（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的运动控制系统研究.pdf

中文摘要 随着汁算机技术、微电子技术以及相关技术的飞速发展，嵌入式系统正在应 用到越来越多的领域。在工业控制特别是运动控制方面，复杂的控制和处理，以 往多采用工业计算机和p l c 作为处理机。但是在移动机器人等体积较小的应用 中，使用工业计算机和p l c 有很多不利的因素，而基于微处理器和嵌入式l i n u x 的嵌入式运动控制系统体积小，处理能力强，灵活性好，得到了越来越多的应用。 本课题中进行了基于嵌入式l i n u x 的运动控制系统研究。由i n t e lx s c a l e 架构微处理器p x a 2 5 5 构建的上位计算机采用嵌入式l i n u x 操作系统，由a t 8 9 s 5 2 构建的直流电机数字伺服控制板作为下位运动控制单元，两者之间通过串行接口 进行通讯，共同构成一个运动控制系统。 本文中，首先介绍了嵌入式系统概念和结构，并在分析l i n u x 操作系统的历 史和特点的基础上，讨论了将l i n u x 用于嵌入式系统的优缺点。 随后分析了i n t e lx s c a l e 的系统结构和上位计算机的配置；介绍了 b o o t l o a d e r 概念、完成的主要任务和结构框架，并剖析了目前流行的b o o t l o a d e r ：u b o o t 的体系结构及其向x s c a l e 目标板的移植过程。 操作系统是嵌入式系统处理能力的保证，所以本文探讨了嵌入式l i n u x 系统 交叉编译开发平台的建立，l i n u x 内核的配置、编译和a r m - l i n u x 向x s c a l e 目 标平台的移植；分析了l i n u x 设备驱动程序的技术和开发过程以及l i n u x 驱动模 块编程技术并介绍了课题中嵌入式l i n u x 串行接口通讯程序的编制。 最后分析了伺服控制单元所采用的硬件特征，并介绍了采用a t 8 9 s 5 2 构成的 伺服运动控制板的硬件接口和软件开发流程，完成了整个伺服运动控制系统的设 计。 关键词：嵌入式系统x s c a l e5 1 单片机运动控制串行通讯 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g yr e l a t e d ， e m b e d d e ds y s t e mi sa p p l i e dt om o r ea n dm o r ea r e a s i ni n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h eu s eo f i n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dp l ci sp o p u l a r , e s p e c i a l l yf o rt h em o t i o nc o n t r 0 1 h o w e v e r , i nt h e a p p l i c a t i o n o fs m a l lv o l u m ed e m a n d e ds u c ha sm o b i l er o t o t ，i n d u s t r i a l c o m p u t e ra n dp l c h a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，b u tt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n m i c r o - p r o c e s s o ra n de m b e d d e dl i n u xb e c o m em o i ep o p u l a rb e c a u s eo fi t ss m a l l v o l u m e ，h i g hp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dg o o da d a p t a b i l i t y i nt h et h e s i s ，t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e dc o n s i s t so f t w op a r t s ：t h eu p p e r l a y e rc o m p u t e rb a s e do np x a 2 5 5c p uo f i n t e lx s c a l ea r c h i t e c t u r eu s e st h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ；t h eb o t t o ml a y e r d cs e r v om o t o rd i g i t a lc o n t r o lb o a r di s c o n s t r u c t e d b ya t 8 9 s 5 2 t w op a r t sc o m m u n i c a t eb ys e r i a lp o r ta n dm a k eu pam o t i o n c o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e r , f i r s t l y , t h ec o n c e p t i o na n ds t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e ma r e i n t r o d u c c d ，s u b s e q u e n t l ym e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fu s i n g l i n u xa se m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e da f t e rt h eh i s t o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fl i n u xo p e r a t i n g s y s t e ma r ea