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摘要 s o p c 技术在机器人控制系统中的应用研究与设计 姓名：朱科星 导师；张传海，郁建平 东南大学 摘要 s o p c 不仅是一种新兴的技术，更代表了一种先进的开发思想，而开发思想对生产力发展的促进作用， 往往远大于技术本身。s o p c 思想的精髓就在于它把软件编程的高度灵活性转移到硬件上，从而具备了控 制系统在可移植性、可扩展性、短开发周期等方面的巨大优势。 s o p c 就是用通用性的方法构建专用的嵌入式系统。 本课题结合s o p c 思想。摒弃了一般嵌入式系统的一个对象设计一个系统的开发方法，把“可编程” 带给我们的极大的灵活性和可拓展性通过合理的利用，实现硬件平台的一种最大程度的“通用性”，让s o p c 技术成为搭建具有“柔性”机制的开放性机器人控制系统的可行方法。 论文首先介绍了s o p c 技术产生的背景，分析了其优良特性和产生的必然性。 其次，以s o p c 在机器人控制系统中的应用作为研究目标和理论准备，分析了s o p c 应用在开放性控 制系统的适用性和巨大优势。 随后，论文介绍了a l t e r a 公司的n i o s1 i 处理器及其结构、性能及总线规范。在此基础上完成了s o p c 硬件平台电路的设计制作，并提出了s o p c 技术实现机器人控制系统的两种方案，分析了两种方案的优劣， 完成了基于第二种方案的伺服系统硬件设计。 接着，以自动化生产线智能控制系统为例，详细介绍了该系统在现实对象中的应用移植过程，并分析 了通过s o p c 方法进一步改造的空间和设想。 最后，对论文进行了总结，并提出了后续研究的展望。 关键词：s o p c ，n i o s ，f p g a ，机器人控制系统，通用控制器 东南大学硕士论文 t h er e s e a r c ho ft h ea p p l i c a t i o no fs o p c t e c h n o l o g yi nr o b o t c o n t r o ls y s t e ma n di t sd e s i g n n a m e ：z h uk e - x i n g s u p e r v i s o r ：z h a n gc h u a n - h a i ；y uj i 柏- p i 玛 s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s o p ci sn o to n l yar i s i n gt e c h n o l o g y , b u ta l s oar e p r e s e n t a t i o no fak i n d o fa d v a n c e dl h i l l h n go f d e v e l o p m e n t t h ee f f e c to f t h et h i n k i n go nt h es t i m u l a t i o no f p r o d u c t i v i t yd e v e l o p m e n ti sm u c hg r e a t e rt h a nt h e t e c h n o l o g yi t s e l f t h es o u lo f s o p ct i e si nt h et r a n s f e ro f h i g hf l e x i b i l i t yf r o ms o f t w a r ep r o g r a m m i n gt oh a r d w a r e , t h e r e f o r eo b t a i n st h eh u g ea d w a n t a g eo fc o n t r o ls y s t e mi nw a n s p l a n t a b i l i t y , e x p a n s i b i l i t ya n ds h o r td e v e l o p m e n t p e r i o d s o p ci st ob u i l das p e c i f i ce m b e d d e ds y s t e mw i t hg e n e r a lm e t h o d c o m b i n i n gw i t ht h et h i n k i n go f s o p c ，t h er e s e a r c ha b a n d o n st h ec o m m o nd e s i g nm e t h o do f o n es y s t e mt o o n eo b j e c to fe m b e d d e ds y s t e m i tr e a l i z e st l l ec o m m o n a l i t yo fh a r d w a r ep l a t f o r mt ot h ef u l l e s te x t e n tb y r e a s o n a b l e 埘l i 五n go f s o p c sa g i l i t ya n de x p a n s i b i l r y s os o p ct e c h n o l o g yb e c o m