嵌入式计算机系统的发展是息息相关，如果了解了嵌入 式( 计算机) 系统的由来与发展，我们对嵌入式系统就能历史地、本质地、普 遍适用地给出定义。从这个角度出发，嵌入式系统又可以定义为：“嵌入到对 象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是 嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 2 1 1 现代计算机的技术发展史 ( 1 ) 始于微型机时代的嵌入式应用 电子数字计算机诞生于1 9 4 6 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。 5 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 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。 ( 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，人们勉为其难地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，对于众多的对蒙系统( 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。 ( 3 ) 两大分支发展的里程碑事件 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20 世纪末、 21 世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算 机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从2 8 6 、 3 8 6 、4 8 6 到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处 理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。 嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是 单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士， 接过起 源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅 速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代 因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于： 它不仅形成了 计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系 统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。 2 1 2 嵌入式系统的独立发展道路 ( 1 ) 单片机开创了嵌入式系统独立发展道路 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、 可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走 独立发展道路，这条道路就是芯片化道路。技术研究人员们将计算机做在一个芯 6 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 在探索单片机的发展道路时，有过“模式”与“创新模式”两种模式。 “模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的 基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式” 则完全按嵌入式应用要求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处 理器、指令系统、总线方式、管理模式等。如大家熟悉的i n t e l 公司的m c s - 4 8 、 m c s - 51 就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统( 单片微型计算 机) 。历史证明，“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，mcs 一5l 的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。 ( 2 ) 单片机的技术发展史 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s0c 三大阶段。 s c m a p 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求最 佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。创新模式”获得成功，奠定了sc m 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，i n t e l 公司功不可没。二 m c u 即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶段，主要的技术发展方向是： 不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路， 突显 其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展mcu 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家在发展mcu 方面，最著名的厂家 当数p h i l i p s 公司。