n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , t h es y s t e ms t n l c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o no ft h eu p p e rl a y e rc o m p u t e r a r ea n a l y s e d , t h e n , t h ec o n c e p t i o n , m a i nf u n c t i o n ，a n dt h es t r u c t u r eo f b o o tl o a d e ra r e i n t r o d u c e d , a n da l s ot h ep o p u l a rb o o tl o a d e r ：u - b o o t ss t r u c t u r ea n di t st r a n s p l a n tt o t h eu p p e r l a y e rc o m p u t e ra r ea n a l y z e d o p e r a t i n gs y s t e mg u a r a n t e e st h ep r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h ee m b e d d e ds y s t e m s o t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es e t u po fc r o s sc o m p i l i n gc i r c u m s t a n c ef o re m b e d d e dl i n u x ， c u t sd o w na n dc o m p i l e st h el i n u xk e r n e l ，c t i s c u s s e st h et r a n s p l a n to fa r m - l i n u xt o t h eu p p e rl a y e rc o m p u t e r m e a n w h i l e ，i tn o to n l yi n t r o d u c e st h et e c h n o l o g ya n d d e v e l o p m e n to f d e v i c ed r i v e rp r o c e d u r eo f l i n u xb u ta l s oa n a l y z e st h em o d u l ed e s i g n t e c h n o l o g yo fl i n u xa n di n t r o d u c e st h ep r o g r a m m i n gp r o c e s so ft h es e r i a lp o r t c o m m t m i c a t i o np r o c e d u r ei ne m b e d d e dl i n u x t h el a s ts e c t i o no ft h et h e s i sa n a l y s e st h eh a r d w a r eo ft h es e r v oc o n t r o lb o a r d c o n s t r u c t e db ya t 8 9 s 5 2a n di n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fi t t h ed e s i g no f t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，x s c a l e ，51s e r i e sm c u ，m o t i o nc o n t r o l ，s e r i a l c o m m t m i c a f i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： ：作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生盘堂或其他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。 学位论文作者签名：童掂“ 签字日期：卯年f 月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：董插幽 导师签名：王闺1 酶、 签字目期：扫口拜f 月，曰签字日期：0 石年月，日 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 在日常生活中，嵌入式系统无处不在，如天天必用的移动电话、手腕上的电 子表、烹调用的微波炉、办公室的打印机、汽车的燃油喷射系统、a b s 系统以 及现在流行的数码相机、数码摄像机、p d a 等都是嵌入式系统的应用。 当前，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，以及3 c ( 计算机：c o m p u t e r 、 通讯：c o m m u n i c a t i o n 、消费电子：c o n s u m e re l e c t r i e s ) 的普及，人类进入了后 p c 时代，各种信息非常丰富，数字信息技术和网络技术高度发达，人们对产品 的要求也在提高，数字化、智能化的产品成为发展方向，对大量信息的处理以及 数字化与智能化的要求使得嵌入式系统应用更为广泛。 嵌入式系统以应用为中心，强调体积和功能的可裁减性，是以完成控制、监 视等功能为目标的专用系统。在嵌入式应用系统中，系统执行任务的软硬件都嵌 入在实际的设备环境中，通过专用的i o 接口与外界交换信息，一般它们执行的 任务程序不由用户编制。嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前己应用 在国防、国民经济及社会生活各领域。嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种 通用计算机。 