e saf e a s i b l em e 血o dt ob u i l d a no p e ni n t e l l i g e n tr o b o tc o n 舡o ls y s t e mw i t hf l e x i b l em e c h a n i s m 1 1 l i sp a p e rf i r s ti n u - o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h eb i r t ho f s o p ca n da n a l y z e si t sa d v a n t a g ea n di n e v i t a b i l 姆 o f i t sb i r t h s e c o n d l y , r e g a r d i n gt h ea p p l i c a t i o no fs o p ci nr o b o tc o n t r o ls y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t i v ea n dt h e o r y p r e p a i 嘶v e ，t h ep a p e rd i s g t s s e st h ep r a c t i c a b i l i t ya n dg r e a ta d v a n t a g eo f t h ea p p l i c a t i o no fs o p ci no p e nc o n t r o l s y s t e m n i 耐l y ，n i o si is o rp r o c e s s o rt o g e t h e rw i t hi t sa r c h i t e c t u r e ，p e r f o r m a n c ea n do i 卜c h i pb u sr e g u l a t i o ni s e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o n , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e s i g no fe l e c t r o c i r c u i to fs o p c h a r d w a r ep l a t f o r ma n dp u t sf o r w a r dt w os c h e m e so ft h ea p p l i c a t i o no fs o p ci nr o b o tc o n t r o ls y s t e m a f t e rt h a t t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so f t h e s et w os c h e m e sa r ed i s c u s s e d n ”h a r d w a r ed e s i g no f s c l - v ob a s e do nt h e s e c o n ds c h e m eh 鹌b e e nc o m p l e t e da f t e rt h ed i s c u s s i o n s u b s e q u e n t l y , t a k i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n ea sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e r i n l r o d u c e st h ep r o c e s so fr e p o t 衄a n da p p f i c a t i o ni nr e a lo b j e c t sa tl e n g t ha n da n a l y z e st h ei d e a sf o rf u t u r e d e v e l e p m e n tw i t hs o p cm e t h o d f i n a l l y , ac o n c l u s i o ni so v e na n dt h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e m c hi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：s o p c ，n i o si i ，f p o a , r o b o tc o m r o ls y s t e m , a l l - p u r p o s ee n m r u ls y s t e m 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。 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 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 齐科墨 导师签名 期：a 砂f ，； 第一章绪论 1 1 课题的技术背景 1 1 1 从s o c 到s o p c 第一章绪论 “科技是生产力发展的第一动力”，每一次科学技术的的变革都会给生产力发展带来巨大的影响。 