（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式实时操作系统在磁力轴承控制中的应用研究.pdf

a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e mp r o d u c t s a f et h eo r i e n t a t i o no f d i g i t a lp r o d u c to f t h i s i n f o r m a t i o na g e ，i ti s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n dt h es y s t e m d e s i g ni sm u c h t ot h ep o i n t 。t h ee m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i o ns y s t e m i st h eb a s ea n d d e v e l o p m e n tf l a t f o rd e s i g n i n ge m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e m s t h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m sm a k e st h ed e s i g nw o r ke a s i e r , s h o r t st h e d e v e l o p i n gp e r i o d ，e n h a n c e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c t s ，m a i n t e n a n c e a n d u p g r a d ea r ec o n v e n i e n t ，a n di ta l s ob r i n g sa l o n gp r o m i n e n ts o c i a la n de c o n o m i c a l b e n e f i t s t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ead e e pr e s e a r c ho ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m uc o s - i i ，a n dp o r ti t sk e r n e li n t oam a g n e t i cb e a r i n g sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p i ta l s od e v e l o p e dt h em a g n e t i cb e a r i n g sc o n t r o ls o f t w a r e a l lt h e s ew o r km a d et h e r o t o ro ft h em a g n e t i c b e a r i n g ss u s p e n d e ds t a b l y t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l y i n c l u d e s ： i n t r o d u c e dt h ec o m p o s i n go ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dt h ec o n c e p ta n df e a t u r e o fr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m e l a b o r a t e do nt h ek e r n e lo fr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ， i n t e r r u p t i o na n dt h ec r i t e r i o no ff e a t u r eo fi t m a d eac o m p a r i s o no ft h r e ed i f f e r e n t k e r n e l so fr e a l - t i m es y s t e m s ，a n ds u m m a r i z e dt h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e s r e s p e c t i v e l y i n t r o d u c e dt h eb a s i cf u n c t i o no fuc o s i ia n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m k e r n e l ，a n a l y z e d t h e t h e o r y o ft h e m u l t i t a s k i n g ，t a s k s c h e d u l e r , i n n e r t a s