（仪器科学与技术专业论文）基于embeddedrtos的汽车同步器元件试验台测控系统设计.pdf

】| | i | | l i l i i | i l i | l i | l i i i i i l i i ! l i i i i i l l l 响 y 1 7 612 7 5 d e s i g no fm e a s u r e m e n ta n d c o n t o r ls y s t e mf o ra u t o m o b i l e s y c h r o n i z e rt e s t gb a s e do n e m b e d d e d i 汀o s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y h el i s u p e r v i s e db y p r o f z h a n gw e i g o n g s c h o o lo fi n s t r u m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a 巧2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：厶亟籼日期：翟。啦里 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 一繇磷铡燃 东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 同步器是汽车变速箱的关键部件，它的性能对提高汽车变速器换挡平顺性、汽车行 驶安全性和汽车起步时的加速性能都有很重要的影响。为保证产品质量和提高新产品研 发能力，汽车工业对同步器性能和疲劳试验研究十分重视。为此，设计一台基于嵌入式 实时系统的汽车同步器试验台可以对同步器以及同步器元件的性能实现准确的测试。本 文重点阐述试验台测控系统软、硬件的设计与实现，如下： 1 测控系统的控制方式采用主从式：上位机+ 下位机。设计t c p i p 网络实现上、下位 机之间的通信，速度快；并实现了网络自检测通断和重建功能。 2 设计了用于显示、存储在线数据的上位机用户界面和用于分析数据的数据分析软件相 结合的上位机软件，提高了效率。 3 完成了下位机基于p c i 0 4 总线的硬件设计，并设计了基于硬件模块的软件驱动，各 模块驱动互相独立，提高了软件驱动的移植性。 4 完成了下位机基于v x w r o r k s 的嵌入式软件设计，充分利用了v x w r o r k s 的多任务性能、 多种任务间通信机制以及良好的调度策略，实现了高速并行数据实时采集与监控；并根 据实际需求设计了基于看门狗机制的异步通用定时器。 本文以嵌入式软件理论为背景，将嵌入式的开发与实际需要相结合详细阐述了控制 系统在v x w 6 r k s 上的工程设计与程序实现。测试结果表明，基于v x w 6 r k s 的汽车变速 箱同步器元件试验台系统，可以有效地对各种同步器以及同步器元件进行性能测试和疲 劳试验，试验配置功能齐全、稳定性好。它对我国同步器相关试验台的发展具有重要意 义。 关键字：同步器，嵌入式，驱动程序 东南大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s y n c l l r o n i z e r ，a st h ek e yc o m p o n e n to ft h ea u t o m o b i l eg e a r b o x ，a n di t sp r o p e r t i e sp l a y a i li m p o n a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ei m p r o v i n gn l es 切b i l i t ) ，d 面n gt l l e s h i f t i n ga n d l es a f e 哆 d u r i n gv e l l i c l e “v i n g a st 0e n s u r e 也eq u a l i 够o fp r o d u c t sa n dr a i s et 1 1 ea b i l i t ) ，o fn e w p r o d l l c td e v e l o p m e n t ，a u t o m o b i l ei n d u s t 巧p a y sh i 曲i m p o r t a n c eo nt e s to fs y n c l l r o n i z e r s p r o p e r t i e s 龇l di t sl i f e t i m e s o ，a 1 1a d v a n c e da u t o m o b i l es y n c i 玳) i l i z e rc o m p o n e mt e s t 打gb a s e d o ne m b e d d e dr t o si s d e s