电子技术和计算机应用技术的发展以及e d a 设计技术的不断进步与完善，不仅给电子系统的设计和 应用带来了新的思路和发展机遇，也对传统的电子系统设计手段提出了严峻的挑战。 于是，微电子和计算机领域的原理创新、技术创新、应用创新层出不穷，极大地推动了科学技术的发 展，深刻地改变着人们对自然界的认识和人们的生活。 在该领域中，嵌入式系统、s o c 、s o p c 、i p 核等新概念、新技术异峰突起，其应用范围迅速深入到 制造业、通信、控制、仪器仪表、生物、汽车、船舶、航空航天以及消费类的电子等方方面面。 近年来，半导体技术的飞速发展给传统的芯片设计方法带来了一场革命，而s o c 概念的产生并被业 界广泛接受则是这场革命的一个重要标志。 片上系统( s o c ) 又称为集成系统( i n t e g r a t e ds y s t e m ) , 简称i s 。i s 与集成电路( i c ) 的设计思想是不同的。 i s 或s o c 是一个复杂的系统。它一般将一个完整的产品的各功能集成在一个芯片上或芯片组上，其中可 能包括处理器( c p u ) 、存储器、硬件加速单元( 如图像语言处理单元、d s p 、浮点协处理器等) 、与外围设备 的接口f o 、模数混合电路( 放大器、比较器、a d 、d a 、射频电路、锁相环等) ，甚至延拓到传感器、微 机电和微光电单元。s o c 的设计方法必然是自顶向下( t o p - d o w n ) 的从系统级到功能模块的软、硬件协同设 计方法，实现了软、硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内嵌入操作系统的代码模块，具有极高的综合性。 观察和总结集成电路产品的发展特征，其遵循着“专用”和“通用”交替波动发展的“许氏”循环规 则，如图1 1 所示【l 】： 标 准 丑 用 体瞥发明 1 9 4 7 越 室 专 用 矿玲舒心舒心舒心一 r 呀融研融翻 1 9 5 睥1 9 6 s 年l ，7 睥l 螂8 年1 9 9 睥 2 0 0 s 年 ：电路设计： 逻辑设计 ： 软件设计 。 图1 1 。许氏。循环规律 可编程片上系统s o p c ( s y s t e mo n a p r o 蛐b l ec h i p ) 技术的产生正是遵循着这一规则的。 s o c 是专用集成系统，设计周期长，设计成本高；而s o p c 是一种通用器件，是基于f p g a 的可重构 s o c ，能以“设计重用”的方式对现有的核加以充分利用，其设计周期短，设计成本低。s o p c 集成 了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、外围f o 及可编程逻辑，是更加灵活、高效的s o c 解决方案。 s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，s o p c 技术的且标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 f p g a 中实现，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品 维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计是以口为基础。以硬件描述语言为主要设计手段， 借助以计算机为平台的e d a 工具，自动化、智能化地自顶向下进行的过程。 可以这样通俗一点地理解s o p c ：目前c p l d f p g a 的容量越来越大，性能越来越好，加上价格下跌 东南大学硕士论文 的推波助澜作用，以往a s i c 产品才能具有的s o c 概念，也能移植到c p l d f p g a 上，并且因为c p l d f p g a 可编程( p r o t r a m m a b l e ) 能力，使得c p l d f p g a 不仅能实现高复杂度的系统，而且还能快速改变系统的特性。 s o p c 技术的出现，毫无疑问将引起电子领域的新一轮的革命，它颠覆了传统的电子系统设计的概念。 在这个大趋势下，很多相关的专业领域都会受到冲击。哲学上的规律告诉我们，接受新事物是一个痛苦的 过程。我们接受s o p c 的前提是必须首先抛弃许多很成熟的，已全面采用并正在给我们带来稳定效益的技 术。但从科技发展长远目光来看，这样做是值得的 表1 1 是s o p c 与s o c 方案的比较： 表1 is o p c 与s o c 方案的比较 项目基于a s i c 的s o c基于f p g a 的s o c ( s o p c ) 单片成本低较高 开发周期长( 超过5 0 周)短( 少于1 0 周) 开发成本设计工程成本高设计工程成本低 掩模成本高无掩模成本 软件工具成本高软件工具成本低 ( 超过3 0 万美元)( 低于2 0 0 0 美元) 一次投片情况一次投片成功率低、成本高、耗时长可现场配置 集成技术 o 2 5 u 争缶5 n m 0 2 5 p * , 9 0 n m 可重构性不可重构可重构 从上表中，我们可以看出采用s o p c 方案在控制成本、缩短开发周期以及系统的可升级可扩展性和灵 活性方面有着非常大的优势。