（计算机应用技术专业论文）基于wince工业控制软件平台的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于w i n c e 工业控制软件平台的研究 计算机应用技 孙婷( 签名) 田泽( 签名) 摘要 随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，工业控制系统开始朝着网络化、智能 化、数字化、一体化的方向发展。基于嵌入式操作系统和微处理器的嵌入式系统具有体 积小、性能优越、功耗低、可靠性高、开发周期短等的优点，它正逐渐被广泛应用到工 业控制领域，本项目开发的工业控制系统被应用在纺织生产中。 本论文结合实际的项目基于w i n c e 纺织电子仪器的研究，主要针对该项目中软 件开发平台的实现进行了分析和研究。该项目的硬件平台是基于a r m 9 2 0 t 的高速嵌入 式处理器，软件平台是基于m i c r o s o f t 公司推出的嵌入式操作系统w i n c e ，两者共同构 成一个完整的嵌入式系统。 在阐述软件平台的开发之前，论文首先对整个工控系统以及w i n c e 操作系统的模 型、内存管理、文件系统、设备管理等做了详细分析，这些是深入研究基于w i n c e 工业 控制系统的基础。在此基础上，分析了新设计硬件平台上w i n c e 操作系统的移植，包括 b s p 的选择、b o o tl o a d e r 、o a l 层的开发、配置文件修改。最后，研究了w i n c e 的中 断处理过程和设备驱动程序的类型，介绍了串口、n a n df l a s h 、d m 9 0 0 0 驱动的实现， 并简要讲述了纺织电子仪器应用程序的设计。 关键词：纺织电子仪器：w i n c e ：操作系统移植：驱动程序 论文类型：应用研究 i i 嚣莓 避掣术鞋 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r u c t o t h er e s e a r c ho fi n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r e p i a t f o r mb a s e do nw i n c e c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r d st h ed i r e c t i o no fn e t w o r k ，i n t e l l i g e n c e ，d i g i t a l ， i n t e g r a t i o n b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n ta d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，s u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , s h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa n dm i c r o p r o c e s s o r sh a sg r a d u a l l yb e e nw i d e l ya p p l i e dt o i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d ，i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sp r o j e e ti su s e di n t e x t i l e p r o d u c t i o n t h i sp a p e rl i n k st h ep r a c t i c i n gp r o j e c t - - t h er e s e a r c ho ft e x t i l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tb a s e d o nw i n c e ，c a r r i e so na n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt ot h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep l a t f o r mo ft h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nt h ep r o j e c t h a r d w a r ep l a t f o r mi sah i 曲- - s p e e de m b e d d