（通信与信息系统专业论文）基于资源共享的嵌入式数控系统的远程控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 嵌入式数控系统将嵌入式与数控相结合，在数控系统中充分地发挥了嵌入 式系统的独特优势，现在已成为学术界与工业领域研究的热点。随着嵌入式技 术的不断发展，嵌入式系统的计算处理能力远远超过对单一机床任务的控制， 如果仍沿用传统的方式，即一个中央控制单元控制一台机床，是对嵌入式资源 的浪费。同时，随着网络和通信技术的发展，人们对控制和管理的要求不断提 高，系统的网络化趋势越发明显。为了更快更方便地操作加工，实现数控系统 的远程控制也成为必然的趋势。基于资源共享的嵌入式数控系统的远程控制研 究，不仅能适应网络环境下数控系统的新的需求变化、新的体系架构而且充分 的利用了嵌入式资源，对网络化数控系统的发展具有重要意义。 本文从嵌入式资源共享和远程控制两个方面展开研究。在嵌入式数控系统 方面主要研究了嵌入式中央控制单元的软硬件需求，选择了合适的嵌入式处理 器、操作系统以及网络协议栈。基于嵌入式中央控制单元资源共享的思想，并 结合传统数控系统的工业需求，研究和设计了基于资源共享的嵌入式数控中央 控制单元系统模型及其软件构架。采用多任务编程技术实现数控系统的基本功 能模块。 在远程控制方面，分析了数控系统远程控制特点，确定了合适的软件开发 技术。设计并实现上位机w m d o w s 服务器的系统软件构架。采用c o m 组件技 术，结合a s p n e t ，以b s 模式实现用户远程控制。 另外，研究并探讨适合远程实时控制的数据快速传递的通信方式，实现系 统之间的数据交互。并分别从上位机和下位机两个角度分析研究了为整个数控 系统提供安全保障的机制。通过数据库的设计、通信协议的设计等增强了系统 的安全性。 测试结果证明，在网络环境得到保障的前提下，本系统具有较高的实时性， 完全符合数控机床工业使用要求。在多用户同时操作时，系统也能够做到很好 的协调，并饺各用户有效的共享嵌入式资源，并具有一定的安全保障。 关键词：嵌入式数控系统；远程控制；资源共享 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc o m b i n e st h ea n b c d d e dt e c h n o l o g ya n d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 i tf u l l yp l a y su n i q u ea d v a n t a g e so fe m b e d d e dt e c h n o l o g yi nt h e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dn o wi th a sb e c o m eah o ta r e ab o t hi na c a d e m i aa n d i n d u s t r y w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h ec a l c u l a t i o n p r o c e s s i n gc a p a c i t yo fe m b e d d e ds y s t e mi s f a re x c e e d i n gt h em a n d a t eo fas i n g l e m a c h i n ec o n t r 0 1 i fw ef o l l o wt h et r a d i t i o n a la p p r o a c h , t h a tac e n t r a lc o n t r o lu n i t c o n t r o l sas i n g l em a c h i n ei sw a s t eo fe m b e d d e dr e s o u r c e s m e a n w h i l e ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s ，p e o p l e si n c r e a s i n g d e m a n d so nt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t , a n dt h en e t w o r kt r e n di sm o 佗o b v i o u s i n o r d e rt of a c i l i t a t ef a s t e rp r o c e s s i n go p e r a t i o n st oa c h i e v ed i r e c tc o n t r o lo v e rr e m o t e c n c s y s t e mh a sb e c o m ea nm e v i m b l et r e n d 1 1 l er e s e a r c ho nt h er e m o t ec o n t r o lo n t h er e s o u r c e ss h a r i n gb a s e de m b e d d e dn cs y s t e mi sn o to n l ya b l et om e e tt h e c h a n g j n gn e e d so ft h en e ws y s t e m ，t h en e ws y s t e ma r c h i t c c t u r c ，b u tm a k e st h ef u l l 1 1 s eo fe m b e d d e d s o u r c e s i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k - b a s e dc n cs y s t e m 1 1 ke m b e d d e dr e s o u r e es h a r i n ga n dr e m o t