当今科学技术发展日新月异，一个技术从产生到淘汰的时间较之以前大大缩 短，这种客观事实要求我们缩短产品开发周期以更好适应技术的更新换代，而频繁的更新换代则会增加资 金上的投入次数，s o p c 的优势无疑能很好地解决这些问题。单片成本低，开发周期短，再加上可编程带 来的系统升级的方便性、多选择性，这些都能把我们开发维护投入的人力物力消耗和系统的有形无形损耗 降低到一个令人满意的程度。 不管怎样，s o p c 这一崭新的概念，事实上已成为嵌入式发展的新趋势之一。作为一个能够实现真正 嵌入式的技术，作为一个最有可能替代a s i c 和a s s p 的技术，s o p c 势必将全面渗透到所有集成电路发 挥作用的场合，有人甚至认为s o p c 代表了半导体产业未来的方向吲。 1 1 2s o p c 的技术特点 前面提到s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，也就决定了它是一种特殊的嵌入式：首先，它是片 上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁 减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统可编程的能力。 可以这样定义s o p c ：用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上称作s o p c 。也就是说，s o p c 的 载体是可编程逻辑器件，一般情况下，用的是一片f p g a ( f h d p r o g r a m m a b l eg a t e a r a y 的缩写，即现场可 编程逻辑阵列) 。 这就决定了s o p c 是结合了s o c 和可编程逻辑器件各自优点的技术，一般具备以下基本特征 3 1 1 4 1 ： 至少包含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速r a m 资源； 丰富的m 核资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 可能包含部分可编程模拟电路； 2 第一章绪论 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的软件设计技术、以p c b 和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前以 引起普遍关注的软硬件协同设计技术。 由于f p g a 是可编程的，在f p g a 上实现的嵌入式内核可以根据设计者的需要对其特性进行裁减，使 其符合性能和成本的要求。 f p g a 芯片的可用引脚可以由用户自己来分配，这使得制作s o p c 电路板变得更简单。例如，f p g a 上外部s d r a m 存储器的地址和数据引脚在电路板上可以放到靠近s d r a m 的一侧，这样就可以缩短p c b 上的走线，降低布线难度。 对于容量较大的f p g a 来说，一个嵌入式内核可能只占用其一部分逻辑单元和外部引脚，剩下的资源 可以用来实现其他功能和其他的系统，还可以对现有系统进行扩展。 1 1 3 当前机器人控制系统的发展要求及s o p c 的适用性分析 1 9 8 7 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义；“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功 能，能完成各种作业的可编程操作机。” 机器人控制系统是机器人的核心部分，即指挥机器人完成各种作业的指挥中枢，它决定机器人性能的 优劣，也决定机器人使用的方便程度。 其基本结构如图1 i ： 图1 i 机器人控制系统结构图 传统机器人控制器的结构是封闭式的，具体表现为嘲： 1 采用专用计算机作为上层主控计算机； 2 采用专用机器人语言作为离线编程语言； 3 采用专用微处理器，并将控制算法固定在e p r o m 中。 这种传统结构，很难集成外部硬件( 包括传感器和软件) ，既不便于人们对系统进行深入研究，也不便 于工业用户对系统进行动态维护。为此，从8 0 年代末期开始，人们对机器人控制器系统的结构开展了研 究，并取得了一些进展，但归纳起来，这些研究都是针对具体的研究项目，没有摆脱前述“专用计算机”、 。专用语言”和“专用控制器”的状况，所开发的控制系统只能对于有限范围内的专家具有开放特性。传 3 东南大学硕士论文 统机器人控制器系统的主要弊端可归纳为如下四点： 1 开放性差 局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构封闭的控制器结构使其具有 特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进； 2 软件独立性差 软件结构及其逻辑结构依赖于处理器硬件，难以在不同的系统间移植； 3 容错性差 由于并行计算中的数据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出 故障可能导致整个系统的瘫痪； 4 扩展性差 目前，机器人控制器的研究着重于从关节这一级来改善和提高系统的性能。由于结构的封闭性，难以 根据需要对系统进行扩展，如：增加传感器等功能模块。 