k c o m m u n i c a t i o n ，t i m em a n a g e m e n t ，a n dm e m o r y m a n a g e m e n t i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e a n a l y z e dt h e f e a s i b i l i t y , p o s t u l a t e sa n dm e t h o d so fa d a p t i n gt h ep o r to ft h e uc o s - ss y s t e m k e r n e l a n de x p l a i n e dt h ec o n t e n t ，s t e p sa n dt e s t i n gm e t h o dw h i l ep o r t i n g “c o s i i m i n i n m m s y s t e m i n t oat m s 3 0 2 l f 2 4 0 7 a d s e b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n da r c h i t e c t u r eo fm a g n e t i cb e a r i n g sd i g i t a l c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e dt h es o f t w a r ef l o wa n dd e s i g nm e t h o do fc o n t r o ls y s t e m e l a b o r a t e do nt h ei n i t i a l i z a t i o na n dl o a d i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t a s kr u n n i n g , i n t e r r u p t i o nm a n a g e m e n t ，f l o wo ft h er o t o rm o t i o nc o n t r o l ，t h ea p p l i c a t i o no fs e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m i xc o s 1 1w a sa p p l i e di nt h em a g n e t i c b e a r i n g s c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p , t h em u l t i t a s k i n gm a n a g e m e n ti sr e a l i z e d ， i i w h i c hs i m p l i f i e dt h ed e s i g no fc o n t r o ls o f t w a r e t h es y s t e ms o f t w a r eh a se x c e l l e n t s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , a n dm a d et h e m a i n t e n a n c ec o n v e n i e n t t h es y s t e mo f f e r st h e i n t e r f a c ef o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t hi n d u s t r i a l p r o c e s sc o m p u t e r t h ec o n t r o l p a r a m e t e r s c a nb em o d i f i e do n l i n e ，w h i c ha v o i dt h er e p e a t i n gc o m p i l i n ga n dl o a d i n g i n d u c e db yd i r e c tm o d i f y i n gc o n t r o l sp a r a m e t e r sw h i l ed e b u g g i n gt h es o u r c ep r o g r a m ， a n dg r e a t l yr e d u c et h ed e p e n d e n c eo nh a r d w a r ee m u l a t o r t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g no f m a g n e t i cb e a r i n g sc o n t r o ls y s t e mc a l lb ea p p l i e di no t h e rs i m i l a rc a s e sw i t hs o m e p r o p e rs m a l la l t e r a t i o n s t h e i d e ao fp o r t i n gl lc o s i ii n t od s pc a nb eu s e df