ec o n t r o la r et w oa s p e c - - - t ss t u d i e di n t h i sp a p e r i nt h ee m b e d d e dr e s o u r c es h a r i n ga s p e c t , a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r en e e d so fe m b e d d e dc n cc e n t r a lc o n t r o lu n i t , s u i t a b l ee m b e d d e dp r o c e s s o r , o p e r a t i n gs y s t e ma n dn e t w o r kp r o t o c o ls t a c ka r ec h o s e a c c o r d i n gt ot h et h i n k i n go f r e s o u r c e ss h a r i n ga n dt h en e e do ft r a d “i o n a ln cs y s t e m , t h es y s t e mm o d e la n dt h e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft i mc e n t r a lc o n t r o lu n i ti sd e s i g n e d n l cb a s i cf u n c t i o n a l m o d l l i e so f n cs y s t e ma r er e a l i z e dw i t hm u m - t a s kp r o g r a mt e c h n o l o g y i nt h er e m o t ec o n t r o li na s p e c t , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f n cs y s t e mr e m o t ec o n t r o l a r ea n a l y z e d a n dt h e a p p r o p r i a t e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi sc h o s e 。 s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fw i n d o w ss e r v e rs y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw i t h c o m a s p ：n e te t c ha d d i t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o nm o d ef o rt h er a p i dt r a n s m i s s i o no fd a t ai s 武汉理工大学硕士学位论文 s t u d i e d a n ds e c u r i t ym e c h a n i s m st h en c s y s t e mi sr e s e a r c h e df r o mt h ep e r s p e c t i v e o fb o t hu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e rs i d e t h es e c u r i t yo ft h es y s t e mi se n h a n c e d t h r o u g hd a t a b a s ed e s i g na n dt h ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l se t c t r i a lr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ep r e m i s eo fn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h i ss y s t e m h a sh i g hr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e a n df u l lc o m p l i a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n to fc n c m a c h i n et o o li n d u s t r y i nt h es i t u a t i o no fm u l t i - u s e ro p e r a t i n ga tt h es a m et i m e , t h e s y s t e mc o u l da l s od ow e l lc o o r d i n a t e d ，c o r r e s p o n d i n ge n a b l eu s e r st os h a r ee m b e d d e d i e s o u i c e se f f e c t i v e l y , a n dp r o v i d eac e r t a i nd e g r e eo f s e c u r i t y k e yw o r d s ：e m b e d d e dn cs y s t e m ；r e m o t ec o n t r o l ；r e s o u r c e ss h a r i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学 位证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 嬲：哔嗍：华谚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 始呼轹辛飙绰卅 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景、目的和意义 数控技术就是用数字量及字符发出指令并实现控制的技术【l 】。