目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高 水平上进行，同时也为了扩大其功能和使用领域，对机器人控制器的性能提出更高的要求。如，现代化工 业生产和机器人研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切，制造业要求机器人具有更大的柔性和更强 大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种小批量的生产。计算机集成制造( c d 订) 要求机器人能和车 间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人控制器 具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。解决这些问题的根本办法是研究和开发具有开放式结构的机 器人控制器，因此针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人 控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向9 j l ”。 开放式结构控制器可大大提高系统的柔性、可配置性、可伸缩性、可靠性、交互性、可交换性、可移 植性、可扩展性、可靠性和复用性。我们对开放式机器人控制器有以下要求： 1 系统设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，用户可以根据需要进行机器人控制器改型； 2 硬件和软件结构易于集成传感器、操作接口、新的伺服控制规律等； 3 采用模块化技术。开发机器人系统的过程中可以使用经过测试、性能良好的子系统模块。功能模块 的复用可以降低开发成本，提高系统的质量和安全性能，保证控制器能满足需求，不会产生意想不到的致 命错误，使机器人系统的性能得到可靠的保证。采用通用模块使得重复性的开发工作大大减少，可以简化 编程工作，从而减少整个系统开发的时间和成本； 4 控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化。通用开放式控制器具有减少培训需求，降低 系统支持需求和减少维护成本的前景； 5 任何符合接口标准第三方硬件和软件包都可以添加到系统中去或替换功能相同的部件，从而刺激系 统供应商之间的竞争。通过竞争，一方砸用户可以获得更丰富的硬件和软件资源，降低实现成本。另一方 面也可以加速从研究系统向可操作系统的转化，以缩短从研究到商品化产品的周期。 而s o p c 。目前主要是有a l t c r a 和x f l i n x 两家公司提供各自完整的解决方案，从硬件设计到软件开发， 都有完备的支持，并且都是基于标准的h d l 语言和c c + + ，运行标准的u c o s 和u c l i m 操作系统， 开发工作都是在w l i l c l o w 平台下。大容量的f p g a ，给了设计人员游刃的空间，利用f p g a 中的可编程逻 辑资源和口软核( 可以是第三方的p ) ，直接使用f p g a 中的逻辑单元来构成嵌入式系统处理器的接口功 能模块，他们可以非常自由地对系统进行裁减和修改。更重要的是，当随着客观条件的变化，在控制系统 的需求发生改变，以及对控制系统的性能提出更高的要求的时候，还可以通过外围电路最小的调整，以及 重新配置软核来达到要求。同时f p g a 丰富的管脚资源也为系统的扩展提供了很大的空间。 对照传统机器人控制系统的弊端、开放性控制系统的特点和s o p c 的优点，我们可以发现，s o p c 这 一技术在机器人控制系统中的应用，能很好地解决这些弊端，并且与开放性控制系统的要求非常吻合， s o p c 的思想可以提升为一种方法，在机器人控制领域开辟出一条有着鲜明特色和优点的发展方向。 s o p ( 是一个“柔性”的技术这“柔性”不仅体现在应用中，更贯穿在整个开发过程中。这样带来 的好处是很大的，开发过程中对于系统规划时出现的偏差可以实现“无痛”的补救；开发人员使用相同的 开发工具，相同的语言，分工协作非常方便；开发中乃至开发工作结束后如果发现需要调整的地方可以很 4 第一章绪论 方便地进行；当需求发生变化或者系统需要变化工作环境的时候，也可以轻松地应对。而这种“柔性”比 传统意义上的“柔性”更加彻底。用“可编程”的方法来替代硬件的可替换模块使得系统的调整几乎实现 了硬件上的。零成本”。 虽然s o p c 技术的产生到现在时间并不长，但这一技术以其鲜明的特点和在许多场合无可比拟的优越 性，正在以非常快的速度彼人们认识并认可。众所周知，s o p c 技术是电子技术发展的产物，某种意义上 是f p g a 技术一次脱胎换骨，与a s i c 有着或多或少的亲缘关系，这就决定了这一技术必然在电子领域最 先得到迅速的发展，然而，s o p c 在当今技术发展的大环境中的意义已经不仅仅是一个电子技术，它已经 代表了一个潮流和一种方法。 在机电一体化领域中，引进s o p c 的概念并发展和使用这一技术可以说有着非常积极的意义。s o p c 的很多特性都能在机电一体尤其是机器人控制中大展拳脚。 前些年嵌入式技术引入机器人控制系统中，在许多方面体现了前所未有的优越性。$ o p c ，作为一个 能真正实现嵌入式的技术，运用到机器人控制系统中，这是非常值得期待的。 