o r r e f e r e n c ef o re m b e d d e d s y s t e md e s i g n e r k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，k e r n e l ，p o r t ，m a g n e t i c b e a r i n g s 1 1 1 武汉理r 大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目“磁悬浮硬盘转子精度控制理论与技 术的研究”( 项目编号：5 0 3 7 5 1 1 3 ) 和武汉市青年科技晨光计划项目“磁悬浮轴 承精度控制系统的研究”( 项目编号：2 0 0 3 5 0 0 2 0 1 6 0 5 ) ，主要研究嵌入式实时 操作系统在基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的磁力轴承控制系统中的应用。 磁力轴承是一种新型机电综合系统，它利用可控式电磁铁对导磁体的引力， 将轴承转子稳定地悬浮在空中，实现转予和支承之间没有任何机械接触，并且 轴心位置可以由控制系统控制。其研究内容涉及到机械学、转子动力学、电磁 学、电子学、控制理论和计算机科学等多学科的知识。 传统轴承的支承和驱动方式使得轴承轴向尺寸过大，可靠性差，并且由于 共振频率低，无法得到高速和超高速的转动，限制轴承性能的提升。采用磁力 轴承支承转子并直接驱动转子转动，使轴承结构简单化，有可能真正实现高速、 高精度运转。由于其转速只受材料强度的限制，速度提高的前景看好。磁力轴 承的动态性能主要耿决于所采用的控制规律和材料的性能，可以在材料的物理 极限内通过不断改进控制规律或控制算法使其性能有更大的改进，通过改进控 制圊路中信号的测量精度，提高转子的控制精度，从丽提高磁力轴承的性能。 磁力轴承具有功耗低、无机械磨损、使用寿命长等诸多优良的特性，有着广阔 的应用前景。 磁力轴承系统是一个复杂的机电一体化系统，具有很强的机电耦合特性， 采用有较好控制规律的控制器可以大大改善系统的动态性能。控制系统是整个 磁力轴承系统的核心部分，分为硬件和软件，其性能直接影响磁力轴承的稳定 性、动剐度和抗干扰能力。为了提高磁力轴承系统的动态性能、可靠性和减小 控制器体积，采用d s p 芯片实现磁力轴承系统的数字式控制，不仅保证了计算 和控制的实时性，还充分发挥了数字控制的诸多优点。 1 2 嵌入式系统和实时操作系统 随着计算机产业和信息技术的迅速发展及其广泛应用，3 c ( 计算机，通讯， 电子消费产品) 加速合一，数字化时代已经来临，嵌入式设备是数字化时代的 主流产品。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数控机床、智能工具、工 武汉理1 ：大学硕士学位论文 业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。嵌入式软 件是数字化和信息化时代嵌入式产品的核心，嵌入式系统 2 1 在此类产业发展中 具有极其重要的作用。 1 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件 可裁减、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 算机系统呲【2 l 【3 l 4 t 【”。嵌入式计算机的应用极为广泛，远远超过各种通用计算机 的应用。嵌入式系统将先进的计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行 业的具体应用相结合，是个资金密集、技术密集、高度创新的知识集成系统， 其升级换代与产品同步进行，嵌入式产品进入市场后，具有较长的生命周期。 嵌入式实时控制系统是为特定用户群设计的，针对性强的专用系统。与传 统的控制系统相比，嵌入式实时控制系统具有实时性强、可靠性高、支持多任 务调度、集成度高、可扩展性好、系统结构灵活、易予裁减和移植、功耗小、 体积小、存储容量小、性价比高、设计和维护方便等优点，实时和可嵌入是其 最显著的特征，因而其应用范围广泛，尤其是在要求高实时性、高控制精度和 高可靠性的场合，更是得到极为广泛的应用。除传统的计算机工程、微电子技 术学科外，还涉及到许多应用领域的对象学科。典型的应用领域有网络、通信、 航空、航天、机器人、工业控制、工业测控、自动化工程仪器、仪表、汽车、 船舶、信息家电、军事、数字信号处理以及嵌入式系统应用开发环境和电予设 计自动化等方面，在信息化的数字时代的今天占有举足轻重的地位。嵌入式产 品的应用可以大大提升产品的性能，促进产品升级，经济和社会效益显著。 1 2 2 嵌入式实时操作系统的特点 从嵌入式系统的定义分析，嵌入式实时操作系统通常都具有以下几个重要 的特征4 】 6 1 ： 1 ) 系统内核小。出于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小很多。比如e n e a 公司的 o s e 分布式系统，内核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非 常紧密，一般要针对硬件进行系统的裁减移植，即使在同一品牌、同一 系列的产品中，也要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时， 针对不同的任务，往往需要对系统迸行较大改动。