e dp r o c e s s o r b a s e do na r m 9 2 0 t , s o f t w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nm i c r o s o f tc o m p a n y se m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m w i n c e t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ep l a t f o r mm a k eu po faw h o l ee m b e d d e d s y s t e mt o g e t h e r a tf i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s e saw h o l ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dm o d e lo fw i n c e ，f i l e s y s t e m ，m a n a g e m e n to fm e m o r ya n dd e v i c e ，a n ds oo nb e f o r ei l l u m i n a t i n gt h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ep l a t f o r mb e c a u s et h e s ea r et h eb a s ef o rs t u d y i n gi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n w i n c e t h e n ，a n a l y s e sw i n c eo p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n ti n c l u d i n gt h ec h o i c eo fb s p , t h e d e v e l o p m e n to fb o o tl o a d e ra n do a ll a y e r , t h em o d i f i c a t i o no fc o n f i g u r a t i o nf i l e so nt h e n e wh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n e di n d e p e n d e n t l y l a s t l y , i n t e r r u p tp r o c e s s e sa n dd e v i c ed r i v e r t y p e so fw i n c ea r er e s e a r c h e da n dt h ed r i v e r s i m p l e m e n t a t i o no fs e r i a lp o r t s ，n a n df l a s h a n dd m 9 0 0 0a r ei n t r o d u c e d ，a n de x p l a i nab r i e fd e s c r i p t i o no fa p p l i c a t i o nd e s i g no ft e x t i l ee l e c t r o n i c e q u i p m e n t k e yw o r d s ：t e x t i l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ；w i n c e ；o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t ；d r i v e r d e v e l o p m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：二雌 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：三嶝 导师签名：辩 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 工业控制系统【ij 是运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他科学技术，对生产过程的 各种信息采集、分析、处理，并进行优化控制和合理地调度、管理，以达到提高生产效率 的一种先进工业系统。从2 0 世纪6 0 年代计算机技术渗透到工业生产当中开始，传统的工 业生产过程控制到如今发生了翻天覆地的变化。