它是一门综合 学科，集机械加工技术、微电子技术、监控检测技术、计算机技术、通信技术、 自动控制技术等多种科学于一体，形成一门传统而又新兴，且发展迅速的高新 技术【2 】。 数控技术的发展经历了三个主要阶段：第一阶段称为传统数控( n c ， n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，以采用电子管、晶体管以及小规模集成电路进行数值控制 为主要标志；第二阶段称为计算机数控( c n c ，c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，以 通用小型计算机、微型处理器和个人计算机应用于数控控制系统为标志；第三 个阶段即以高性能嵌入式处理器大量应用于数控系统为标志的嵌入式数控阶段 3 1 1 4 。 嵌入式技术在工业控制领域，特别是数控领域的应用研究起步较晚。2 0 世 纪九十年代中后期，随着具有成熟操作系统的嵌入式系统的蓬勃发展，传统的 数控技术与嵌入式技术相结合，新型嵌入式数控技术进入了一个高速发展的阶 段。嵌入式数控系统在很多方面都独具优势，如嵌入式数控系统可以进行针对 性的开发，使得系统性能达到合理的利用；嵌入式数控系统具有较高的实时性， 能够对工业控制命令及时的响应；嵌入式硬件成本较低、有许多免费开源操作 系统，这在系统的开发以及知识产权上有很大的优势等，随着嵌入式技术的不 断发展，嵌入式微处理器的计算处理能力不断增强。单一嵌入式数控系统的计 算处理能力远远超过对一台机床任务的控制，如果仍沿用传统的方式，即一个 中央控制单元控制一台机床，不能很好的利用嵌入式软硬件资源，造成对资源 的一种浪费。 同时，随着网络和通信技术的发展，人们对控制和管理的要求不断提高， 系统的网络化趋势越发明显。当前对生产自动化提出很高的要求。并且随着信 息化的不断加快，为了更快更方便地操作加工，实现数控系统的远程控制已成 为必然的趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 针对这种情况，基于资源共享的嵌入式数控系统的远程控制研究，不仅能 适应网络环境下数控系统的新的需求变化、新的体系架构而且充分利用了嵌入 式资源，对网络化数控系统的发展具有重要意义。 1 2 数控系统的国内外研究现状 在嵌入式数控系统方面，国外的研究工作较之国内起步较早。目前，已经 取得了实质性的研究成果，并逐步走向成熟。如美国的g e - f a n u e 、日本的三菱、 韩国的现代等都有了一些成熟的嵌入式数控产品。国外众多成熟嵌入式数控产 品，一定程度上反映了嵌入式数控系统的发展方向。 同时，在嵌入式数控的基础上引入其他网络通信技术，实现嵌入式数控系 统之间的通信等功能。在国外影响较大的是由欧盟发起并资助的i s t ( i n f o r m a t i o n s o c i e t yt e c h n o l o g i e s ) 计划中，称为p e n g u i x ( p o r t i n ga ne m b e d d e dn u m e r i c a l c o n t r o lo ng n ul i n u x ) 的研究项目阁。该项目于2 0 0 1 年6 月启动，由意大利的 f i d i a 公司负责开发。该项目的主要目标是使用开放源代码的l i n u x 来实现数控 系统的软件平台，取代过去的专用软件平台。使数控系统实现软件化、模块化， 并使用组件技术( c o r b a ) 实现系统内部的通信嘲。从而使数控系统独立于专 有硬件平台，可以实现不同硬件平台的移植。该项研究符合数控系统的发展趋 势，是嵌入式数控技术发展的新探索。 此外包括，以德国e c k e m a n n 公司的嵌入式数控产品e e n c 5 5 为例。它 是一种新型的高性能独立型模块化数控系统，基于d s p 和a r m 微处理器硬件 结构，同时借助于现代通信技术，该系统可以通过t c p i p 协议、p c m m i 技术 以及c a n 现场总线与多台数控加工系统连接。与传统的高性能数控系统相比， 该系统完全独立于p c ，是一种真正的高性能嵌入式数控系统。该系统拥有3 2 b i t m p g 5 5 5 控制器，可编程范围广，并可进行附加指令扩展；最大支持8 个数控加 工轴，并可同时进行5 轴插补，集成完善的p l c 模块，可以支持所有符合 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程语言【7 j 。 与国外相比，目前国内嵌入式数控技术的研究才刚刚起步，但此方向的研 究尚处于起步阶段，主要工作还处于预研阶段，还不够成熟和完善，没有达到 产品化的水平。武汉理工大学信息工程学院正在进行的国家自然科学基金重大 项目( 5 0 3 3 5 0 2 0 ) ：网络环境下的数字制造理论与关键技术，基于d s p 和a r m 2 武汉理工大学硕士学位论文 微处理器硬件结构，采用i t c o s n 嵌入式实时操作系统，实现了嵌入式数控系 统的基本功能，在嵌入式数控系统的研究方面已经取得了一些研究成果。 另外，广州数控有限公司与北京航空航天大学智能技术与装备实验室于 2 0 0 3 年开始合作开发的产品。该系统采用t t c o s n 实时操作系统软件平台u c g u l 人机界面、a r m 微控制器硬件平台、f p g a 外围电路。该系统已经成功加 工多种零件样品，并开始产品化推进工作 8 1 。 在远程数控方面，当前的远程控制多为分布式控制，主要实现上位p c 机的 远程监测和故障诊断功能。在这一方面的国内外研究日趋成熟，并取得一些成 果，在一些企业中已经得到了广泛的应用。但是，这种远程数控系统的控制功 能还是在下位机实现，无法实现真正的远程控制。