p h i l i p s 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将mcs 一5i 从单片微型计算机迅速发展到微控制器一 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向mcu 阶段发展的重要因素，就 是寻求应用系统在芯片上的最大化解决：因此，专用单片机的发展自然形成了s 0c 化趋势随着微电子技术、i c 设计、eda 工具的发展，基于s0c 的单 片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计 算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 可见，单片机在嵌入式计算机系统的发展过程中有着举足轻重的作用，而其 后发展的d s p 产品、a r m 技术等更进一步地提升了嵌入式计算机系统的技术水平， 从而使嵌入式系统技术迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、 仪器仪表、交通运输等各种领域 1 5 】。 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下几个主要的不同点： 7 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，因此嵌入式c p u 与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u 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c p u 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 的耦合也越来越紧密。 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和各个行业 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。其中，嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键， 对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同：首先，软 件一般要求固化存储；其次，要求高质量、高可靠性的软件代码；再者，许多应 用中要求系统软件具有实时处理能力，如a b s 防抱死系统【l i l 。 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，其具有较长的生命周期。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。和通用的微处理器相比，嵌入式微处 理器一般具有以下几个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护 功能，同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以便能迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的 计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至 u w 级。 2 3 嵌入式系统的分类及组成 根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。嵌入式系统按形态可 分为设备级( 工控机) 、板级( 单板、模块) 、芯片级( mcu 、s0c ) 。如 果我l f j 根据嵌入式系统的复杂程度，将其可以分为单个微处理器、不带记时功能 的微处理器装置、带记时功能的组件、在制造或控制过程中使用的计算机系统等 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 四类。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 件系统等组成，它是集软、硬件于一体的可独立工作的器件【1 9 1 我们一般将嵌 入式系统分为如下三个部分： ( 1 ) 嵌入式芯片e m c u e m p u - - 嵌入式微处理器 e m c u 嵌入式微控制器 e d s p 一一嵌入式数字信号处理器 e s 0 c ，e p s 0 c 嵌入式片上系统， ( 2 ) 嵌入式软件e s o f t w a r e c c + + j a v a 脚本语言 h o p e n j i n i ( 3 ) 嵌入式操作系统( r t o s ) p s o s v x w o i 【i ( 、w i n c e 、e p 0 c l i n u x p a l m o s 一9 j a v ac h o r u so s u c 0 s 2 4 嵌入式系统设计 嵌入式可编程片上系统( 系统芯片) 2 4 1 嵌入式系统的设计过程 图2 - 1 列出了嵌入式系统设计的主要步骤。当我们采用自顶向下的设计方法 时，首先是系统需求分析第二步是规格说明，在这一步对系统如何工作进行描 述，但这些描述不涉及它的组成。系统内部的详细构造要在开发系统的体系结构 时才能展现出来，这一阶段以大的构件为单位给出了系统的结构。一旦知道了需 要的构件，就可以设计这些构件，包括软件模块和硬件模块最后在这些构件的 基础上，我们可以构造出所需要的完整的系统。与自顶向下的设计方法不同的是 自底向上的设计方法，其过程如图中长实线所示 9 中南大学硕士学位论文第_ 二章嵌入式系统 自顶 图2 - 1 设计过程中的主要抽象层次 自底向 上设计 在设计一个系统之前，我们必须清楚自己在设计什么对需求的分析是进行 嵌入式系统设计的第一步，也是十分重要的。典型的嵌入式系统在功能及实现上 都有严格的限制。特别地，嵌入式系统必须保证对外部时问的实时响应，服从体 积与重量、耗能及散热消耗等限制，同时满足安全性及可靠性需求，所以需求分 析时还需要考虑到以下几个方面。 ( 1 ) 实时及交互操作 实时系统操作意味着该计算机的正确性部分取决于该操作系统发出的时问 延迟。在许多情况下，系统设计必须充分考虑最优化系统性能。