i g n e dh e r e ，a n dt h e nt h ep r o p e r t i e so fs y n c h r o l l i z e ra n di t s c o m p o n e n t sc a i lb em e a s u r e de x a c t l y t h ek e yp o i n t so f 也ea r t i c l ea r et l l ed e v e l o p m e n ta n d r e a l i z a l i o no fs o f t w a r e 锄dh a r d w a r eo fm e a s u r e m e n ta 工l dc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s tr i g ，邪 f o l l o w s ： 1 t h ec o i l 仃o lt y p eo ft h em e 2 l s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mu s e sm a s t e r s l a v e ：u p p e rc o m p u t e r a i l ds l a v ec o r n p u t e r t c p i pn 鲍r ki sa p p l i e db e 似e e nu p p e rc o m p u t e r 锄ds l a v ec o m p u t e r f o rt h e i rc o m m u i l i c a t i o n n e t w o r kc o m m u i l i c a t i o nh a s h i 醢r e l i a b i l i 西锄d1 1 i g hd a t a t r a n s m i s s i o n s o f t w a r ed e s i g n e di nt h e 硼i c l ec a l lc h e c ku pw h e t l l e rn e t v m r ki sn o 咖甜o rn o t a n dc a nr e c o n n e c tm en e r k 2 c o n v e m e n tu s e ro p e r a t i o ni m e r f 犯e ，w h i c h 俄k e sc h a r g eo fc o n t r o l l i n ga l lt 1 1 et e s td e v i c e s a r l dd i s p l a m 锄a l y s i sa n ds t o r a g eo fr e l a t i v ed a t 如a n dd a t aa n a l y s i ss o 行w a r e ，w t l i c hc a nb e u s e do u t _ o f l i n ea n ds e ts i r n p l y 锄dh a sc o m p l 鼬e 如n c t i o n s ，a r ed e s i g i l e dt o g e t l l e ri nt l l eu p p e r c o m p u t e ，w t l i c hc a ni m p r o v et h ee f j f i c i e n c y 3 h a r d w a r ed e s i 舀lb a s e do np c10 4b u si sc o i n p l e t e di i lt l l es l a v ec o m p u t e r s o r w a r ei l r i v e r d e p e n do nh a r d w a r em o d e lo fi t so w n a n di n d e p e n d e n te a c h0 t h e r ，w h i c hi m p r o v e st 1 1 ea b i l i w o f t r a n s p l a t a t i o no fd r i v e r 4 d e s i 弘o fe m b e d d e ds o f 呐a r eb a s e do nv x w 6 r k si nt h es l a v ec o m p u t e ri sc o m p l e t e d t h e c h a i a c t e ro fm u l t i t a s ko fv x w 6 r k s ，c o i i u l l l m i c a t i o nb e m e e nm m t it a l s k sa n dg o o ds c h e d u l e r s 住a t e r g ya r e 如1 l y 印p l i e di n t on l es o r w a r ed e s i g no fs l a v ec o m p u t e r ，t or e a l