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的任务重点是实现基于资源共享的嵌入式数控系统远程控制。这 一研究主题主要包括两个方面，一方面是嵌入式中央处理单元的资源共享；另 一方面是对于嵌入式数控系统的远程控制。围绕这两点，本文主要完成以下几 个方面的工作： ( 1 ) 分析嵌入式中央控制单元的需求和特性，选择合适的嵌入式处理器、 嵌入式操作系统以及嵌入式网络协议栈。 ( 2 ) 根据传统数控系统的工业需求，研究与设计嵌入式中央控制单元资源 共享的系统模型及其软件构架。实现数控系统主要功能模块。 ( 3 ) 分析嵌入式数控系统远程控制的特点，选择合适的软件技术，保证远 程控制单元软件的可扩展性和可重用往。以b s 模式，实现用户远程控制功能。 ( 4 ) 研究并设计适合上、下位机的通信方式，利用网络编程技术等，实现 系统之间的数据交互。 ( 5 ) 分别从上位机和下位机两个角度，分析和研究为整个数控系统提供安全 和通信保障的机制。通过数据库加密、通信机制的设计等增强提高系统的安全性。 1 4 本文的组织结构 本文详细的介绍了基于资源共享的嵌入式数控系统远程控制系统的研究与 3 武汉理工大学硬士学位论文 实现。全文共分六章：第l 章从嵌入式和远程控制两个方向介绍了数控系统的 研究现状，以及本课题的研究意义和主要研究内容。第2 章介绍了嵌入式孛央 控制单元的软硬件环境，介绍了a r m 为处理器的体系结构、嵌入式操作系统以 及嵌入式网络协议栈的原理。第3 章介绍了远程控制单元所涉及到的软件技术， 包括c o m 技术以及s o c k e t 网络通信。第4 章分析了系统嵌入式中央控制单元 资源共享的软件实现，介绍了其软件构架、任务处理流程、上下位机通信结构 体的设计，以及嵌入式单元为系统安全提供的保障。第5 章分析了上位服务器 的软件设计构架，从c o m 组件、数据库以及网页设计三个方面说明了系统的软 件实现，并提出了上位机为系统安全提供的保障。第6 章对本论文的研究工作 与内容进行了总结与展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式数控系统相关技术分析 2 1 概述 数控系统的控制核心是其中央控制单元，它负责对加工代码进行编译、插 补运算，完成各种控制命令等。传统数控系统的中央数控单元多采用工业p c 系 统，因为这类计算机系统功能强大，软件开发方便。然而，从数控功能需求上 来说，许多系统功能未被真正使用，这对于资源和成本造成了浪费。另外，基 于计算机系统开发的数控系统，往往是一种专用的系统，针对不同对象的适用 性不强。 嵌入式数控系统的最大特点就是其中央数控单元采用嵌入式控制系统。采 用a r m + d s p 的结构，这种结构具有运算能力强、成本低的特点，同时也提高 了系统的实时性和可靠性，实现了数控系统的精密化、网络化、智能化和集成 化【9 】。嵌入式数控系统通过a r m 完成主要控制功能，d s p 进行插补、刀补等复 杂的运算，两者的结合可完全取代传统工业p c 系统在数控系统中的控制作用， 且具有运算能强，成本低等优点。 本系统着重于嵌入式数控系统中央控制单元的设计。从嵌入式数控系统的 性能和要求出发，并综合考虑采用合适的软硬件性价比，确定了中央控制单元 的软硬件环境。即硬件中嵌入式微处理器采用基于a r m 9 的s 3 c 2 4 1 0 ，而嵌入 式操作系统和网络协议栈则采用g c o s 1 i 和l w i p ，两者均为免费的开源软件， 适用于实验和研究。 2 2 嵌入式处理器 嵌入式处理蚕的特点与分类 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，对实时和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操作系统 的执行时间减少到最低限度。嵌入式处理器一般具备以下四个特点1 1 0 】： ( 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 武汉理工大学硕士学位论文 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，而为了避免在软件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，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌 入式微处理器。 ( 4 ) 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，依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p w 级。 根据现状，嵌入式处理器分为；嵌入式微处理器( e m p u ，e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) ；嵌入式微控制器( m c u ，m i c r o c o n l r o l l e ru n i t ) ；嵌入式d s p 处理器( e d s re m b e d d e dd i g i t a ls i g n a _ ip r o c e s s o r ) 以及嵌入式片上系统( s o c ， s y s t e mo i lc h i p ) h i 。 2 2 2 删微处理器 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是家微处理器行业的知名企 业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c ( 精简指令集) 处理器【1 2 1 。 公司的特点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导 体、软件和o e m 厂商，并提供服务。 