目前，伴随着现代系统控制技术、电子信 息技术、计算机技术和通讯技术的快速发展，工业控制开始向着信息化、智能化、网络化 的方向发展。工业控制系统的智能化、网络化又将嵌入式技术、无线技术等目前多种流行 技术融合进来，给工业控制领域的发展注入了新的活力。 1 1 课题研究背景 当今，我国国民经济飞速发展，市场的需求驱动着我国工业控制系统的技术和应用水 平不断提高。工业控制系统也从原来的局部自动化向全局自动化，从非智能、低智能向高 智能发展。而且随着半导体技术、超大规模集成技术的不断发展，应用于工业控制当中的 计算机也在不断的改进、提高和自我完善。特别是进入7 0 年代以后，计算机技术的另一 个分支一一超小型化的单片微型计算机，即单片机诞生后。它依赖性能高、体积小、价格 低、稳定可靠等诸多优点，尤其是强大的面向实时控制的能力，在工业控制、智能仪表中 得到极为广泛的应用。这种主要以单片机为基础的系统就是早期的嵌入式系统。但是，生 产规模的扩大、工艺过程复杂化，使得控制设备开始大量增加，这时如何将分散的，相互 独立的设备瓦通互连，在自动化基础上实现管理与控制一体化，成为工业自动化及工业控 制的主要问题。 2 1 世纪是一个信息技术和网络技术飞速发展的时代。工业领域的自动化控制技术也发 生了深刻变革，逐步形成了基于现场总线、e t h e m e t 、i n t e r n e t 的网络化、智能化、全开方 的工业自动控制体系结构。利用e t h e m e t 、i n t e m e t 构建的智能工业控制系统可实现管理网 络与控制网络的分离、控制与现场分离，用户通过任意一台在线计算机都可以对其工控网 进行远程控制与检测，从而使工业控制完全脱离现场的制约。然而，以往嵌入系统中的8 位、1 6 位的微处理器芯片由于存储容量小、运算速度低、人机接口功能弱、联网功能差以 及很难运行操作系统等问题，越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复 杂、庞大。这时随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大下降，功能方面却大大增强， 1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。这些高速微处理器提供 了更大的存储空间和更高的运算速度。但是，仅有高速的嵌入式微处理器仍然不够，为了 满足越来越复杂应用系统的要求、更好地处理如t c p i p 等复杂协议、减少软件开发工作 的难度，运行于嵌入式微处理器上的操作系统也就应运而生了。嵌入式操作系统一般具有 良好的实时性，是嵌入式系统的灵魂；它还具有可移植性、可裁剪性，能够用在根据应用 要求选择的微处理器中，大大提高嵌入式系统开发的效率。采用嵌入式操作系统后，可使 得软件开发工作变得规范，容易测试，可实现模块化编程；同时能够解决以往开发产品存 西安石油大学硕：f ：学位论文 在的诸多不安全隐患。目前，常用的嵌入式操作系统有l i n u x 、v x w o r k s 、w i n c e 等。 1 2 工控系统中计算机的应用类型 计算机控制是实现工业控制自动化的重要手段。为了适应不同行业、不同工艺设备 需求，当前丰要的工控计算机有： 工业p c 工业p c t 2 1 是采用p c 总线，按照工业自动化要求进行设计，能在工业环境运行，并与 p c 机丰富的软、硬件资源相兼容的工业控制计算机。工业p c 与主流商业p c 机在硬件结 构上基本一致，软件平台也完全一样，数据库和逻辑控制软件十分丰富，与操作系统动态 链接也十分方便，是当前我国工业控制应用的主要产品之一。 可编程控制系统( p l c ) 可编程控制系统( p l c ) 【3 】是计算机技术和继电逻辑控制相结合的产物，它是一种数字运 算操作的电子系统，专为工业环境应用设计。采用可编程的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和 输出，控制各种类型的机械或生产过程。具有系统构成灵活，易扩展；使用方便，编程简 单；能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强的特点。 集散控制系统( d c s ) 集散控制系统f 4 】是以微处理机为基础，综合了计算机技术、测量控制技术、网络通信 技术、c r t 图形显示技术成果，对生产管理、数据采集和各种过程进行集中监视、分散控 制的计算机控制系统。d c s 系统所具有的高可靠性、可扩展性和组态的灵活性，使它能适 用于广泛的应用领域，满足各类用户的需求，是实现更先进、更完善的新一代工业自动化 系统的基本条件。 现场总线控制系统( f c s l 随着d c s 在工业现场应用的深入及所取得巨大经济与管理效益，一方面，人们对d c s 的信任感增强；另一方面，也对工业控制系统提出了更高的期望和要求。