程序编译下载要和系 统相结合，这种修改和通用软件的升级是完全不同的概念。 2 武汉理： 人学硕士学位论文 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有操作系统和应用软件的明显区分，不要 求其功能设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也 有利于实现系统安全。 4 ) 高实时性。高实时性的嵌入式操作系统是嵌入式软件应用的基本要求。 而且软件要求固化存储，以提高加载运行速度。软件代码要求高质量和 高可靠性。 5 1 支持多任务。嵌入式软件开发要走向标准化，就必须使用多任务的操作 系统。虽然没有操作系统，嵌入式系统应用程序也可以直接在芯片上运 行，但是采用支持多任务的操作系统，用户可以根据应用程序功能需要， 采用任务模块来设计实现各个功能，设计逻辑更清晰，实现更方便。用 户通过选择配置实时操作系统r t o s ( r e a l - - t i m eo p c r a t i n gs y s t e m ) 的 系统资源，还可以合理的利用和调度系统函数来实现资源的分配和管 理，能更好的保证应用程序的实时性、可靠性和稳定性，并减少开发时 间。 6 1 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具 备自主丌发能力，即使设计完成后，通常也不能对其中的程序功能进行 修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，一般都是基于通 用计算机的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发 时往往有主机和目标机概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的 执行机，开发时需要交替结合进行。 1 2 3 嵌入式操作系统的发展与研究现状 现代计算机的发展主要体现在其芯片技术实现的进步以及在芯片技术基础 上的算法与软件的发展。尽管嵌入式系统有着无比广阔的市场需求和发展前景， 但嵌入式系统的发展，多年来却经历了一个比相对后期产生的个人计算机( p c ) 更为曲折和痛苦的历程。一个完整的嵌入式应用系统，由硬件和软件两大部分 组成，它的应用也受限于硬件和软件两个方面。在嵌入式应用系统的设计中， 需要软件和硬件的彼此适应，均衡考虑软硬件的需求和实现，嵌入式系统发展 的一个基本趋势是软硬件协同设计 j 。 在硬件方面，微处理器的运行速度、功耗、存储器容量和价格等都严格限 制着嵌入式应用程序的装载、运行以及应用，由于存储容量的限制，嵌入式操 作系统的内核要求尽量的精简，容量尽可能的小。而要实现较为完善的功能， 代码必然比较复杂，需要占用较多的存储空间。这样就产生了矛盾，必须平衡 考虑，有所取舍，在实现基本功能的前提下，尽量减少非必要的硬件资源消耗， 武汉理工大学硕士学位论文 尽可能节约硬件资源。 在嵌入式系统发展初期，硬件存储容量小，存储成本昂贵，限制了嵌入式 系统的发展和应用。但随着计算机技术的不断发展，作为嵌入式系统基础的集 成电路，已经从早期简单的集成电路发展成当前大规模集成电路和嵌入式系统 芯片，以摩尔定律神奇般的速度迅速地实现小型化，并将电子产品的成本降低 到了百万分之的地步。芯片技术的发展从各个方面满足经济性、小型化、可 靠性、高速度和智能性五个基本条件以及嵌入式系统苛刻的应用要求。高集成 度和微电路的精心设计在技术上保证了产品系统的可靠性，程序存储空间成倍 增加，芯片性能的大幅提升，为嵌入式系统的发展和应用提供了良好的基础。 在嵌入式软件方面，嵌入式系统软件的发展始于2 0 世纪6 0 年代晚期，当 时用于电子电话交换机的“存储程序控制器”的本质是一个固态控制程序，是 嵌入式系统软件的雏形。 7 0 年代后期出现了基本的嵌入式操作系统，他们采用汇编语言编写，由于 是针对特定的微处理器而设计的，所以只能运行在相应的特殊微处理器上。虽 然嵌入式系统已经出现，但只是应用于针对特定微处理器的专用系统，应用范 围有限。 8 0 年代后，各种各样的商用嵌入式操作系统广泛应用，但这些操作系统大 部分为专有系统而开发，各个系统开发者自成体系，没有统一的行业标准和规 范，从而形成了现在各种形式的商用实时操作系统忙l ，彼此都不能兼容。这些 嵌入式操作系统主要是国外的商用系统，如v x w o r k s 、p s o s 、w i n d o w sc e 、q n x 、 n u c l e u sp i ，u s 、c m x 、l y n x o $ 、0 s - 9 、r t x c 和v r t x 等，国内自主开发的嵌入式 操作系统有中科院的h o p e n 和北京科银京城的d e l t a o s 。 另外，还有免费使用和源码公开的实时嵌入式操作系统1 8 1 。如l i n u x 和u c o s t i ，它们是操作系统内核源码全部公开的操作系统，使用者可以得到详细 的源代码讲解和注释，操作系统对软件开发者是完全透明的，用户理解嵌入式 操作系统原理和使用系统开发嵌入式应用程序相对简单和方便。目前，这类系 统受到开发者高度重视，进行了广泛的应用研究。 uc o s i i 是美国的j e a nj l a b r o s s e 先生1 9 9 2 年开发的实时嵌入式操作 系统。