表1 2 是传统机器人控制器硬件平台和基于s o p c 的机器人控制器硬件平台的对比 表1 2 传统的和基于s o p c 的机器人控制器硬件平台的对比 传统的硬件平台基于s o p c 的硬件平台 系统体积大 小 系统功耗大 小 系统控制性能控制容易产生累积性误差，实时性一般控制性能好，实时性很好 系统可扩展性系统不易扩展，应用比较专一，开放性不好扩展容易，可以在系统编程，开放 性很好 我们可以看出，在机器人控制方面，由于采用s o p c 技术后，可使用其c p l d 和f p g a 技术将许多实 时要求很高、要求精确位置控制的功能以硬件的方式实现，既可达到准确的实时控制，又可减少对宝贵的 c p u 资源的占用，当然也就有利于高速、高精度运动控制的实现。此外，由于整个设计和实现都是利用 不同的模块、功能口等，是模块化设计思想的本质体现，更加便于扩展和重新配置，因此对机器人控制器 的开放性有很大的帮助和提高。 1 2 课题的研究意义 s o p c 不仅是一种新兴的技术，更代表了一种先进的开发思想，而开发思想对生产力发展的促进作用， 往往远大于技术本身。本课题是以s o p c 为载体，以机器人控制系统为对象，以探研这种开发思想为目的。 s o p c 由于其自身的特点，在机器人控制系统所需要的开放性、可扩展性等方面，有着很大的先天优 势，并且，由于其可编程的特点，使得其在具体应用的可移植性上，有着更大的灵活性。再加上非常短的 开发周期带来的无形损耗的最小化，以s o p c 技术实现的机器人控制系统，实现了广义上的“成本最低化”。 由于结合了功能强大的s o p c 系统平台和开发工具，并且紧密跟踪微电子技术的最新发展趋势，使得 机器人的控制更加可靠、准确，体系结构和功能模块也更加开放、实用。 s o p c 硬件平台设计灵活、软件开发流程简单。不仅可以对硬件平台的功能和具体模块进行裁剪和现 场重新配置，还可以充分利用f p g a 中大量的硬件资源实现相关功能，在硬件层次上保证了并行处理的可 行性和操作的实时性。此外，软件的开发，包括实时操作系统的移植都显得非常简单、高效。因此，利用 s o p c 系统开发机器人控制器，具有许多以前采用p c 平台等方式所不具有的独特功能，从软件和硬件等 多个层次大大提升了机器人控制器的总体性能。 东南大学硕士论文 在研究s o p c 技术在机器人控制系统中的应用的同时，本课题把s o p c 当作一种具有很大通用性的控 制器的实现手段，改变控制对象的应用只需要经过简单的移植。 一般来说，控制系统在不同对象之间的移植的工作可分为软件和硬件两部分，根据以往项目上的经验， 软件移植需要的时间、精力和资金要远少于硬件移植。因此我们在选择方案的时候更倾向于选择那种需要 软件工作多，硬件工作少的平台。根据对当前主要技术的调查，发现最适合这个要求的就是s o p c 技术。 本质上将，s o p c 在不同应用平台的移植，和其他嵌入式系统一样，主要是硬件上的变化，然而，就 实现手段上讲，又是另外一种情况，由于载体是f p g a ，也就决定了其硬件上的变化可以通过编程来实现。 即用软件的手段来实现硬件的改变，这种系统兼具的软件的灵活性和硬件的安全稳定性。 具有s o p c 特性的控制器，将成为具有“柔性”机制的开放性控制器。这也正是本课题的目的及意义 所在。 1 3 论文的主要任务和内容 本课题以$ o p c 技术在机器人控制系统中的应用为研究目标和理论准备。把成果具体应用到实践中， 让s o p c 技术成为研制具有“柔性”机制的开放性智能化控制器的可行方案。具体工作分为： 1 s o p c 技术通用性研究及其硬件平台的搭建； 2 s o p c 平台扩展和移植方法的研究； 3 s o p c 在机器人控制系统中的应用与配置( 包括方案选择及伺服系统的设计) ； 4 s o p c 硬件平台在具体对象上的应用和移植( 以自动化生产线平台为例) 。 6 第二章s o p c 的软核处理器介绍及选型 第二章s o p c 的软核处理器介绍及选型 在进行s o p c 设计时，最重要的一个口核是c p u 软核，软核是整个系统的控制中心。而软核处理器 的选择，关系到整个设计的全局，因为不同的可编程逻辑器件公司提供不同的软核，比如a l t e r a 的n i o s 和x i l i n x 的m i c r o b l a z e 。选择了不同的软核，就意味着选择不同的一整套开发方案。 因此，在本课题的具体工作开展之前。必须要结合本课题的特点和需要选择合适的嵌入式软核。 2 1 嵌入式软核处理器概述 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，一般应具备以下3 个特点：一是对实时多任务 有很强的支持能力。能完成多任务，有较短的中断响应时间，从而使内部代码的执行时间减少到最低限度。 二是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己模块化，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。三是可扩展配置的 处理器结构。以便能最迅速地开展满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 嵌入式处理器有硬核和软核之分。