如希望实现各控 制系统及设备的信息共享；各控制设备能互换及互操作；在控制室可以对控制系统及现场 设备进行检验、诊断和调整等操作。所有这些很有效地促成了现场总线技术的产生。现场 总线控制系统【3 】用现场总线把传感器、变送器、执行器和控制器集成在一起，实现生产过 程的信息集成，是一种全新的、真正开放的工业自动化控制系统。其特点是现场设备实现 互换、互操作，功能彻底分散，全数字化通讯，信息高度集中，共享网络数据库。 计算机数控系统( c n c ) 计算机数控系统【5 】集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术、传感检测技术、网络通讯技术、液压气技术、光机电技术 于一体，用计算机代替早期数字逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运 算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。计算机数控系统的优 点是通用化程度高，可以适应不同的控制功能要求。在加工过程中能进行一定的补偿，可 2 第一1 章绪论 以预测误差、刀具的磨损以及刀具的寿命，并及时进行换刀，还可以与其他计算机或c n c 系统通信，并提供故障诊断功能。 1 3 工业控制系统的关键性能要求 一 可靠性高 工业控制系统最基本的要求是高的可靠性。在工业生产过程中，特别是一些连续生产 过程的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。工业控制计算机具有在粉尘、烟雾、高 低温、潮湿、震动、电磁干扰等恶劣环境下长时间、连续可靠工作的能力，能够抗工业 电网的浪涌、跌落、失波和尖峰干扰等。同时具备良好的故障诊断和可维护性，以保证发 生故障时，能够及时发现和维修。 实时性强 工业控制系统对于实时性有着非常高的要求。如果有事件发生，人们希望系统能及时 地响应，并在不丢失信息和不延误操作的情况下作出相应地处理。而工业控制计算机它可 以对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行 采集和输出调节，遇险自复位，保证系统的正常运行，有效地提高了工控系统的实时性。 1 4 工业控制系统嵌入式方案 一般情况下【6 j ，一个完整的工业自动控制系统按照其结构可以用一个金字塔来表示， 如图1 1 所示： 管理层 么二 控制层 么匾匾现场层 图l - l 工业自动控制系统结构 自上而下分为：企业管理层、控制层( 工厂车间) 及现场层( 现场仪表和控制装置单 元) 。这三层结构可以说完成了工业生产对自动控制系统提出的全部要求。在这三层中， 控制层起着承上启下的作用，担负着向下将现场层采集的信息进行分析处理，并将结果送 往现场；向上将重要的数据送往管理层，形成指令、报表等管理数据，并接收管理层控制 指令的任务。 在本课题中所设计的工业控制系统是应用在纺织生产的电子仪器当中，它是一个典型 的集散控制系统。整个控制系统使用嵌入式控制平台实现。嵌入式控制平台通过2 个r s 4 8 5 串口与1 2 个下位单片机相互通信，完成纱疵数据的统计及生产现场的监控功能；嵌入式控 制平台采用高速以太网实现远程指导功能和实时在线监控。另外，控制系统采用嵌入式操 作系统w i n c e ，以提高纺织电子仪器的实时性，基于嵌入式的纺织电子仪器控制系统嵌入 式结构如图1 2 所示。 3 西安石油人学硕：l 二学位论文 图l - 2 嵌入式工业控制系统基本结构图 1 5 课题目标及任务 该课题来源于与企业合作的一个项目，此终端设备将应用在纺织生产中，它可以有效 的减轻纺织工人的工作量，提高纺纱产品的质量。该项目设计中包括硬件平台设计开发、软 件开发平台构建及基于该软硬件平台的应用软件开发部分。硬件平台部分根据具体的应用 要求需选择合适的处理器、存储器以及各个外设接口等。本课题的任务丰要是完成软件平 台部分的实现： 结合具体的硬件资源，选择合适的b s p 包 根据实际硬件平台分别实现引导程序b o o tl o a d e r 的开发、o a l 层的中断、定时 器、调试串口等代码以及配置文件的修改，最终实现嵌入式操作系统w i n c e 的 移植。 完成相关外设的驱动程序开发，如串口、n a n d f l a s h 等。在此基础上，进行其他 辅助功能的开发。 裁剪w i n c e 操作系统内核，生成适宜大小的系统镜像。 1 6 论文结构 本论文结构：第一章，介绍了课题的研究背景、工业控制系统中工控机的类型、本项 目所开发纺织电子仪器的嵌入式解决方案和课题需要完成的任务；第二章，给出该项目所 开发的纺织电子仪器系统软件的功能需求以及硬件结构图；第三章分析了为什么选择 w i n c e 作为纺织电子仪器控制系统的操作系统，并对嵌入式操作系统w i n c e 进行了介绍； 第四章，介绍了w i n c e 操作系统移植时所需做的主要工作，如b o o tl o a d e r 的开发、o a l 层的实现等；第五章，介绍了w i n c e 下驱动程序开发，结合实际项目主要介绍了串口驱 动、n a n d f l a s h 驱动和项目中部分辅助性功能的实现，还简要介绍了纺织电子仪器应用软 件的开发；第六章，对整个论文进行了总结。 