1 1 1 嵌入式系统的定义“ 根据电气工程师协会( m e e ) 的定义，嵌入式系统是用来控制、监视或者 辅助设备、机器或工厂运行的装置( d e v i c e su s e dt oc o n l r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f , e q u i p m e n t ，m a c h i n g x yo rp l a n t s ) 。 国内一般认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统。 1 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件等几大部分组成。其关系如图1 1 所示。 第一章绪论 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 i 嵌入式处理器0 嵌入式外围设备l 嵌入式硬件平台 图l 1 一、嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器最大的 不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许 多由板卡完成的任务集成在芯片的内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型 化，同时也具备高效率、高可靠性等特征。 国际上大的硬件厂商几乎都有自己的嵌入式处理器，从低端的5 1 单片机到 现在广泛使用的a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 等。在本文中，上位计算机 采用的处理器是m 融公司生产的x s c a l e 架构的p x a 2 5 5 处理器。 二、嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成 存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以 下3 类：( 1 ) 存储器：主要有静态非易失性存储器( r a m s d r a m ) 、动态存储 器( d i 认m ) 和f b 曲存储器等。其中，f l a s h 具有可擦写次数多、存储速度快、 容量大及价格低等优点而在嵌入式领域得到了广泛的应用。( 2 ) 接口：应用最为 广泛的包括并口、r s 2 3 2 串口，h d a 红外接口、s p i 串行外围设备接口、1 2 c ( h _ t c f i c ) 总线接口、u s b 通用串行总线接口、e t l l e r n e t 网络接口等。( 3 ) 人机交互： l c d 显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。 三、嵌入式操作系统 在大型以及复杂的嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需 要具备一种稳定的、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任 务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操 作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也 占用了宝贵的嵌入式系统资源。 嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是“实时操作 系统”。早期的嵌入式系统几乎都是用于控制目的，从而或多或少都有些实时要 求，所以从前“嵌入式系统”实际上是“实时操作系统”的代名词。近年来，由 于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现，也有了许多不带实时要求的嵌入式系 统。另一方面，由于c p u 速度的提高，一些原先需要在“实时”操作系统上才 第一章绪论 能实现的应用，现在已不难在常规的操作系统上实现。在这样的背景下，“嵌入 式操作系统”和“实时操作系统”就成了不同的概念和名词。 目前流行的嵌入式操作系统主要分为两类：一类是商用嵌入式操作系统，由 商业公司编写并提供技术支持，如美国w m d r i v e r 公司的v x w o r k s ，微软公司的 w m d o w sc e 等。商用嵌入式操作系统一般采用计费许可证方式，以提成的方法 向用户收取费用。购买者先付一笔费用来购买嵌入式操作系统及其开发环境，在 此基础上开发出自己的产品。然后每售出一套采用该操作系统的产品，便从中抽 取一定的费用。为了便于应用系统的开发和调试，用户需要额外付费才能得到嵌 入式系统的源码。采用商用操作系统的好处是能够得到比较好的技术支持。另一 类是开发源代码的嵌入式操作系统，如u c o s i i ，l i n u x 及其衍生系统等。这类 操作系统的源码可以从网络上免费得到，内核可以裁减，开发软件环境也是免费 的，随着互联网的发展，这类操作系统得到飞速的发展。在我国更是得到政府的 支持，具有更广阔的发展前景。 四、嵌入式应用软件 嵌入式系统应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平 台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。 有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下也可以不需要 专门的操作系统。嵌入式应用软件是用户开发的重点，用户的系统开发通常需要 做的软件方面的工作主要是应用软件。 1 2 嵌入式l i n u x 系统 ， 1 2 1 嵌入式操作系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概念 却早己存在。从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控 制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近3 0 年的历史。纵观嵌入式系统的发展 历程，大致经历了以下四个阶段。 一、无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现， 具有监测、控制、设备指示等功能。一般没有操作系统的支持。这一阶段嵌入式 系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一；存储容量较小；几乎没有用户接 口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而在工业控制领域中得到了非 常广泛的应用。 