常用嵌入式处理器硬核有a r m 、m i p s 、p o w e ，c 、玳t e l x 8 6 、 和m o t o r o l a6 8 0 0 0 等，其中i n t e lx s c a l e 和e l a 嵌入式架构为嵌入式硬核的先进代表，有高性能、 低功耗等特点和强大的多媒体处理、网络通信能力。其嵌入式操作系统w m d o w sc e 和e m b e d d e dl i n u x 高效稳定，具有多任务、多用户的图形操作环境，已经得到了广泛的应用。i t 0 基于硬核的可配置平台固然有很多优势，但它在灵活性上还是受到了制约。道理很简单：一旦你在某 个型号的f p g a 中加入了一个硬核c p u ，硬核c p u 也就将其“不灵活”的属性带给了这个平台c p u 过时了，也就意味着平台过时了。因此，如果想追求更大限度的灵活性，设计者可以选择在f p g a 中“写” 入一个软核，而不是“固化”一个硬核。 软核处理器具有可配置性的典型形式是它可以对内存、外部总线宽度、握手协议以及常用处理器外部 设备随意进行增加、删除和修改。它也为系统设计人员提供了向处理器中增加指令的能力，而原来处理器 架构设计者可能根本没有考虑过这些指令。 嵌入式处理器软核的代表有a l t e r a 公司开发的第一代n i o s 及第二代n i o s ，x i l i n x 公司的高性能的 m i c r o b l a z e 处理器和低成本的p i c o b l a z e 处理器。 a l t e r a 公司的3 2 位嵌入式r i s c 处理器n i o si i ，具有2 0 0 d m i p s 的性能，与第一代n i o s 相比器其在 计算性能上翻了一番，而占用的f p g a 资源却下降了5 0 。根据不同的需要，n i o s 分为快速型、经济型 和标准型三个版本，这就给开发者更加多样化的选择。比如说，如果要寻求一种低成本的解决方案，a l t e r a 公司会推荐你在c y c l o n e l if p g a 器件中采用经济型的n i o s e 内核，它只占用6 0 0 个逻辑单元( l e ) ， 一个n i o s i i e 处理器折算下来的硅资源成本只有0 3 5 美分。同时，a l t e r a 公司几种主力f p g a 平台，如 s t r a t i x 、s t r a t i x l l 、c y c l o n e 、c y c l o n e i i ，以及结构化a s i c 产品h a r d c o p y 都对n i o s i i 提供支持。 x i l i n x 公司所提供的软核c p u 包括p i c o b l a z e 和m i c r o b l a z e 两种。其中p i c o b l a z e 是一个8 位微控制 器内核，与它配套的可编程器件有v t r t e x 、s p a r t a n 系列f p g a 和c o o l r m m e r c p l d ，这是明显的针对低 成本应用的解决方案。而m i c r o b l a z a 是一款3 2 位r i c s 处理器，为了实现高性能它采用了h a r v a r d 独立 3 2 位指令和数据总线，在v i r t e x - i ip r o 中可以实现1 2 3 d m i p s 的性能，工作频率可以达到1 5 0m h z 。 2 2 软核处理器选型比较 目前s o p ( 2 技术大多采用a l t e r a 公司的n i o s 处理器或者x l i n x 公司的m i c r o b l a 处理器，表2 1 是 两种软核处理器的比较： 7 东南大学硕士论文 表2 1 两种软核处理器比较 n i o s um i c r o b l a z e 资源利用剪裁性较好，有三种配置可配置固定 选，最小的6 0 0 l e 性能实现芯片门槛低，n i o si i 在 实现芯片门槛较高 一片1 0 0 小m 支持外围较多，并支持自定义外围 较多，并支持自定义外围 开发环境容易上手 更专业一些，使用也难一些 前景对于a r e r a 来讲亚太是主要 x i l i n x 产品高端一些，而且有 市场，更加重视，n i o si i 普军品，宇航品，高端市场，欧 及显然胜过m i c r o b l a z e ，而且美市场更占优势 n i o si i 实现门槛和成本更低， 可能在中低端消费类电子市 场更有优势。 同一f p g a 中被植入的数量 几乎没有限制 有限制 从上表可以看出，n i o s 和m i c r o b l a z e 都是非常优秀的软核处理器，而对于本课题来说，在性能和特 性没有任何损失的情况下，选择实现芯片门槛低的n i o si i 更为适合，并且n i o si i 软核具备良好的剪裁性， 能更好地支持多核系统，这对于今后进一步深入研究非常有用。在开发工具的完备性方面、对常用的嵌入 式操作系统支持方面，n i o si i 都优于m i c r o b l a z e 。另外，a l t e r a 公司的策略对亚太地区尤其是中国市场尤 为重视，该公司与中国各大高校有着紧密的合作关系，再加上n i o s 更容易上手，选择n i o si i 可以把更 多的精力放在系统整体的研究以及其他重要的工作上，所以本课题选择n i o si i 软核处理器来进行研究和设 计。 