采用r j s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低 成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容 8 t i u l 6 位器件：大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄 存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定1 1 3 】。由于a r m 的 以上特点，到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的i u s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器 应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控 制器提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， 蠊m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐 6 武汉理工大学硕士学位论文 步获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机 顶盒和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术【1 4 1 。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每个系列的a r m 微处 理器都有各自的特点和应用领域【”】。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位 和功耗要求较高的消费类应用。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微 控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系 统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很 适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体 系结构，与同等的a 尉旧器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高 了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式， 使其功耗极低。 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体 系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对 安全解决方案的支持。 i n t e l 的x a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全 性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。x s e a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 i n t e ls t r o n g a r ms a 11 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位 r j s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结 7 武汉理工大学硕士学位论文 构的电源效率，采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费 类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 2 2 3a 删旧处理器$ 3 c 2 4 1 0 在本系统的实现中，选用的是三星公司$ 3 c 2 4 1 0 a 。$ 3 c 2 4 1 0 a 是基于a r m 公司a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位的r i s c 处理器，0 1 8 t t m 工艺的c m o s 标准宏 单元和存储器单元，频率最高可达2 0 3 m h z 。a r m 9 2 0 t 在高性能和低功耗特性 方面提供最佳的性能。具有的特点为：5 级整数流水线，指令执行效率更高；提 供1 i m i p s 概的哈佛高速缓冲体系结构；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位 t h u m b 指令集；支持3 2 位的高速a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 总线接口；全性能的虚拟存储器管理m m u ，支持w i n d o w sc e 、 l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实时操作系统；具有独 立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 为了降低成本$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了丰富的内部设备：l c d 控制器( 支持 s t n & 吓) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控 制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，i o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口，i i c i i s 总线接口，u s b 主机，u s b 设备，2 通 道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频器。 