i z e1 1 i 曲 p 删l e l e d d a t a a c q u i s i t i o n a u l dm o m t o r a i l d a c c o r d i n gt 0r e a l i s t i cr e q u i r e m e n t s ， a s y n c h r o n o u s 窖e n e r a lt i m e ri sd e s i g i l e db a s e do nw a = t c i l d o go fv x w b f k s b 2 l s e do nt l l e o 巧o fe m b e d d e ds o 小v a r e ，c o m b i n e dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds o 小v a r e 、v i t l lr e a l i s t i cn e e d s ，d e s i g na i l dr e a l i z a t i o no ft h ec o m r o is y s t e mo nv x w b r k si sp r e s e n t e di 1 1 t 1 1 i sa n i c l ei nd e t a i l w h a t sm o r e ，d e s i 盟w a y so fm o d u l a r i z a t i o na r ea d o p t e da n dt l l ed r i v e r o f e a c hm o d u l ei si n d e p e n d e n t 诵t l le a c ho t h e r ，s ot h ed r i v e rc o d e sc a i lb et 删：1 s p l a n t e de a s i l y t e s tr e s u l t sa p p r o v et h a ta u t o m o b i l es y n c h r o i l i z e rc o m p o n e n tt e s tr i gb a s e do nv x w b r l c s a i l di t sm e a s u r e m e n ta n dc o n 仃o ls y s t e mc a i l 、o r kw e l la l l dh a sh i 曲r e l i a b i l i ul ( i n d so f s y n c h r o l l i z e ra i l di t sc o m p o n e n t sc a nb et e s t e df o rt h e i rp r o p e r t i e si i lt l l et e s tr i gs y s t e m ，a i l d t l l e m c t i o n so fs e t u pb yu s e ra r ec o m p l e t ea 1 1 dc o n v e n i e n t t l l ed e s i 印a n dr e a l i z a t i o no ft l l e t e s tr i gs y s t e m 淅l ll a ya 1 1i m p o r t a n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fm er e l a t i v es y n c h r o m z e rt e s tr i g k e y - w o r d s ：s y l l c h r o n i z e r ，e m b e d d e d ，“v e r ，v x w b r l ( s h 目录 目录 i 1 i i i l 1 1 1 2 。3 5 1 4 论文的主要工作5 1 5 论文的章节安排5 第二章嵌入式实时操作系统7 2 1 嵌入式系统概述7 2 2 实时系统7 2 2 1 实时系统概述7 2 2 2 实时性的衡量标准8 2 3 嵌入式实时系统8 2 3 1 概述及特点8 2 3 2 嵌入方式9 2 4v x w o i s 操作系统9 2 4 1v x w b 呔s 概述9 2 4 2 v x w 6 r l ( s 操作系统组成及内核1 0 2 4 3t o m a d o 集成开发环境概述1l 2 5 本章小结1 1 第三章同步器评价标准13 3 1 换档冲量1 3 3 2 同步器换挡性能1 3 3 2 1 同步性能1 3 3 2 2 换档平稳性1 4 3 3 本章小结1 9 第四章试验台系统总体设计2 0 4 1 试验台系统组成2 0 4 1 1 机械部分。2 0 4 1 2 动力传动部分2 l 4 1 3 换挡机械手。2l 4 1 4 润滑系统。