第一章绪论 二、简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c n 造商开始把嵌入式应用中 所需要的微处理器、i o 接口、串行接口以及r a m 、r o m 等部件统统集成到一片 v l s i 中，制造出面向y o 设计的微控制器，并一举在嵌入式系统领域中异军突起。 与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作系统”开发嵌入式 应用软件，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：出现大量高可靠性、低功耗的嵌入式 c p u ( 如p o w e r p c 等) ，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此 时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展 性，内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。 三、实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字通信和信息家电等巨大需求的 带动下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的d s p 产品则向 着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系 统的软件规模不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统( r t o s ) ，并开始成为 嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已 经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的 嵌入式操作系统己经具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用 户界面( g t r 0 等功能，并提供了大量的应用程序接t a ( a p l ) ，从而使得应用软件的 开发变得更加简单。 四、面向i n t e r n e t 阶段 2 1 世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的 呼声自然也越来越高。随着i l a t e m e t 的进一步发展，以及i n t e r n e t 技术与信息家电、 工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合将会成为嵌入式技 术的真正未来。 信息时代和数字时代的到来，为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇，同时 也对嵌入式系统厂商提出了新的挑战。目前，嵌入式技术与i n t e x n e t 技术的结合正 在推动着嵌入式技术的飞速发展。 1 2 2 从l i n u x 到嵌入式l i n u x 系统 l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统。1 9 9 1 年芬兰学生l i n u st o r v a l d s 将 自己编写的一套保护模式下操作系统的源代码( l i n u x 原型) 放在网络上，吸引 了一大批顶级黑客加入到l i n u x 的开发队伍中，从而使得l i n u x 在短期内就成为 第一章绪论 一个稳定、成熟、实用的操作系统。 与传统的操作系统不同，l i n u x 操作系统的开发一开始就在f s f ( f r e e s o f t w a r ef o u n d a t i o n 自由软件基金会组织) 的g p l ( g n up u b l i cl i c e n s e ) 的版 权控制之下，l i n u x 内核的所有源代码都是开放的。其内核的发布是由l i n u s t o r v a l d s 和a l a nc o x 等领导的内核开发小组使用c v s 进行版本控制，使得全世 界的开发者可以通过网络进行协同开发，从而l i n u x 内核开发的速度相当快，目 前在其站点( h t l p ：w w w k e m e l o r g ) 上几乎每间隔三天就进行一次内核的升级， 目前最新的稳定内核是2 6 2 0 。 和其他操作系统相比，l i n u x 操作系统具有以下优点： ( 1 ) 内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、兼容性好。 l i n u x 是一个类u n i x 的操作系统，其代码完全是重新开发的，内核功能强 大，实现简洁。由于它开放源代码，使得l i n u x 的源代码得到了众多网络黑客的 审查和修改，有着非常好的稳定性，可以胜任7 ( 天) x 2 4 ( 小时) 、3 6 5 ( 天) x 2 4 ( 小时) 等高稳定性应用程序的要求。 最新的l i n u x 内核支持多种体系结构的处理器，包括几乎目前流行的i n t e l x 8 6 、m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 、s u ns p j 虹配等所有微处理器体系结构。 同时：l i n u x 平台上的应用软件也不断地得到扩充。许多著名的商业软件都有了 l i n u x 下的版本。像办公自动化的s t a ro f f i c e 、开发环境k d e v e l o p 、数据库o r a c l e 8 f o rl i n u x 、a d o b er e a d e r7 0f o rl i n u x 、a p a c h e 网络服务器等重量级的应用程序 都已经纷纷推出，b o r l a n d 公司也推出d e l p h i 的l i n u x 版本k y l i x 。另外，像k d e 、 g n o m e 等强大的桌面环境的推出，在很大程度上也提高了l i n u x 的易用性。 ( 2 ) 内核可根据需要任意裁减， 根据g p l 协议规定，l i n u x 操作系统的源代码可以免费获得，并在遵守g p l 协议的条件下进行修改。这就使得修改l i n u x 内核来满足自己开发的需要成为可 能。目前，众多的嵌入式l i n u x 版本，正是受益于l i n u x 的这一特点。 ( 3 ) 使用成本低 使用商业操作系统都需要为每一个复制支付相当数量的费用，同时在其下的 应用软件也都需要购买才能使用。另外，还需要为组成开发环境的应用软件支付 大量费用。相比之下，l i n u x 是免费软件，只需遵守g p l 的规定，就可以免费获 得复制。l i n u x 下有同样遵循g p l 规定的开发软件工具包，如g n u 工具链，所 有这些软件购买费用几乎可以忽略不计。 ( 4 ) 众多专业的商业公司参与，发展潜力大 l i n u x 开放源代码的特点也使得一大批专门商业公司参与到对l i n u x 的开发 之中，如r e d h a t 、m m 和c y g w i n 等。这些公司一面参与l i n u x 的开发，一面 第一章绪论 将l i n u x 内核和应用软件整合起来，加入自己的安装和配置管理工具打包发行， 这就是常说的l i n u x 发行版本。l i n t l 文发行版本众多，最有名的有r e d h a t 、d e b i m 、 s e s u 等。这些发行版本整合了大量的l i n u x 应用软件，并且提供了相对容易的 使用和管理界面，极大降低了l i n u x 的使用难度，为l i n u x 的普及提供了方便。 嵌入式l i n u x 就是在嵌入式系统中使用的l i n u x 。通常是将标准l i n u x 进行 相应改造后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入式应用程序提供操作系统 服务。要修改l i n u x 使其嵌入式化主要集中在两个方面：一是体积，二是实时性。 针对这两方面，国外的一些公司和研究机构开发出了各具特色的嵌入式l i n u x 版 本，从互联网上都可以免费获得。 与目前市场上的商业r t o s ( 实时操作系统) 相比，嵌入式l i n u x 还拥有以 下的独到之处： ( 1 ) 完全开放源代码 嵌入式l i n u x 开放源代码，这使得学习、修改、裁减l i n u x 成为可能，开发 者可以对嵌入式l i n u x 进行二次开发。可以根据实际应用的需要进行系统裁减、 代码优化来降低系统开销和功耗，而对于商业软件公司，要达到同样的要求需要 付出高额的版本费用。因此使用嵌入式l i n u x 做应用开发，成本很低，这一优点 对于对成本极为敏感的嵌入式系统是十分重要的。 ( 2 ) 适用于许多硬件平台 目前嵌入式l i n u x 已经可以在数十种3 2 位和“位芯片中运行，它们包括 i n t e l x 8 6 、i n t e lx 唰如、p o w e r p c 、s 雕岖c 、a u 姒、a r m 、m 6 8 k 、m p s 、s u p e r h 等常见的芯片类型。从l i n u x 2 0 开始，它不仅支持单处理器的机器，还能支持 对称多处理器( s m p ) 的机器。 ( 3 ) 可运行丰富的实用软件 l i n u x 操作系统是一个完整的、功能强大的操作系统，提供了大量的实用程 序和各种各样的应用软件。这些软件的正确性和可靠性都经过了实际应用检验。 而且，它不仅可以运行许多自由发布的应用软件，还可以运行许多商品化的软件。 利用这些软件可以迅速构建嵌入式应用的软件环境，降低开发时间和费用，提高 系统可靠性。 1 2 3 嵌入式l i n u x 系统发展应用状况 嵌入式l i n u x 方面，国外的发展较快，出现了很多优秀的嵌入式系统，如 m o n t a v i s t as o f t w a r e 公司推出的m o n v i s t a l i n u x ：l i n e o 公司推出的u c l i n u x ，美 国新墨西哥理工学院研究的r t l i n u x 等等，应用很多。 由于多种原因，l i n u x 在国内的推广比国外晚了几年，近年来有更多的软件 第一章绪论 爱好者开始了l i n u x 的学习、应用和研究开发；同时，许多大学开始教授l i n u x 课程，这些都为l i n u x 在中国的推广奠定了基础。现在，不少公司，如华为已经 开发出基于嵌入式l i n u x 的路由器等嵌入式产品，还有不少公司采用嵌入式 l i n u x 开发手机操作系统。l i n u x 在中国正处于蓬勃发展的阶段。 1 3 嵌入式微处理器和a r m 一、嵌入式微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目 前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构包 括m c u 、m p u 等3 0 多个系列，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越 低。嵌入式处理器可分为： ( 1 ) 低端的微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru 面t ，m c u ) ； ( 2 ) 中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e 枷p u ) ； ( 3 ) 通讯领域的d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) i ( 4 ) 高度集成的片上系统( s y s m n o n c h i p ，s o c ) ； 二、a i t m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司成立于1 9 9 0 年，是全球领先的1 6 3 2 位m s c ( r e d u c e di n s m m t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器知识产权( 口) 设计提供 商。a r m 公司通过将其高性能、低成本、低功耗的a r m 处理器内核和a r m 处 理器核转让给合作伙伴，由其合作伙伴在上述处理器核和处理器内核的基础上进 行再设计，嵌入各种外围和处理部件，生产出各具特色的芯片。