它是源码公开的实时嵌入式操作系统，具有以下特点：源代码公开，系 统透明；内核可裁减，可根据需要只选择系统提供的必须使用的功能，尽量减 少应用程序的存储空间，内核移植性较好；多任务运行和调度，最多可以支持 5 6 个用户任务，采用基于任务优先级占先式内核调度策略，保证高优先级的任 务优先执行：程序可固化；程序运行具有确定性，不论应用程序的用户任务多 或少，系统服务执行时间可以估计：提供了丰富的系统管理服务功能，有邮箱、 4 武汉理1 j 大学硕士学位论文 消息队列、信号量、任务通信、内存管理和时间管理；提供中断管理；稳定性 和可靠性高。 由于uc o s i i 具有以上优点，自从它的初始版本uc o s 推出以来，已经 有很多成功的商业应用，为系统应用提供了优秀、稳定和健壮的支持。 目前，已进入我国市场的国外商品化的嵌入式实时操作系统有v x w o r k s 、 w i n d e w sc g 、q n x 、n u c l e u sp l u s 和u c o s i i 等。我国自主开发的嵌入式系统 软件产品有科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅包 括d e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉开发工具套件， 测试工具，应用组件等；此外，中科院也推出了h o p e n 嵌入式操作系统。 现在，嵌入式操作系统功能已经比较完善，可以实现各种基本的功能，一 般满足可嵌入、可移植和内核可裁减，支持多任务和基于优先级的多任务抢占 式凋度【9 】【1 0 】 1 e 1 2 1 。对硬件的支持大大提高，一般的嵌入式操作系统都支持常 用的嵌入式芯片，通用性有很大的提高。应用嵌入式实时操作系统，可以根据 硬件条件和系统需求，设计出容量小、功能比较完善的嵌入式应用程序。 到目前为止，商业化嵌入式操作系统的发展主要受到用户对嵌入式应用系 统的功能需求、硬件资源以及嵌入式操作系统自身灵活性的制约。而随着嵌入 式系统的功能越来越复杂，硬件所提供的条件越来越好，选择嵌入式操作系统 也就越来越有必要了。到了高端产品的阶段，采用商业化嵌入式操作系统是最 经济可行的方案，这是嵌入式操作系统应用发展的方向。随着信息化、智能化、 网络化的发展，嵌入式技术应用的全面展开，目前已成为通信和消费类产品的 共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。而软件、集成 电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。信息和数字产业的发展离不 开嵌入式系统技术，嵌入式市场展现了美好前景，同时也对嵌入式的发展提出 了新的挑战。精简系统内核、算法优化、降低功耗和软硬件成本，提高网络化 和信息化的程度及网络互连是今后嵌入式系统发展的大趋势。 未来的嵌入式系统将向下面几个趋势发展：1 支持联网；2 支持设备小型 化、提供精美的多媒体人枫界面；3 低功耗和低成本的趋势。随着无处不在的 因特网接入市场的快速增长，嵌入式因特网接入开始成为嵌入式系统技术中最 具亮色的一道风景。 1 。3 课题的研究工作 在传统的软件设计中，系统一般采取基于过程控制的开发方式，控制系统 的设计和实现主要有以下缺点： 5 武汉理r 大学硕士学位论文 1 ) 过程控制程序的各个功能模块之间一般没有优先级区分，重要的功能模 块不能优先执行，控制程序的逻辑时序没有优化； 2 ) 过程控制系统程序设计的出发点虽然也是基于功能模块，但其程序结构 一般是按照执行逻辑来设计，结构复杂，不能按照功能需求来设计不同 的任务并集中调度管理，不支持多任务运行和调度； 3 ) 系统加载后运行过程和执行时间不可预测，整个控制程序的稳定性和可 靠性较差，一般不能同时满足高实时性、高稳定性和高可靠性的要求： 4 ) 系统难以扩展和移植，移植性、扩展性和维护性能较差。 随着技术的发展，越来越要求针对特定的用户，设计出功耗低、价格低、 精度高、抗干扰能力强、实时性好的稳定可靠的系统。嵌入式实时操作系统是 一种新的丌发应用程序方式，致力于解决传统的开发方式中的问题，具有高实 时性、高可靠性、并行性和可预测性1 1 2 1 等特性，支持基于优先级的多任务运行 和调度，非常具有现实意义，也是科技发展的趋势。 论文结合uc o s ，i i ，研究嵌入式实时操作系统的理论和应用程序的开发方 法，以及“c o s i i 在磁力轴承控制系统中的应用，解决嵌入式实时操作系统u c o s i i 在d s p 处理器上的内核移植及测试，在磁力轴承控制器中实现嵌入式系 统软件设计1 7 1 。 采用嵌入式实时操作系统uc o s i i 设计应用软件，同其它嵌入式实时操作 系统和传统的程序设计方法相比，具有以下特点： 1 ) uc o s i i 是小型的嵌入式实时操作系统，具有般商业的嵌入式实时 操作系统的可移植性、可裁减、高实时性、多任务、占先式任务调度等 特点，可以对d s p 控制器进行更好的事务管理。 2 )pc o s i i 内核精简，开发的嵌入式应用程序较使用其它嵌入式系统内 核占用的存储容量小，但比不用嵌入式系统内核占用的存储容量大。 3 ) hc o s i i 用于学习和研究完全免费，源码公开，系统对应用程序开发 者完全透明，便于理解嵌入式系统的工作原理和实现方法，方便开发者 查找和彻底分析程序中的错误，开发效率高，开发周期较短，节约人力 成本。 4 ) 应用程序可靠性高，稳定性和实时性好。