信号处理等嵌入 式系统由于其要满足外部i 0 和控制稳定性需求，因此对实时操作要求很高。 交互式计算是指软件为响应外部事件而执行。这些事件可能是周期性的，在 这种情况下，通过事件的调度来保证系统性能是完全可能的。相反，有很多事件 是非周期性的，在这种情况下，我们要估算出最大事件到达率，以适应最坏的情 况下的需求。大多数嵌入式系统都有一个重要的交互成分。 ( 2 ) 体积与重量 许多嵌入式系统都是嵌入在更大的设备当中。因此，我们可能要从美学的角 度来看待及设计嵌入式系统的外形，同时还得考虑该嵌入式系统所嵌入的位置大 小等因素。在便携式系统中，为了减少耗能量，也为了便于携带，嵌入式系统的 重量成为了重点考虑因素。 ( 3 ) 安全性与可靠性 1 0 中南大学硕十学位论文第一二章嵌入式系统 有些系统在出现失效时会造成严重后果。在任务敏感性应用中，如飞行控制 设备，当出现故障时，会造成严重的人员伤亡及设备毁坏。传统的方法是采用多 级冗余技术等来保证系统可以持续运行，而不被局部嵌入式系统的故障所影响。 而很多嵌入式系统，尽管它们会导致财产的损失，却无法承受由传统容错技术所 带来的硬件或处理能力冗余开销。 ( 4 ) 环境 多数嵌入式系统的工作环境是不可控的。在嵌入式系统的应用环境中会出现 诸如：热量、颤动、撞击、闪电、电压不稳、水、腐蚀、火等的不利因素。这给 系统的设计带来了更多的困难。 ( 5 ) 成本 除了上面提到的众多限制，价格仍然是我们进行嵌入式系统设计需要考虑的 问题。虽然嵌入式系统的设计者们纷纷强调系统花费，但他们对价格的敏感度可 能相差却很远。这主要是因为在有些系统中，嵌入式系统的花费远远小于整个被 嵌系统的价格，而相反，有些系统中的嵌入式系统花费却占了整个系统价格的大 部分。 在确认了需求以后，我们可以制出简单的需求表格，图2 - 2 展示了一个需求 表格的样本： 名称 目的 输入 输出 功能 性能 生产成本 功耗 物理尺寸和重量 图2 五需求表格样本 2 4 2 嵌入式系统的生命周期 跟任何产品一样，嵌入式产品也有它的生命周期。首先，得有对嵌入式系统 的需求然后才能开发出产品的概念模型。接着进一步进行产品的生产设计、生 产及扩展。但在许多嵌入式系统中，设计者必须考虑以往的设计，同时不能忽略 中南丈学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 产品的支持、维护、升级以及系统的更新问题，这也是为了设计一套真正能获利 的嵌入式系统。因此，我们进行嵌入式开发需要考虑到一些影响系统生命周期的 因素。 ( 1 ) 系统成分的获取 由于一个嵌入式系统的设计比起桌面计算机的设计来说，往往是应用驱动型 的，很少是技术驱动型的。在系统成分的选择上有很大的余地。所以在优化系统 生命周期时，我们更多的需要考虑所采用成分的价格，一般来说，系统成分的种 类越少，系统价格越低，所以在设计是尽可能让多种不同系统采用共同的成分。 ( 2 ) 系统验证 嵌入式系统的性能会影响整个系统的性能。因此，对系统设计进行修改时， 为了减少出现故障和未预料的系统错误的可能性，严格的资格认证过程是非常必 要的，这项额外开销远比通过提高嵌入式计算机或其软件性能而节省的开销要大 得多。 有一种最小化系统重认证开销的策略，这种方法就是延长设计更改的时间， 直至有重大的系统升级出现为止。随着分布式嵌入式系统的广泛应用，出现了另 一个行之有效的方法，即把系统分成若干子系统，并尽量使在设计修改时所需要 验证的子系统的数量值最小。 ( 3 ) 维护与升级 无论是嵌入式系统的构建或修改，都对以后的产品维修造成影响。嵌入式子 系统一旦出现问题，就会导致整个系统的不可用，直到嵌入式子系统被修好。在 许多情况下，嵌入式系统都必须能够在几分钟或者几个小时内被修好，这就意味 着在系统附近必须有多余的配件及相关的系统维护人员。 由于许多嵌入式系统的生命期比较长，对电子元件及软件进行升级也许可以 升级嵌入式系统的功能及延长其生命期，这种方法优于替换系统配置的方法。这 就需要我们对系统进行硬件升级( 更换电路板) 及相应的软件升级。 2 4 3 嵌入式系统典型开发模式 嵌入式系统是一个复杂而专用的系统，在进行系统开发之前，必须明确定义 系统的外部功能和内部软硬件结构；然后进行系统的设计分割，分别实现硬件规 划与设计，应用软件规划与设计以及操作系统的裁剪；在操作系统裁剪和应用软 件编码完成后，通常还将它们先移植到同系统结构的c p u 的硬件平台上进行远程 调试、功能模拟：完整无误后，最后才将操作系统和应用软件移植到自己开发的 专用硬件平台上，完成系统的集成。 其开发流程可如图2 3 所裂2 0 】。完成系统设计分割后，软件和硬件开发可 1 2 r 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 图2 - 3 嵌入式系统开发流程 以并行进行，也可以在完成硬件后再实现操作系统和应用软件的开发。 在以上流程中，操作系统的裁剪和应用软件的编码都是在通用的台式机或工 作站上完成的，称这样的台式机为宿主机( 其操作系统大多为w i n d o w s 系 列，l i n u x 或s o l a r i e s 等) ；而待开发的硬件平台通常被称为目标机。这种在宿 主机上完成软件功能，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目标代码传输 并装载到目标机上，并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分 析和调试，最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行的系统开发模式，称之 为宿主机一目标机( h o s t t a r g e t ) 模式，它是嵌入式系统常采用的一种典型开 发模式。图2 _ 4 为其示意图。 图2 - 4宿主机一目标机开发模式 在宿主机一目标机开发模式中，交叉编译和远程调试是系统开发的重要特 征，如单片机的开发就是采用这种模式。 中南大学硕士学位论文第二章嵌入式系统 1 ) 交叉编译。 