2 2 4 2 控制系统结构的设计2 2 4 3 嵌入式系统硬件设计2 3 4 3 1p c i 0 4 总线2 3 4 3 2 硬件结构2 3 i l i 东南大学硕士学位论文目录 4 3 3 模拟数据采集模块设计2 4 4 3 4 数模输出模块设计2 6 4 3 5d i d o 模块设计2 7 4 4 本章小结2 8 第五章嵌入式系统软件设计2 9 5 1 基于模块化的软件设计2 9 5 1 1 软件模块化分2 9 5 1 2 多任务控制。3 0 5 13 关键任务控制策略3 2 5 1 4 任务间通信机制3 5 5 2t c p i p 网络通信的实现3 7 5 2 1 建立通信网络3 7 5 2 2 网络检测设计- 3 8 5 2 3 网络通信协议一3 9 5 3 串行通信设计4 0 5 3 1 串行设备工作模式4 0 5 3 2 虚拟设备斜d n r 4 1 5 3 3v x w r o r l ( s 下串行设备配置4 l 5 3 4 串行通信协议及校验4 2 5 4 模块软件驱动程序4 3 5 4 1 设备驱动程序4 3 5 4 2i s a 总线设备4 4 5 4 3a d 模块驱动程序设计4 5 5 4 4d a 模块驱动程序设计4 6 5 5 软件实现关键技术4 7 5 5 1v x w 酬| ( s 的定时延时机制与实现4 7 5 5 2 异步通用定时器的设计4 9 5 5 3 数字滤波算法5l 5 5 4 中断处理5 3 5 6 本章小结5 5 第六章开发系统的搭建与应用结果分析5 6 6 1v x w o r k s 系统的搭建5 6 6 。1 1 v x w b r l ( s 映像类型的选择及其启动过程5 6 6 1 2 引导盘的制作。5 7 6 1 3t 0 m a d o 环境设置及v x w b r l c s 启动5 8 6 2 上位机软件5 9 6 2 1 用户操作界面5 9 6 2 1 数据分析软件6 l 6 3 应用结果分析6 2 结束语6 4 致谢。6 5 参考文献6 6 作者简介6 8 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着科技的进步，嵌入式系统已经被应用到工业控制领域，且发展迅速。嵌入式应 用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。由于嵌入式实时操作系统可以支 持多任务，提高了程序开发的稳定性、可靠性、可维护性和灵活性。嵌入式实时操作系统 受到了工业控制领域的广泛关注，对于它的研究和应用也是越来越广泛，尤其是 v x w b r k s 操作系统。v x w b r k s 操作系统是一种出色的运行在目标机上的嵌入式强实时操 作系统，为通用的硬件架构提供强大的支持，具有比其他实时操作系统更好的有效性、 商用性、可裁减性和互操作性，被广泛地应用在通信、军事、航空、驾驶机器人等高精尖 技术以及实时性要求极高的领域中【l 儿2 。 随着经济和社会的不断发展和进步，人们生活水平大大提高，汽车的需求量也与日 俱增，汽车行业的前景非常好。消费者对汽车的驾驶舒适性与安全性能的要求越来越高。 变速箱是汽车传动系统的核心部件，它的技术先进性以及质量直接关系到汽车的动力性 能、可靠性和油耗。但是，就目前而言，我国变速箱行业的研发能力与世界发达国家还 存在着很大的差距。国家相关部门已经将提高我国汽车行业自主研发和自主创新的能力 作为我国汽车工业在“十一五”期间需要重点解决的问题之一。提高变速箱的自主研发技 术也提上日程。作为变速器中关键部件的同步器，其性能将会对变速箱以及汽车本身产 生重要影响，对同步器性能、同步器元件性能及其疲劳度的测试变得尤为重要。 汽车变速箱同步器试验系统可以对汽车同步器换档结合时的冲击和噪声、换档平顺 性、同步器寿命、润滑剂摩擦系数等进行测试。它可以实时准确地测得换挡过程中同步 器的各项参数，实现对同步器性能和所使用润滑剂性能的评价，同时在一系列对比性要 求严格的试验过程中消除人为因素的影响，提高试验质量和效率，主要有以下的典型应 用： 1 ) 测试相同润滑环境中不同摩擦材料的摩擦性能； 2 ) 测试结构不同的同步器对同步性能的影响； 3 ) 测试不同润滑剂对同步器性能的影响。 综上所述，本文开发了一种基于嵌入式实时系统v x w o r k s + 的汽车变速器同步器元 件试验台系统，并着重阐述了试验台系统控制系统软件硬件的设计与实现。这对嵌入式 实时系统的应用开发和研究以及我国汽车同步器试验台技术的继承和发展均做出了很 大贡献。 1 2 研究现状 同步器是汽车机械式变速器的主要部件，研究同步器对改善变速器换挡性能、减低 驾驶员劳动强度、提高驾驶舒适度和行使安全性、并改善汽车在起步时刻的加速性能以 及燃料经济性起着极其重要的作用。变速器同步器元件性能试验及同步器寿命试验在汽 车性能试验中占有很重要的位置。随着国内外汽车行业的需求量及其消费者对汽车品质 东南大学硕士学位论文 的高要求，国内外汽车生产商及汽车相关部门已将汽车同步器性能、同步器部件性能及 同步器寿命的研究提上日程。国外对汽车性能研究起步早，成果显著，同步器性能研究 技术较之国内也成熟很多。 1 2 1 国外研究现状 汽车工业领域起步早、发展快的几个发达国家比如美国、德国、日本等，对同步器 的研究已取得很大进展。