采用嵌入式实时操作系统来管 理和调度系统资源，应用程序的可靠性和稳定性得到提升。 5 ) 应用程序采用基于任务的开发模式，移植性和扩展性好，程序的维护和 系统升级简单方便。 课题研究的内容主要分两个阶段进行。第一阶段，首先进行嵌入式实时操 作系统“c o s i i 的内核剖析，研究系统结构和工作原理，主要研究内容有：系 武汉理t 人学硕士学位论文 统的内核结构；任务管理；时间管理：事件控制块：信号量管理；互斥型信号 量管理；事件标志组管理；消息邮箱管理；消息队列管理和内存管理。接着实 现uc o s i i 在d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上的内核移植和测试，实现uc o s i i 最小 系统在d s p 上稳定运行。第二阶段，研究嵌入式实时操作系统pc o s i i 在磁力 轴承控制系统中的应用程序开发，实现磁力轴承转子稳定、可靠地控制。 1 4 论文主要内容的安排 论文研究嵌入式实时操作系统的原理、嵌入式软件设计及其在磁力轴承控制 中的厦用，重点研究嵌入式实时操作系统pc o s i i 源码、体系结构和系统工作 原理，主要研究工作有以下几个方面。 ( 1 ) 论述了嵌入式操作系统的结构和性能。论述了嵌入式操作系统的组成 结构，内核关键代码和中断等，比较了三种不同的实时系统内核，总结了它们 的优点和缺点。 ( 2 ) 分析了嵌入式实时操作系统uc o s - i i 的内核源代码。系统地研究了嵌 入式操作系统uc o s i i 的系统体系结构和工作原理，对系统的内核结构、任务 管理、消息管理和时间管理等作深入分析，从微观的角度分析了整个系统，为 后期的应用程序开发奠定理论基础。 ( 3 ) 研究了uc o s i i 在目标处理器的移植策略。分析了“c o s i i 内核裁 减和移植可行性，论述了uc o s - i i 移植的基本条件、技术路线和移植方法，在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 上进行了uc o s - i i 内核移植和测试，开发了c o s i i 最 小系统，软件在d s p 上运行稳定可靠。 ( 4 ) 在磁力轴承控制系统中，将嵌入式实时操作系统uc o s i i 应用到d s p 控制器，成功丌发了嵌入式应用软件。论述了磁力轴承的组成结构，分析了嵌 入式应用软件实现的技术和方法。分析了磁力轴承控制软件的程序流程和具体 实现。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式实时操作系统概述 近代计算机技术的发展，形成了两类计算机系统独立使用的计算机系 统和嵌入式应用的计算机系统。嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统，是计算 机的一种应用形式，通常指嵌入在主设备中的微处理机系统，一般不被设备使 用者在意，典型的有微控制器、微处理器和d s p 等。它完成特定的功能，结构 相对简单，一般作为其它系统的组成部分而使用，涵盖了广泛的应用领域。 由于被嵌入对象的复杂性以及系统性能、体系结构要求的多样化，导致了 嵌入式系统的多样性、多途径的发展与应用。嵌入式系统作为一种计算机系统， 和通用的计算机系统不同，应用涉及到许多学科领域，它的广泛应用对经济性、 小型化、可靠性、高速度和智能性的要求严格，特定的实时嵌入式系统对系统 实时性要求苛刻。 嵌入式系统出硬件系统和软件系统两大部分组成。 2 1 嵌入式系统硬件 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处 理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个，其中8 0 5 1 体 系占大多数，生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品。 目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 i m i p s 到 2 0 0 0 m i p s 。 嵌入式处理器一般都具有以下四个特点1 1 3 】： 1 ) 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较 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。由于嵌入式系统的软件结构一般为模 块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，一般设计了强大 的存储区保护功能，它可以帮助软件故障诊断。 3 ) 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式处 理器。 4 ) 低功耗。尤其是用于便携式的无线、移动计算和通信设备的嵌入式处理 器，功耗可以达到r r l w 级甚至u w 级。 8 武汉理l 大学硕士学位论文 近年来嵌入式微处理器的重要发展方向是小体积、高性能、低功耗，专业分 工也越来越明显，出现了专业的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权核) 供应商，如a r m ，m i p s 等，他们提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各 个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。 