2 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式系统的选型 数控系统是一个典型的强实时性系统。也就是说，该系统具有可确定性。 可确定性主要是确保条件出现到由此引起的动作开始( 或者结束) 的时间在一 个准确的时段内。在数控系统中，条件是由操作员的指令( 如：紧急停止，移 动x 轴等) 或是机床的状态( 如刀具破损等) 引起的。实际上，需要满足时间 约束的情况主要是和系统安全( 如对突发事件的反应等) 以及切削精度有关， 因此数控系统具有硬实时任务硬实时任务是指必须满足最后期限的限制，否 则会给系统带来不希望的破坏或者致命的错译【1 6 1 。 s 武汉理工大学硕士学位论文 为满足嵌入式系统对实时性的需求，在软件方面，普遍采用的方法是对现 有的分时系统进行实时的改造。即，在非实时性的操作系统之上，加一个实时 任务调度器，如r t l i n u x 、r t a i 、v e n t u r c o m 的w i n d o w sn t 实时扩展( r e a l t u n e e x t e n s i o n ，r t x ) 等。然而，这种方式导致系统结构过于庞大和复杂，实时任务 的性能得不到很好的发挥。对于构建在w m d o w s 或者l i n u x 平台上的数控系统， 系统的实时性很难保证。即使使用实时的扩展，也很难估算系统的极端情况1 1 7 1 ， 如最长的中断等待时间、最长的任务切换时间等。 随着微电子技术的发展，嵌入式微处理器的运行速度越来越快，对实时操 作系统提供了全面的运行支持。采用高性能的嵌入式微处理器和实时操作系统 构建嵌入式工业控制系统平台已经成为一种发展趋势。i _ t c o s - r i 是专门为嵌入 式系统设计的硬实时多任务内榭堋。它的内核精简，多任务管理功能相对完善， 实时性能好。可裁剪，可固化，源码开放，可移植性强。p c o s n 应用广泛， 适应性强，从8 位到“位处理器都可以移植。s t c o s n 已经成功地移植到大多 数微处理器和微控制器上。新版本的s t c o s n 通过了f a a ( f e d e r a la v i a t i o n a d m i n i s t r a t i o n ) 认证，很适合应用于对实时性有很高要求的嵌入式工业控制领域 1 1 9 1 。综合以上分析，在远程嵌入式数控系统中选用i _ t c o s h 作为嵌入式操作系统。 2 3 2 嵋o s - u 实时操作系统 c 0 s n 是一个免费的小实时操作系统内核，内核代码仅几到几十k b y t c ， 己有十几年的应用史，并已经被移植到了几乎所有的嵌入式处理器上。它具有 可裁剪、占先式、多任务、可确定性、任务栈、系统服务、中断管理中断( 嵌 套层数可达2 5 5 层) 。 i x c o s - i l 是一个具备现代操作系统特点的r t o s ，同时它结构清晰、注解详 尽，具有良好的可扩展性和可移植性，被广泛地应用于各种架构的微处理器上。 i t c o s n 的特点主要可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 公共源代码：源代码全部公开，清晰易读且结构协调，注解详尽，组 织有序。 ( 2 ) 可移植性：绝大部分i _ t c o s - i i 的代码使用移植性很强的a n s ic 写的， 可移植性较强。而和处理器硬件相关部分采用汇编写，使得i x c o s - f i 便于移植 到其它处理器上。i t c o s 一可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处 理器、微控制器、数字信号处理器上运行1 2 0 l 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可裁剪：可以只使用i l c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。可以 根据应用程序的不同需求，选用某些系统服务。这样可以减少产品中的“c o s i i 所需要的存储空间( r a m 和r o m ) 。这种可裁剪是靠条件编译实现的。 ( 4 ) 可抢占调度：i _ t c o s n 完全是可抢占式实时内核，即总是运行就绪条 件下优先级最高的任务。这个特点使得f c o s - i - i 的实时性比非抢占式的内核要 好。 ( 5 ) 多任务：可以管理“个任务，但目前版本的系统保留了8 个任务， 应用程序最多可以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不相同的。这就 意味着i j t c o s 不支持时间轮片调度法。 ( 6 ) 可确定性：全部i t c o s - i i 的函数调用和服务的执行时间具有可确定性， 即它们的执行时间是可知的。这意味着i i c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于 应用程序任务的多少。 ( 7 ) 任务栈：每个任务有自己单独的栈。p c o s - i i 允许每个任务有不同的 栈空间，以便压低应用程序对r a m 的需求。使得i _ t c o s f i 的栈空间校验函数 可以确定每个任务需要的栈空间。 ( 8 ) 系统服务：p c o s n 提供多种系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、 固定块大小的内存的申请和释放、时间相关函数等。 p c o s - f i 的系统组成包含任务调度，任务管理，时间管理和任务间的通信 等基本功能。下面对p c o s - i i 是对其任务调度机制、中断机制以及迸程间通信 做详细的分析讨论，对其内核进行分析是移植和改进的基础。 ( 1 ) | l c o s n 的工作原理 g c o s 作为一个实时多任务抢占式操作系统，其工作原理的核心是“近 似地每时每刻总是让优先级最高的就绪任务处于运行状态”。