下面以德国z f 变速箱生产商所用的z f 标准同步器试验台为 例来阐述国外同步器试验台的发展。这套试验设备由德国某高校研制，早在1 9 9 0 年已 投入使用。从试验台的结构图1 1 上可以看出它的基本组成： 含有油槽的支体基座； 定位同步器结合套的模拟试验箱，其中包括液压执行机构和可调速模拟惯性飞 轮装置； 速度可控制的驱动电机； 液压装置； 带有润滑油温度控制的润滑装置； 配电箱和控制柜。 它的特点及功能是： 可同时测量两个试验单元； 最高转速达5 0 0 0 i 心m ； 科学的试验方法和测量数据分析； 试验台结构组成单元组织清晰、可靠性高； 较短的换挡循环时间可低至4 s ，提高了试验效率。 图卜l 德国z f 标准同步器试验台 这套试验设备应用很广泛，在欧洲和美国有多个汽车生产商使用，该设备研发单位 2 第一章绪论 计了针对诸如f o r d 、d a i m l e r c h r y s l e r 及z ff r i e 嘶c h s h a f e n 等在内的多家汽车公司专 的同步器试验说明书以及试验标准。并且可用于德国大众公司和奥迪公司的汽车研究 发展。 该试验台系统设计精巧、功能齐全、精度高，应用效果好，它的出现对于汽车同步 试验台的发展有很重要的意义，并且代表了国际上发达国家汽车行业尤其是汽车同步 性能测试行业的水平。除此之外，法国b i a 公司、日本a u t o m a x 公司及德国r e l l k 公 等都进行了汽车变速箱同步器试验系统的研制，成果显著。如图1 2 ( a ) 和图1 2 ( b ) 所 为日本a u t o m a ) ( 公司研制的汽车同步器试验台系统；图1 3 所示为德国r e l l l 【公司研 的汽车变速箱同步器试验台。 1 2 2 国内研究现状 图1 - 2 ( a ) 同步器试验台后视图，日本a u t o m a ) 【公司 图l 一2 ( b ) 同步器试验台侧视图，日本a u t o m a x 公司 就目前而言，我国的汽车技术的发展整体上落后于国际先进水平，同步器自主研发 能力以及同步器相关性能测试技术的研发起步晚，其技术水平与国际先进水平有较大差 3 东南大学硕士学位论文 距。领域内的技术处于吸收消化、模仿阶段。行业标准规范也是随着发达国家的步伐前 进。为改变这种现状，从上个世纪末开始国内就有一些高校和汽车生产商投入了对汽车 同步器性能测试的研究。比较有代表性的单位和企业有：东南大学汽车工程学院、吉林 大学机械电子工程学院、湘仪动力测试仪器有限公司以及北京太工天成测控技术有限公 司等。他们的研究成果显著，对于我国汽车同步器行业甚至我国汽车行业的发展做出了 贡献。 图1 3 同步器试验台侧视图，德国r e i l l 【公司 其中东南大学研制的同步器试验台如图1 4 所示，该设备与吉林大学研制的试验台 设备都采用真实的变速箱体，仅设计机械手实现对操纵杆进行换挡控制，对同步器性能 和寿命进行测试。这种同步器试验台在国内已经得到推广，但是，它的缺点和不足是有 目共睹的。由于采用了真实变速箱作为试验对象的载体，试验台的适用性便受到控制。 对于不同的同步器试验需要调换变速箱才能达到试验目的。而本文中将要介绍的汽车同 步器元件试验台采用的是用来定位同步器组件的模拟试验箱，可以很灵活地对多种型号 的同步器及同步器元件性能进行测试，推进了我国汽车同步器行业的发展。 图卜4 东南大学的同步器试验台 4 第一章绪论 1 3 课题要求 基于实验室教研组积累的同步器试验台研发技术和经验，对该试验台系统的预期要 求概述如下： 1 )能够测量完整的一套同步器系统包括结合套、花键毂、滑块、两个同步环和两 个结合齿圈等。 2 ) 3 ) 4 ) 5 1 6 ) 7 1 8 ) 9 ) 单测量信号数据采集频率不小于1 k h z 。 同步惯量为0 0 0 5 1 2k m z ，并可以实现无极调节。 通过软件设定程序。 通过软件或传感器检测打齿和其他故障，发现后能够立即停止试验。 差速度最高达3 5 0 0 r p m 。 轴向力可测量的范围为0 4 0 0 0 n 。 润滑油流量最大为5 l m i i l 。 可测的最大扭矩为2 0 0 n 木m 。 1 4 论文的主要工作 本篇论文的主要工作归结为以下： 1 ) 机械手动力驱动方式采用液压驱动，驱动平稳，快速性好且驱动力量范围大。 2 ) 完成控制系统的硬件设计，采用p c i 0 4 总线的c p u 模块，扩展了1 2 位数据采集卡、 d a 转换卡以及隔离d i d o 等；并用5 b 系列信号调理模块对传感器信号进行调理， 提高了信号的平滑度。 3 ) 完成在v x w r o r k s 下的各硬件模块的驱动程序设计。 4 ) 试验台测控系统采用主从控制方式，即：上位机+ 下位机。上位机即客户端：包括在 线的用户操作界面和离线的数据分析软件，用户界面负责控制和操作全部的试验设 备以及相关数据的显示与存储、也可以对数据进行分析；数据分析软件实现复杂的 数据分析、比对等。下位机( 服务器端) ：基于v x w b r k s 实时系统，实现高速并行 数据实时采集与监控，根据从上位机接收的命令和采集的实时数据达到对整个系统 的实时控制。 