如图2 - 1 所示，般可以将嵌入式处理器分成4 类【”】f 4 】【“】，即嵌入式微处 理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ， m c u ) 、嵌入式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 ) 和嵌入式片上系 统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 图2 1 嵌入式系统处理器分类 2 2 嵌入式系统软件 嵌入式系统软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接 计算机硬件与应用程序的系统程序，有两个基本功能：使计算机硬件资源便于 使用；高效组织和正确地使用计算机资源。主要任务是负责进程管理、进程间 通信与同步、内存管理和l o 资源管理。 嵌入式系统一般可以分为实时嵌入式系统和分时嵌入式系统两类【l ”，实时 嵌入式系统又分为软实时嵌入式系统和硬实时嵌入式系统，如图2 2 所示a 实 时嵌入式系统陋1 是指具有实时性，对外部事件响应时间很短，能支持实时控制 系统工作的系统。实时系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制 任务；其次着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度， 在重要事件规定的时间内做出正确的响应，不一定要使用效率达到最优化。 9 武汉理1 ：大学硕士学位论文 图2 2 嵌入式系统的分类 实时嵌入式系统和分时嵌入式系统具有显著的区别1 1 7 。对于分时嵌入式系 统，软件在执行时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一 般不会造成灾难性的后果，对系统的后续运行没有关键性的影响。对于实时嵌 入式系统，系统执行的f 确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且还取决于结果的 产生时问，如果逻辑和时序出现偏差，将会引起严重后果。在软实时嵌入式系 统中，系统的宗旨是使各个任务尽快的运行，而不要求限定某一任务在多长时 问内完成。在硬实时嵌入式系统中，系统的主要任务是对事件进行实时的处理， 虽然有些事件可能在无法预知的时刻到达，但是系统必须在事件随机发生时， 在严格的时限内做出响应( 系统的响应时间) ，即使是系统处在任务繁重的尖峰 负荷下，也应及时响应。系统的响应时间超时就意味着致命的失败，系统不能 正常运行，甚至可能会导致系统崩溃。硬实时嵌入式系统的重要特点是系统运 行具有可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计，在系统 设计时，可以对系统运行状况进行评估，采取一定保护措施来保障系统稳定可 靠运行。 硬实时嵌入式系统和软实时嵌入式系统对于外界的事件做出反应的时间性 能是有很大差别的在对时间性能要求严格的系统中，一般选择硬实时嵌入式 系统。 在系统实现上，硬实时嵌入式系统和软实时嵌入式系统的区别主要是在调 度算法的选择上。对于软实时嵌入式系统，选择基于优先级调度的算法一般满 足需求，而且可以提供大的系统吞吐量，支持较多的任务；丽对于硬实时嵌入 式系统，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的高实时性调度 算法。大多数嵌入式实时系统是二者的结合。 2 3 嵌入式实时操作系统 2 3 1 实时操作系统的关键指标 实时操作系统r t o s 重要的性能指标主要有以下几点1 1 8 ： 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 1 ) 中断响应时间：从中断发生到相应的i s r ( 中断服务程序) 运行的时间 间隔。中断响应时问与应用程序相关，是可以预测的，如果同一时间有 多个中断发生，则中断响应时阳的数量级要增加。 2 ) 任务切换时间：多任务之问进行切换而花费的时间。 3 ) 系统响应时间：系统在发出处理要求到系统给出应答信号的时间。 这些性能直接关系到实时操作系统的实时性、稳定性和可靠性。 2 3 2 中断 中断吲是一种硬件机制，用于通知c p u 有异步事件发生了。中断一旦被识 别，c p u 保存部分( 或全部) 现场( c o n t e x t ) ，即保存部分或全部寄存器的值， 跳转到专门的中断服务子程序( i s r ) 。中断服务予程序做事件处理，处理完成 后，程序回到： 1 1 对于前后台系统，程序回到被中断了的任务； 2 1 对于不可剥夺型内核，程序回到被中断了的任务； 3 1 对于可剥夺型内核，让进入就绪态的优先级最高的新任务开始运行，挂 起原来的低优先级任务，如果没有比当前任务优先级高的新任务就绪， 则回到被中断了的原任务。 中断奶 图2 - 3 中断嵌套 中断使得c p u 可以在事件发生时才处理，而不必让处理器连续不断地查询 ( p o l l i n g ) 是否有事件发生。