4 第章基于w i n c e 纺织电子仪器硬件平台介绍 第二章基于w i n c e 纺织电子仪器硬件平台介绍 一个完整的工控应用系统除了要有高性能的硬件系统之外，还需要有良好的软件系统 来支持。该工控系统丰要应用在纺织生产中，要求能够有效地清除各种有害纱疵，并且可 以灵活设定清纱范围，具有纱疵分级、逐锭报警、掉电信息存储、数据转存、软件更新、 远程网络监控等功能。 2 1 系统功能需求 为了满足不断提高的纺织品质量要求，大大减轻工作人员的工作量，系统设计时的要 求有： 通过l c d 液晶显示屏，实现显示功能 支持触摸屏、u s b 鼠标输入功能 通过r s 2 3 2 串口连接打印机，打印历史记录等信息的功能 通过r s 4 8 5 与下位机通信功能。即有两路4 8 5 串口与1 2 个下位单片机相互通信， 每个串口控制6 个下位机，要求每秒内完成一次与1 2 个下位机的数据通信。 具有左右车速检测、实时显示功能 具有历史数据保存功能 具有以太网通信、并通过以太网可以远程修改参数的功能 对单锭、左右车及全车的纱疵和产量实时数据统计和显示的功能 具备大量数据存储功能。当前数据可以先存放在n a n df l a s h 中，稍后可以转存 至铁电中，并且在异常断电后数据可以保存，不至于丢失。 系统设定数据或运行设定数据可修改及下传功能 2 2 系统硬件结构 一套完整的硬件平台包括核心的嵌入式处理器和外围电路设计两部分。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 多种，3 0 个系列。考虑到低成本、低功耗、 高性能，本系统的控制核，t l , 部分采用高性能的a r m 9 2 0 t 处理器。a r m 9 2 0 t 采用0 1 3 u m 标准c m o s 单元和一个辅助存储器，工作频率可达2 6 6 m h z ，集成了独立的1 6 k b 指令缓 存和1 6 k b 数据缓存，存储器管理单元m m u ，非常适合控制成本和功耗低的应用。平台 的存储设备包括6 4 m bn a n df l a s h 、6 4 m bs d r a m 以及3 2 k bf r a m ，另外还包括8 通 道的a d 、2 通道的d a 、1 0 m 1 0 0 m 以太网、r t c 实时时钟，具备后备电池插座、1 个 r s 2 3 2 、2 个r s 4 8 5 、2 个u s b 主口、1 个u s b 从口、j t a g 接口等，图2 1 为硬件系统 结构图。 5 两安石油大学硕士学位论文 图2 1 硬件平台系统结构图 2 3 本章小结 本章主要描述了系统的功能需求，给出为了满足需求所设计的系统硬件平台的结构图。 6 第三章基于w i n c e 纺织电子仪器软件平台介绍 第三章基于w i n c e 纺织电子仪器软件平台介绍 了解完硬件平台，这章针对纺织电子仪器控制系统为什么选择嵌入式操作系统 w i n c e ，并对嵌入式操作系统w i n c e 的体系结构、功能等进行了阐述。 3 1 纺织电子仪器控制系统嵌入式操作系统选型 一个具备弹性和效率的控制系统，为了处理庞大的信息，通常需要操作系统在整体上， 包括通信、显示、数学演算、数据采集的硬件与驱动程序，能实现更高的效益，以作为外 围接口与电控核心数据交换及信号处理的桥接【7 1 。目前，嵌入式操作系统琳琅满目，逐渐 形成了百家争鸣的局面。以下通过对v x w o r k s 、l i n u x 、u c o s 三种嵌入式操作系统进行 分析，给出了选择w i n c e 的原因。 3 1 1 几种流行嵌入式操作系统综合比较 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是由美国w i n d r i v e r 公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统。传 统实时操作系统是一系列“服务”的集合，v x w o r k s 继承了这一特点，开发者可以根据产 品和市场情况来定制适合的服务集合【8 】。另外，由于良好的可靠性、卓越的实时性以及友 好的用户开发环境，使它被广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术和实时性要 求极高的领域中。 但是，生产批量有限的工业控制设备，它十分昂贵的价格，对于生产商来说有些负担 不起。 l i n u x l i n u x 9 】最初由赫尔辛基大学的l i n u st o r v a l d s 创建的类u n i x 系统。