5 ) 上位机和下位机通过可靠高速的t c p i p 网络实现通信，并且下位机软件具有网络通 断检测功能和网络重建机制。 6 ) 下位机嵌入式软件采用模块化的软件设计方法，并采用多种任务间通信方式，合理 选定任务优先级，以保证良好的多任务运行环境。 7 ) 利用看门狗机制设计异步通用定时器以满足项目实际需求。 1 5 论文的章节安排 本文一共分为六章来完成，安排如下： 第一章节为“绪论”，主要论述课题研究背景以及研究意义、分析国内外的研究现 状、论述课题的提出与课题的要求、论文的主要工作以及论文的章节安排等。 第二章节为“嵌入式实时操作系统 的相关技术介绍。参照各种有关操作系统的书 籍资料和自己的知识储备，按照递进的写作方法，从嵌入式系统、实时系统、嵌入式实 东南大学硕士学位论文 时系统逐次深入介绍，引入了嵌入式实时操作系统v x w b r k s 及其t o m a d o 集成开发环境。 第三章节为“同步器评价标准”。主要阐述了同步器性能评价标准以及同步器的换 挡性能。 第四章节为“试验台系统总体设计 。其中涉及到了试验台系统组成、机械构造以 及控制系统结构的设计。详细的说明了控制系统的主控部分嵌入式系统硬件的设计，包 括硬件整体设计和各个模块的设计等。 第五章为“嵌入式系统软件设计”。这一章节是本文的重中之重。它详细阐述了嵌 入式软件的设计模式基于模块化的软件设计，然后针对各个模块如网络通信的实现、 串行通信的设计、各模块软件驱动程序等都从原理和实现手段上进行了详细的论述。最 后针对软件实现中的关键技术进行概括。 第六章是“开发系统的搭建与应用结果分析”。主要介绍v x w o r k s 操作系统平台的搭 建工作和试验结果分析，最后对全文做出总结。 6 第二章嵌入式实时操作系统 2 1 嵌入式系统概述 第二章嵌入式实时操作系统 嵌入式系统本身并没有一个具体的定义，是一个相对模糊的概念。根据i e e e ( 国 际电机工程师协会) 的定义【3 】，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运 行的装置”。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被 认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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【3 1 。除此之外，它还有 如下特点【1 1 ： 1 ) 由智能单元控制。嵌入式系统必定有一个核心控制单元。 2 ) 有些领域，比如航天飞机、卫星等需要很高的可靠性和长时间无人值守的能力。 所以嵌入式系统必须有很高的可靠性。这些要靠操作系统本身和应用程序代码来保证。 3 ) 系统软件必须具有高实时性，有固态存储。 4 ) 可以独立存在，也可以嵌入到其他系统中。 5 ) 嵌入式软件开发一般不再提供开发环境，用户与系统交互的接口就是提供给用 户的应用功能。所以，在开发阶段需要开发工具和开发环境。开发时常用交叉编译的方 法，分为主机和目标机。主机和目标机之间可以通过多种方式通讯如网络、串口等。主 机用户程序的开发，目标机作为最后的执行机器。开发阶段完成之后，目标机可以脱离 主机单独存在。 嵌入式的应用非常广泛，除通信行业、国防事业、医疗系统等领域之外，汽车工业 领域也是引入嵌入式最早的行业之一。嵌入式系统已经渗透进人们的日常生活，特别是 进入2 1 世纪以来，以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展 现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的 挑战。 2 2 实时系统 2 2 1 实时系统概述 实时系统是对外部事件在限定时间内能做出反应的系统，主要任务是对事件进行实 时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件上必须在事件发生时能够在 严格的时限内做出响应( 系统响应时间) 【1 】【2 】。实时操作系统的重要特点是具有系统的可确 定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等情况能做出精确的估计。 实时系统可以分为软实时系统和硬实时系统两种。软实时系统仅要求事件响应是实 时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任 务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两 者的结合【4 1 。 7 东南大学硕士学位论文 对于软实时系统来说，如果不能在规定时间之内完成任务，只不过会导致降低系统 性能，一般不会产生严重的后果，比如网络视频系统、信息采集与检索系统、一般的用 户界面就是典型的弱实时系统。