为了保证这一点， p c o s - f i 在调用a p i 函数、中断结束、定时中断结束时总是执行调度算法。首 先，初始化m c u ，再进行操作系统初始化，主要完成任务控制块( t c b ) 初始 化，t c b 优先级表初始化，t c b 链表初始化，事件控制块( e c b ) 链表初始化， 空任务的创建等等；然后就可以开始创建新任务，并可在新创建的任务中再创 建其他的新任务；最后调用o s s t a a 0 函数启动多任务调度。在多任务调度开始 后，启动时钟节拍源开始计时，此节拍源给系统提供周期性的时钟中断信号， 实现延时和超时确认1 2 l j 。 调用a p i 函数时，有可能引起系统阻塞。如果系统a p i 函数察觉到运行条 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 件不满足，需要进行任务切换时则调用o s s c h e d 0 调度函数。o s s c h e x t o i 函数判 断是否需要切换。如果需要切换，则此函数调用软中断o st a s ks w 0 l i p o s c t x s w 0 实现任务调度。o st a s ks w o 由操作系统模拟产生一次中断，该中 断返回地址( p c 值) 压栈，进入o s c m s w 0 中断处理子程序内部。反之，切换 程序调用r e t i 返回紧邻o st a s k的下一条汇编指令的地址，进而返s w o p c 回0 s s c h e d 0 下一句，再返回a p i 下一句，即用户程序断点。 因此，如果任务从运行到就绪再到运行，它是从调度前的断点处运行。中 断同样会引发条件变化，因此在中断退出前必须进行任务调度。p c o s - 要求 中断的堆栈结构符合规范，以便正确协调中断退出和任务切换。已知任务切换 实际上是系统模拟了一次中断事件，而在真正的中断里省去了模拟( 本身就是 中断) 。只要规定中断堆栈结构和p c o s f i 模拟的堆栈结构一样，就能保证在中 断里进行正确的任务切换。任务切换发生在中断退出前，此时还没有返回中断 断点。中断程序和切换程序最后两句是一模一样的，p o p a l l + r e t i 。即要么直 接从中断程序退出，返回断点；要么先保存现场，等到恢复现场时再从切换函 数返回原来的中断断点( 由于中断和切换函数遵循共同的堆栈结构，所以退出 操作相同，效果也相同) 。用户编写的中断子程序必须按p c o s i i 规范书写。任 务调度总是发生在中断退出前，不会等到下一时间片处理。 ( 2 ) p c o s - r l 的任务管理 在肛c o s n 中，每个任务都可以是一个无限循环，或是在一次执行后删除 掉。i _ i c o s n 最多支持“个任务，其中有两个任务已被系统占用。由于系统不 支持时间轮片的任务调度，每个任务有惟一的优先级，即在t t c o s - i i 中两个任 务的优先级不能相同，系统按照任务的优先级高低进行调度。因此，p c o s n 的实时性主要表现在：抢占时间和中断等待时间。实时操作系统内核的实质就 是一个多任务调度系统，其关键在于建立任务、改变任务的状态、任务调度与 切换。 任务的创建 在t t c o s 对任务管理前，必须要先建立任务。p c o s n 中用两个函数 o s t a s k c r e a t c 0 和o s t a s k c r e a t e e x t 0 中的任何一个都可以建立任务。任务可以在 多任务调度开始前建立，也可以在其它任务的执行过程中被建立。在开始多任 务调度前，用户必须建立至少一个任务。但是任务不能由中断服务程序来建立。 任务控制块 武汉理工大学硕士学位论文 任务控制块( o st c b s ，t a s kc o n t r o lb l o c k s ) 是c o s 在r a m 中为每个 创建的任务分配的一个堆栈空间。它是一个数据结构，当任务的c p u 使用权被 剥夺时，p c o s - i i 用它来保存该任务的状态。当任务重新得到c p u 使用权时， 任务控制块能确保任务从当时被中断处继续执行。 就绪表 每个任务被赋予不同的优先级等级，从0 级到最低优级o sl o w e s t p r i o ， 包括0 和o s _ l o w e s t _ p r i o 在内。i t c o s r i 初始化的时候，最低优先级 o sl o w e s tp r i o 总是被赋给空闲任务。每个任务的就绪状态标志都放入就 绪表中的，就绪表中有两个变量o s r e d y g r p 和o s r d y t b l 。任务进入就绪态 时，就绪表o s r d y l m 口中的相应元素的相应位也被置位。 任务调度 g c o s - i i 总是运行进入就绪态任务中优先级最高的任务，并通过调度器来 确定任务优先级最高的任务。任务级的调度是由函数o s s c h e d 0 完成的中断级 的调度是由另一个函数o s i n t e x t 0 完成的，这个函数将在以后描述。迸入就绪态 的任务对就绪任务表中相应位置位，o c o s 通过o s s e h e d 0 和o s i n t e x t 0 检验 这个优先级最高的任务是不是当前正在运行的任务，以此来避免不必要的任务 调度。 任务切换很简单，由以下两步完成，第一步：将被挂起任务的微处理器寄 存器压入堆栈；第二步：将较高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器 中。在p c o s 1 1 中，就绪任务的栈结构总是看起来跟刚刚发生过中断一样，所 有微处理器的寄存器都保存在堆栈中。换句话说，o c o s 运行就绪态的任务 所要做的一切，只是恢复所有的c p u 寄存器并运行中断返回指令。为了做任务 切换，运行o st a s k _ s w 0 ，人为模仿了一次中断。 ( 3 ) t , c o s - r i 的中断机制 中断是嵌入式系统中重要的硬件机制，定时中断可以给r t o s 提供心跳的脉 搏，硬件中断还可以实现一些事件的快速处理，真正达到“实时”的效果。中 断被识别后，c p u 保存部分或者全部寄存器的值