通过2 条特殊指令：关中断( d i s a b l ei n t e r r u p t ) 和 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 丌中断( e n a b l ei n t e r r u p t ) ，可以让处理器不响应或响应中断。关中断影响中断延 时时间，在实时环境中，关中断的时间应尽量短，关中断时间太长，可能会引 起中断丢失。处理器一般允许中断嵌套，在中断服务期间，处理器可以识别另 一个更重要的中断，并服务于那个更重要的中断。中断嵌套流程图如图2 - 3 所示。 ( 1 ) 中断延时 实时内核最重要的指标就是关中断的时问长短。所有实时系统在进入临界 区代码段之前，都要关中断；执行完临界代码之后，再开中断。关中断的时间 越长，中断延时就越长。在系统中，中断延时越短越好。中断延时由表达式( 2 1 ) 给出。 中断延时=关中断的最长时间+ 开始执行中断服务子程序第l 条指令的时间 ( 2 1 ) ( 2 ) 中断响应 中断响应定义为：从中断发生到开始执行用户的中断服务子程序来处理这 个中断的时间，中断响应时间包括开始处理这个中断前的全部开销。典型的， 执行用户代码之前，要保护现场，将c p u 的各寄存器推入堆栈，这段时间将被 记做中断响应时间。 对前后台系统，保存寄存器以后立即执行用户代码，中断响应时间由式 ( 2 2 ) 给出。 中断响应时间一中断延时+ 保存c p u 内部寄存器的时间 ( 2 2 ) 对于不可剥夺型内核，处理器保存内部寄存器以后，中断服务予程序代码 立即全部得到执行。不可剥夺型内核的中断响应时间由式( 2 3 ) 给出。 中断响应时间=中断延时+ 保存c p u 内部寄存器的时间 ( 2 f 3 ) 对于可剥夺型内核，则要先调用一个特定的函数，通知内核即将开始中断 服务，使得内核可以跟踪中断的嵌套。可剥夺型内核的中断响应时间由式( 2 4 ) 给出。 中断响应= 中断延时+ 保存c p u 内部寄存器的时间+ 内核进入中断服务函数的执行时阃 ( 2 4 ) 武汉理。1 i 大学硕士学位论文 中断响应是系统在最坏情况下的响应时间。如果一个系统1 0 0 次中有9 9 次 在5 0 ! - ts 之内响应中断，只有1 次响应中断的时间是2 5 0 “s ，则只能认为中断 响应时问是2 5 0 “s 。在系统设计时，需要考虑这些最极端恶劣的情形，保证系 统在最环的情形下可以正常运行，稳定工作。 ( 3 ) 中断恢复时间 在前后台系统中，中断恢复时间只包括恢复c f u 内部寄存器值的时间和执 行中断返回指令的时间，中断恢复时间由式( 2 5 ) 给出。 中断恢复时问= 恢复c p u 内部寄存器值的时间+ 执行中断返同指令的时间( 2 5 ) m 自i j 后台系统一一样，不可剥夺型内核的中断恢复时间也只包括恢复c p u 内 部寄存器值的时间和执行中断返回指令的时间，由式( 2 6 ) 给出。 中断恢复时间= 恢复c p u 内部寄存器值的时间+ 执行中断返回指令的时间 ( 2 6 ) 对于可剥夺型内核，中断的恢复要复杂一些，中断恢复时间( i n t e r r u p t r e c o v e r y ) 定义为：处理器返回到被中断了的程序代码所需要的时间，或返回到 更高优先级任务的时削。典型的，在中断服务予程序的末尾，要调用一个由实 时内核提供的函数，这个函数用于判断中断是否脱离了所有的中断嵌套。如果 脱离了嵌套( 已经可以返回到被中断了的任务级时) ，由于中断服务子程序i s r 的执行，内核要判断是否使得个优先级更高的任务进入了就绪态。如果是， 则要让这个优先级更高的任务开始运行，被中断了的任务只有重新成为优先级 最高的任务且进入就绪态时，才能继续运行。对于可剥夺型内核，中断恢复时 问由式( 2 7 ) 给出。 中断恢复时间= 判断是否有优先级更高的任务进入了就绪态的时间+ 恢复优先级更高的任务的c p u 内部寄存器的时间+ 执行中断返回指令的时间 ( 2 7 ) 2 3 3 临界段 临界段也称为临界区 8 1 ，指处理时不可分割的代码，一旦这部分代码开始 一堕堡堡：兰盔堂堡圭堂垡堡塞 执行，则不允许任何中断打断而影响这部分代码的执行。为确保临界段代码不 被中断打扰，在进入临界段之前须关中断，而临界段代码执行完成后，要立即 丌中断，这时恢复响应外界的中断信号，才能对外部的中断事件做出反应。如 果对临界段代码处理不恰当，可能会造成系统崩溃，严重影响系统的响应性能， 降低实时性、可靠性和稳定性。 2 3 4 内核 多任务系统中，内核1 8 】【1 9 1 ( k e r n e l ) 负责管理各个任务，或者说为每个任务 分配使用c p u 的时间，并且负责任务间的通信。因为内核提供的服务需要一定 的执行时恻，内核本身也增加了c p u 的额外负担，在设计得较好的应用系统中。 内核一般占用2 ，5 的c p u 负荷。另外，因为内核是加在用户应用程序中的软 件，内核本身的数据结构增加了r a m ( 数据空间) 的用量，每个任务要有自己 的栈空间，需要占用相当的内存，这些都会增加r a m 的用量。 内核的主要职责是进行调度，就是决定该轮到哪个任务运行了。多数实时 内核是基于优先级调度算法调度任务的，每个任务根据其重要程度，被分别赋 予了不同的优先级，c p u 总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。然 而，高优先级任务何时掌握c p u 的使用权，由使用内核的类型确定。通过提供 必不可少的系统服务，诸如信号量管理、邮箱、消息队列及时间延时等，实时 内核