在这些系统中，系统只需保证绝大多数情况下视频数据 能够及时传输给用户即可，偶尔的数据传输延迟对用户不会造成很大影响，也不会造成 像飞机失事一样严重的后果。而硬实时系统，若出现误差则会产生无法预计的后果。这 些多体现在航空航天、军事、核工业等一些关键领域的应用中，一定要在规定的时间内 完成任务，否则就造成如飞机失事等重大安全事故，造成生命财产损失或生态破坏。因 此，在这类系统的设计和实现过程中，应做好充分的研究和验证，以保证系统的可靠性、 实时性等【5 1 。 2 2 2 实时性的衡量标准 实时性是嵌入式实时系统区别于其他操作系统的主要特征之一，这里阐述一下实时 性的指标和评价标准，以便我们了解到什么是评价实时性的标准。指标如下【l 】： 1 ) 任务切换时间。系统中两个具有相同优先级任务之间切换所需要的平均时间。 2 ) 抢占时间。系统中某个高优先级任务抢占低优先级任务的任务花费的平均时间。 3 ) 中段等待时间。从c p u 收到中断请求到执行中断任务程序的第一条指令所用的 时间。 4 ) 信号量延迟时间。从一个任务释放信号量到另一个等待信号量的任务被激活的 时间延迟。 5 ) 死锁解脱时间。指系统开死锁所需要的平均时间，造成死锁的原因是高优先级 任务抢占某一低优先级任务后，进而需要刚刚被抢占任务所拥有的资源。 6 ) 任务间消息传递延迟。非零长度的消息在任务间传递的操作系统内部延迟时间。 7 ) 数据报吞吐量。任务间利用操作系统通信原语传递数据，每秒所传送的字节数。 2 3 嵌入式实时系统 2 3 1 概述及特点 嵌入式系统和实时系统不是同一个概念，它们的交集产生了实时嵌入式系统。实时 嵌入式操作系统负责实时嵌入式系统的所有软硬件资源的分配、调度、控制和协调并发 活动，如任务调度、内存管理、同步机制、异常和中断处理、任务间通讯等，具有一般 操作系统的基本功能；同时它也必须体现实时处理和嵌入式系统特征。与通用操作系统 相比，实时嵌入式操作系统具有如下特点： 1 ) 嵌入式实时操作系统的一个重要指标是实时性。 2 ) 可剪裁、小型化。嵌入式实时系统的资源有限，所以必须可剪裁、可简化。 3 ) 有固态存储功能。保证可靠性，必须有固态存储功能。 4 ) 弱交互性和强稳定性。除消费类电子产品外，嵌入式产品的正常运行不需要用 户干预。提供给用户的接口即是产品的最终应用。所以，必须有很强的稳定性保证产品 的可靠应用。 5 ) 专业化。嵌入式产品有很强的专业性，对于不同领域的应用，它对系统及其软 件的要求不尽相同，可以针对特殊需要定制。 8 第二章嵌入式实时操作系统 2 3 2 嵌入方式 随着计算机技术的发展而迅速发展，目前嵌入式系统的嵌入方式有以下三种【6 】： 1 ) 系统级嵌入 一个带有专用接口的计算机系统嵌入到一个控制系统中，成为控制系统的核心部分。 2 ) 模块级嵌入 以部件式嵌入到一个控制系统中，完成某一处理功能，与设备的其他硬件耦合更紧， 功能更专一。 3 ) 芯片级嵌入 一个芯片是一个完整的专用计算机，具有完整的输入输出接口，完成专一的功能。 2 4v x w b r l s 操作系统 2 4 1v x w o l s 概述 v x w 6 如操作系统是美国w i n d 砌v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统( i 汀o s ) ，是3 2 位的实时操作系统，支持3 2 位以上的嵌入式处理器【7 1 。是嵌入 式开发环境的关键组成部分。就目前而言，v x w 6 r k s 是软件工程师使用最多的商用嵌入 式实时操作系统之一。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、 航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制 导、飞机导航等。在美国f 1 6 、f 1 8 战斗机、b 2 隐形轰炸机和爱国者导弹上以及1 9 9 7 年4 月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了v x w o r k s 。 v x w b r k s 操作系统有如下一些针对实时嵌入式系统设计的特点【l 】【2 】： 实时性：实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出 响应的能力。v x w b r k s 具有很强的实时性，对于几百兆赫兹c p u ，它的任务切换时 间t c 、系统调用时间t s 和中断相应时间都在几百个微秒，并且v x w o r k s 可以保证系 统响应时间的正确性。 微内核设计：v x w b r k s 采用微内核设计方法，操作系统的基本功能由w i n dk e m e l 提供，其他系统功能以系统组件的形式存在，保证了系统的可配置性和可裁减性。 v x w o r k s 的最小内核便可以保证实时系统多任务、抢占式调度、中断以及任务间、 任务与中断任务之间的通信等基本功能。 可剪裁性：系统最小可裁减到8 k b ，这种裁剪还可以做到基于函数的裁减。这使得软 件的开发更加灵活。 可