8 第三章基于n i o s n 的s o p c 系统概述 第三章基于n i o sl i 的s o p c 系统概述 a l t e r a 推出的n i o s 系列嵌入式处理器是非常优秀的软核嵌入式处理器，它扩展了目前世界上最流行 的软核嵌入式处理器的性能。 3 1n i o s h 处理器简介 n i o s 系列嵌入式处理器是一款通用的s c 结构的c p u ，它定位于广泛的嵌入式应用。n i o si i 处理 器包括了三种核心，分别是：n i o si f f ( 快速) 最高的系统性能，中等f p g a 使用量；n i o si f s ( 标准) 高性能，低f p g a 使用量；n i o sw e ( 经济卜低性能，最低的f p g a 使用量。这3 种核都使用共同的 3 2 位指令集结构( i s a ) ，1 0 0 的二进制代码兼容；使用业界领先的设计软件一a l t a r a 的q u a n u s 软件 及s o p cb u i l d e r 工具，设计者可以轻松地将n i o si i 处理器嵌入到系统中。 表3 1 列出了n i o s 处理器的特性i l l j ： 表3 1n i o si i 嵌入式处理器系列概述 种类特性 3 2 位指令集 3 2 位数据线宽度 c p u 结构 3 2 个通用寄存器 3 2 个外部中断源 2 g b y t e 寻址空间 片内测试 基于边界扫描测试( j 1 a g ) 的调试逻辑、支持硬件断点、 数据触发以及片外和片内的测试跟踪 定制指令最多达2 5 6 个用户定义的c p u 指令 n i o s1 1 的集成开发环境( i d e ) 软件开发工具基于g n u 的编译器 硬件辅助的调试模块 3 2a v a l o n 总线简介 开发n i o s 系统，首先要弄清楚的是a v a l o n 总线的概念，因为它是整个a l t e r a 公司s o p c 技术的精 华所在。个人认为，a l t e r a 的s o p c 技术最大意义不是n i o s 软核处理器，而在于使用了a v a l o n 总线。 不同于其他处理器固定的外设，n i o si i 的外设是可以任意定制。这使得使用n i o si i 的s o p c 系统可 以按照具体的需求而量身定制，这也是s o p c 技术最精彩的地方。 n i o si i 系统的所有外设都是通过a v a l o n 总线与n i o s c p u 相连的。n i o s1 i 通过a v a l o n 总线与外设 进行数据交换。 a v a l o n 总线是一种相对简单的总线结构，主要用于连接片内处理器与外设，以构成可编程单芯片系统 ( s o p c ) 。a v a l o n 总线描述了主、从构件之间的端口连接关系，以及构件之间通信的时序关系。 在传统总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信，这种结构会产生一个瓶 颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。a v a l o n 总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁 ( s l a v e - s i d ea r b i t r a t i o n ) 的技术，允许多的主设备控制器真正同步操作。当有多个主设备访问同一个从设 备时，从设备仲裁器将决定哪个主设备获得访问权 9 东南大学硕士论文 3 2 1 概述 a v a l o n 总线设计的基本目标是： 简单：提供简单的、易于理解的协议。 优化总线资源利用律；节约可编程逻辑器件的逻辑单元。 同步操作：易于与片上的其他用户逻辑集成，避免了复杂的时序分析。 基本的a v a l o n 总线传输，就是在主、从外设之间传输一个字节、字或者双字( 8 、1 6 、 3 2 位) 。当一次传输结束后，总线就可以在下几个时钟周期进行下一次的传输，传输的主、从外设可与上 一次相同，也可不同。a v a l o n 总线也支持高级的特性，例如，支持需要延迟的外设，流( s t r e a m i n g ) 设备 以及多主控制器操作。在耽搁总线传输过程中，这些高级传输模式允许外设之间传输多个数据单元。 a v a l o n 总线提供多个主设备的操作。这种设计为构建s o p c 系统提供了极大的灵活性，并且能适应高 速外设。例如：一个主外设可以在进行d m a 传输时，对来自外设的数据通过数据通道传输给寄存器而不 需要处理器的干预。a v a l o n 的主、从外设的交互是基于从端口仲裁技术的。当多个主外设同时访问同一个 从外设时，由从端口仲裁裁定哪个主外设将获得访问权。从端口仲裁有如下两个优点： 仲裁机制的细节被封装在a v a l o n 总线内部。主、从设备的接口具有一致性，与总 线上的设备数目无关。 多个主外设可以同时在总线上进行传输，但是不能在同一个总线周期中访问同一 个从外设。 a v a l o n 总线是为s o p c 环境而设计的，互联逻辑由p l d 内部的逻辑单元构成。a v a l o n 总线具有以下 基本特点： 外设接口的时钟与a v a l o n 时钟是同步的。因此，不需要复杂的异步握手，应答机制，采用标准的 同步时序分析技术就可以测出a v a l o n 总线和整个系统的性能。 所有的信号都是高电平或者低电平有效，