a r m 公司已经 成为移动通讯、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 处理器有3 大特点： ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能；目前a r m 架构处理器在嵌入式 应用领域居于领先地位。 ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集；从而a r m 处理器的适应性更强，不但能够有更 高的处理能力( 3 2 位模式) ，而且具有更快速的反应能力( 1 6 位模式) 。 ( 3 ) 全球众多的合作伙伴； a r m 架构自诞生至今，发展并定义了6 种不同的版本：v 1 - v 6 版架构；其 中，目前应用最广泛的a j t m 7 内核系列是基于v 4 架构的，包括a r m 8 、a r m 9 、 和s t r a n g a r m 都采用该架构。a r m l 0 和x s c a l e 都采用v 5 版架构。 第一章绪论 i a 伺服运动控制系统 伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地 复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。 伺服系统的种类很多，组成状况和工作状况也是多种多样。如图1 2 它一般 有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件为使各部 件之间有效地配合和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿 装置。这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。此外以上各部分都离不开相 应的能源设备、相应的保护装置；控制设备和其它辅助设备。 图1 - 2 按照伺服系统的发展来划分，可以分为模拟伺服系统和数字伺服系统；从伺 服系统组成元件的性质看，有全部由电气元件组成的电气伺服系统，有电气元件 与液压元件组合成的电气一液压伺服系统，有电气元件与气动元件组合成的电气 一气动伺服系统；目前用的最多的是电气伺服系统，常见的有直流伺服系统和交 流伺服系统。随着微电子技术和计算机技术的发展，数字伺服系统由于其控制精 确、集成性好而成为伺服系统的重要组成部分和发展方向。 课题中，所开发的伺服运动控制系统用于移动机器人的驱动，所以采用直流 伺服系统，直流电机由锂电池供电，用a t 8 9 s 5 2 作为处理器，并使用伺服控制芯 片l m 6 2 9 和功率驱动芯片l m d l 8 2 0 0 构成全数字式的伺服运动控制平台。其中伺 服控制芯片l m 6 2 9 是可编程全数字式伺服控制的专用运动控制处理器。具有8 位 分辨率的p w m 输出、内部梯形速度图发生器，可以进行位置和速度控制。 第二章x s c a l e 上位计算机及u - b o o t 的移植 第二章x s c a l e 上位计算机及u - b o o t 的移植 2 1 系统总体设计方案 本文中研究的运动控制系统将用作移动机器人的开发平台，要求能有精确的 运动控制。直流伺服电机可以用电池作为动力，适用于移动平台。所以课题中的 运动控制系统采用直流伺服电机。伺服控制单元采用主处理器a t 8 9 s 5 2 、伺服控 制芯片l m 6 2 9 、h 桥功率驱动器l m d l 8 2 0 0 、m a x o n 直流伺服电动机r e 2 5 ，5 0 0 线增量式光电编码器h e d l 5 5 4 0 构成伺服系统硬件平台。 系统中由处理能力强大的x s e a l e 架构处理器p x a 2 5 5 构成上位计算机， a t 8 9 s 5 2 作为主处理器和伺服控制芯片l m 6 2 9 构成下位机，以串行方式通讯。构 成一个全数字伺服控制系统平台。如下图2 1 所示。其中伺服控制芯片l m 6 2 9 是 可编程全数字式伺服控制的专用运动控制处理器。具有8 位分辨率的p w m 输出、 内部梯形速度图发生器，可以进行位置和速度控制。而且其速度、位置和数字p i d 控制器参数可以在控制过程中改变。此系统有位置和速度两种控制模式，集成度 高，需要外围部件少，易于调试，简化了高精度的运动控制系统的设计。下图中 传感器信号输入可以用于系统扩展，本文中用上位计算机的按键信号代替传感器 信号。 2 2x s c a l e 上位计算机 图2 1 x s e a l e 架构微处理器是基于a r mv 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性 能、高性价比、低功耗的处理器架构。它支持3 2 位a r m 指令和1 6 位t h u m b 指令和d s p 指令集，己应用在数字移动电话、个人数字助理、网络产品和工业 第二章x s c a l e 上位计算机及u - b o o t 的移植 控制等场合。x s e a l e 架构处理器是i n t e l 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 运动控制系统的上位计算机采用x s e a l e 架构的p x a 2 5 5 处理器构建。图2 - 2 所示为p x a 2 5 5 的处理器结构图。p x a 2 5 5 采用高效能、低功耗的x s e a l e 核心、 r i s c 技术和o 1 8 微米工艺，同时它也采用了i n t e l 先进的媒体处理技术，包含 4 0 位累加器和1 6 位s i m d 以增强处理能力和音频视频解码能力。p x a 2 5 5 还具 有丰富的扩展接口，除了s d r a m 、d r a m 和f l a s h 等系统存储器接口外，还可 支持p c m c i a 、c o m p a c tf l a s h 、m m c s dc a r d 扩展卡，u a r t 、b l u et o o t h 、i c 、 s s p 、u s b s l a v e 等串行接口以及大量的g p i o 接口。 以p x a 2 5 5 作为移动机器人的处理平台，能够进行后续的视觉以及复杂的应 用开发。为了以后系统开发的方便，需要进行b o o tl o a d e r ( 启动加载器) 的移 植，这里选用源代码开放的u - b o o t 作为b o o tl o a d e r 进行移植。 