宿主机上的c p u 结构体系和目标机上的c p u 结构体系是不同的，为了实现裁 剪后的嵌入式操作系统和应用软件能在目标机上“跑”起来，移植它们之前，必须 在宿主机上建立新的编译环境，进行和目标机c p u 相匹配的编译，这种编译方式称 为交叉编译。新建立的编译环境称之为交叉编译环境。交叉编译环境下的编译工 具在宿主机上配置编译实现，必须是针对目标机c p u 体系的编译工具。只有这样， 才对源代码编译生成的可执行映像，才会被目标机的c p u 识别。 2 ) 远程调试。 远程调试是一种允许调试器以某种方式控制目标机上被调试进程的运行方 式，并具有查看和修改目标机上内存单元、寄存器以及被调试进程中变量值等各 种调试功能的调试方式。调试器是一个单独运行着的进程。在嵌入式系统中。调 试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的进程运行在目标机的嵌入式操 作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器可以控制、访 问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变被调试进程的运行状态。 嵌入式系统的交叉调试可分为硬件调试和软件调试两种。硬件调试需要使用 仿真调试器协助调试过程，硬件调试器的是通过仿真硬件的执行过程，让开发者 在调试时可以随时了解到系统的当前执行情况。目前嵌入式系统开发中最常用到 的硬牛调试器是r o mm o n i t o r 、r o me m u l a t o r 、i n c i r c u i te m u l a t o r 和i n - c i r c u i td e b u g g e r 而软件调试则使用软件调试器完成调试过程。通常要在不 同的层次上进行，有时需要对嵌入式操作系统的内核进行调试，而有时可能仅仅 只需要调试嵌入式应用程序就可以了【2 l j 。 在目标机上，嵌入式操作系统、应用程序代码构成可执行映像。我们可以在 宿主机生成上述的完整映像，再移植到目标机上；也可以把应用程序做成可加载 模块。在目标机操作系统启动后，从宿主机向目标机加载应用程序模块。 交叉开发集成环境( i d e ) 是嵌入式系统开发的利器，它可以有效的缩短开 发周期。最著名的如美国风河( w i n dr i v e r ) 系统公司的t o r n a d oi i 。它是一个 拥有强大的开发和调试能力的图形界面开发工具，包括c 和c + + 远程源码级调试 器，目标和工具管理器，系统目标跟踪以及内存使用分析和自动配置【2 l j 所有内 部工具能方便的同时运行，很容易实现交互开发。但大多交叉开发集成环境和嵌 入式开发套件配套销售，且只支持有限的嵌入式c p u 体系，价格不菲。 采用宿主机一目标机开发模式进行嵌入式系统开发，具有整体思路清晰，便 于系统分工，容易同步开发的特点，是嵌入式开发人员较理想的开发方式。 2 5 嵌入式系统的现状及发展方向 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统 嵌入式系统的应用已经无处不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备： 移动计算设备、电视机顶盒、上网手机、汽车、医疗仪器、微波炉等家庭自动化 系统等等。据统计，每年只有1 0 2 0 的计算机芯片是为台式或便携式电脑而设 计的，这就意味着每年有i 2b i l l i o nc p u 是为嵌入式系统设计制造的。据报道， 现在嵌入式系统带来的工业产值每年都超过了1 万亿美元，它将是i t 产业争夺 的重点之一而我国有世界上最大的家用电子产品消费市场，巨大的市场需求将 极大地刺激了国内嵌入式系统的发展和工业化的进程。 近几年来，嵌入式系统的应用越来越广泛，在嵌入式系统的开发中愈来愈呈 现出以下发展趋势： 1 ) 嵌入式产品与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网 的主要终端之一。 ， 2 ) 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 将成为趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。 3 ) 软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常 以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。 4 ) 嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。昂贵的商用嵌入式操作系 统在一定程度上抑制了嵌入式系统的更广泛应用。但随着免费l i n u x 操作系统的 日趋成熟，嵌入式l i n u x - 将成为新的嵌入式操作系统的研发基础。 2 6 本章小结 本章从通用的角度对嵌入式系统做了一个概括性的叙述。文章首先给出嵌入 式系统的定义，然后从嵌入式系统的发展历史、嵌入式系统的特点、嵌入式系统 的分类及组成、开发嵌入式系统的方法以及嵌入式系统的发展现状及前景等几个 方面对嵌入式系统做了一个简明扼要的叙述。 1 5 中南大学硕士学位论文第三章嵌入式操作系统 第三章嵌入式操作系统 嵌入式系统覆盖面很广，从很简单到复杂度很高的系统都有，这主要是由具 体应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。 但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则，应 用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性也都难于保证圈。 3 1嵌入式操作系统基本概念及特点 操作系统有四种基本结构之分，即单一操作系统、层次结构操作系统、客户 服务器方式操作系统与嵌入式操作系统。单一操作系统由许多模块组成，模块 间相互调用，且该操作系统具备两种工作模式，即系统模式和用户模式。在系统 模式下可以执行任何操作，在用户模式下的操作受到一定的限制，用户模式下的 应用程序通过系统调用可以进入系统模式，待操作结束后又可以恢复到用户模 式。层次结构操作系