下面是上位计算机总体配置的描述： 1 、微处理器：i n t e l x s e a l e p x a 2 5 5 ，主频：4 0 0 m h z ；3 2 b r r i s c 架构，3 2 k 数据c a c h e ，3 2 k 指令c a c h e 。 2 、存储器：s d r a m6 4 m b y t e ，总线速度1 0 0 m i - i z ；i n t e ln o rf l a s h 3 2 m b y t e 。 3 、显示系统：l c d 接口，支持各种s t n ，t f tl c d ，最高支持8 0 0 x 6 0 01 1 口 l c d ；4 + 2 可编程l e d 指示灯。 4 、输入设备：4 个可编程按键；4 线制电阻式触摸屏接口；s p i 接口，可扩 展键盘。 5 、音频系统：立体声输出，输出阻抗3 2 欧姆；立体声混音输入，l i n ei n ，单声道麦克风输入。 6 、通讯接口：1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口一个；i r d a 红外接口一个，支 持s i r 和f i r ；标准r s 2 3 2 接口一个，支持完全的控制信号；标准u a r t 接口 一个，可支持高速蓝牙传输；u s bd e v i c e 接口一个，支持u s b 协议1 1 。 7 、调试接口：标准j t a g 口一个，支持仿真器调试；c p l d j t a g 口一个， 支持c p l d 内容更新。 8 、扩展卡槽：c f 卡插座一个，支持存储卡，w l a n ，m o d e m ，e t h e r n e t ； s d 卡插座一个，支持存储卡； 9 、其他：4 个可编程i o 口；4 个1 0 b i t a d c 接口；1 个p w m 输出口； 第二章x s c a l e 上位计算机及u - b o o t 的移植 图2 - 2p x a 2 5 5 的处理器结构图 2 3b o o tl o a d e r 技术的分析 2 - $ 1b o o tl o a d e r 的概念 一、基本概念 简单地说，b o o tl o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系 统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确 的环境。 引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码，对比p c 的体系结构可 以知道，p c 机中的引导加载程序由b i o s 和位于硬盘m b r 中的o sb o o tl o a d e r ( 比如，l i l o 和g r u b 等) 一起组成。b i o s 在完成硬件检测和资源分配后， 将硬盘m b r 中的b o o tl o a d e r 读到系统的r a m 中，然后将控制权交给o sb o o t l o a d e r 。b o o tl o a d e r 的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到r a m 中， 然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。而在嵌入式系统中， 通常并没有像b i o s 那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由 b o o tl o a d e r 来完成。比如在一个基于a r m 核心的嵌入式系统中，系统在上电或 第二章x s c a l e 上位计算机及u - b o o t 的移植 复位时通常都从地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是 系统的b o o tl o a d e r 程序。 通常，b o o tl o a d e r 是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式领域。 因此，在嵌入式世界里建立一个通用的b o o tl o a d e r 几乎是不可能的。每种不同 的c p u 体系结构都有不同的b o o tl o a d e r 。有些b o o tl o a d e 也支持多种体系结构 的c p u ，比如u b o o t 就同时支持a r m 、m i p s 、x 8 6 等体系结构。除了依赖于 c p u 的体系结构外，b o o tl o a d e r 实际上也依赖于具体的嵌入式系统板级设备的 配置。这也就是说，对于两块不同的嵌入式目标板而言，即使它们是基于同一种 c p u 构建的，要想让运行在一块板子上的b o o tl o a d e r 也能运行在另一块板子 上，通常也都需要修改b o o tl o a d e r 的源程序。 b o o tl o a d e r 通常安装在嵌入式系统的存储器内。系统加电或复位后，c p u 通常都从某个由c p u 制造商预先安排的地址上取指令。比如，基于x s c a l e 核 心的p x a 2 5 5 在复位时从地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 取它的第一条指令。而基于c p u 构 建的嵌入式系统通常都将安装b o o tl o a d e r 的固态存储设备( 如：r o m 、e e p r o m 或f l a s h 等1 映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，c p u 将首先 执行b o o tl o a d e r 程序。图2 3 就是一个同时装有b o o tl o a d e r 、内核的启动参 数、内核映像和根文件系统映像的内存的典型空间分配结构图。 t o po f m e m o r y b o o tl o a d e r p a r a m e t e ra r e a k e r n e l f i l es y s t e m e n do f m e m o r y 图2 - 3 如图2 - 4 所示，b o o tl o a d e r 所在的目标机和宿主机之间一般通过串口 ( r s 2 3 2 ) 、网络接口建立连接，k c r m i t 协议主要用来支持使用串口通过超级终端 下载应用程序，m ，协议则是通过网络方式来下载应用程序，例如操作系统内 核、应用程序等。b o o tl o a d e r 软件在执行时通常会通过串口来进行i