它的系统稳定性 极好，在多种架构下能够可靠运行，层次结构与内核完全开放，用户可以根据具体的应用 需求对内核进行改造与裁剪，以比较低的成本设计出满足自己要求的嵌入式操作系统。诞 生于网络时代的l i n u x ，支持i n t e r n e t 所有的网络协议。可以充分利用它的网络特性在工业 应用领域开发分布式应用系统。l i n u x 可以支持1 6 位、3 2 位和6 4 位的c p u ，它具有一整 套的工具链g c c ，用户不需要专门的仿真器，就能够比较容易自行建立与配置嵌入式系 统以及在该系统下的开发环境。 但是，l i n u x 不支持事件优先级和抢占实时性，要想将它应用在工业控制领域，就必 须开发和扩展实时功能。另外，在图形用户接口方面，尽管l i n u x 为用户提供了一些微型 化的m i n i - - w i n d o w s ，但就工业环境的开发应用所需的特制图形平台来说，远没有达到用 户所期望的。 u c o s u c o s t 8 】是一种结构小巧，基于优先级的嵌入式实时操作系统。其内核提供任务调度 与管理、事件管理，任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。具有执行效率高、 两安石油火学硕士学位论文 占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。小型控制系统可充分利用u c o s 小巧 且实时性强的优势。但是，对于大型复杂的工控系统，它就显得有些力不从心了。 3 1 2 选择w i n c e 的原因 接着从以下几个方面来分析在纺织电子仪器控制系统应用w i n c e 的原因【lo 】： 实时性 实时能力是嵌入式操作系统在工业控制领域应用的一个重要指标。在实时性方面， w i n c e 与v x w o r k s 等嵌入式操作系统相比有一定的差距。但是从3 0 及以后版本，w i n c e 利用支持嵌套中断、优先级转换、可中断内核等技术，使自己的实时性能得到明显的改 善。而且在实际应用中，并不是所有的实时性应用要求都很高，w i n c e 的设计目标可以 满足9 5 的硬实时系统的要求。 可靠性及稳定性 可靠性的高低在工业控制系统中非常重要，一旦计算机控制系统出现故障或死机， 就会给企业的生产造成不可预测的影响。虽然可以通过热冗余技术、软硬件抗干扰技术 在一定程度上提高工业控制系统的可靠性，但操作系统本身的可靠性对于工控系统运行 的影响仍不能被忽略。 由于w i n c e 严格的内存管理功能，它可以对应用程序造成的系统异常进行检测， 抑制应用不正常时引起系统破坏的危险性。因此，与一般的实时系统比较，w i n c e 要健 壮的多。 人机交互界面 熟悉和友好的人机交互界面，在工业控制中非常需要。但是很多嵌入式操作系统的 图形功能都比较薄弱。w i n c e 兼容于桌面w i n d o w s 操作系统，具有基本m i c r o s o f ti n t e m e t e x p l o r e r 的i n t e m e t 浏览器、丰富的多媒体和多语言支持、支持触摸屏、还支持t r u et y p e 字体，开发人员可以利用丰富灵活的控件库在w i n c e 环境下为嵌入式应用建立各种专门 的图形用户界面。w i n c e 完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。 与w i n 3 2 的兼容性 w i n c e 采用与桌面w i n d o w s 相同的编程模型，它的a p i 是w i n 3 2a p i 的子集。而当 前，大部分的工控软件都是运行在w i n d o w s 下。因此，可以很容易将现有的w i n d o w s 应用程序移植到w i n c e 平台上，来实现各种嵌入式应用。 开发周期及成本 一般，工业控制设备的生产批量小，这使得生产商就十分关注开发成本和周期。 w i n c e 强大的工具支持可以帮助开发人员简化开发流程并提高开发效率，而且它还提供 了多种模拟器，使得开发人员可以在没有硬件设备的情况下进行部分w i n c e 开发，大大 缩短了产品投放市场的时间。同时，微软根据资源共享计划公开了w i n c e 5 05 6 的核 心源代码，而到了w i n c e 6 0 ，微软将这一比例提高到了1 0 0 。 8 第三章基于w i n c e 纺织电子仪器软件平台介绍 w i n c e 还支持m s m q ( m i e r o s o t tm e s s a g eq u e u i n g ) 先进应用服务，使得与工厂生产 现场现有i t 设施的全面集成成为可能。并且它可以从闪存磁盘中启动，避免了暴露在灰 尘、高温和震动环境下，从而能够适应较恶劣的生产环境。综合以上优点，决定在本次 设计的工控系统的控制层选用w i n c e 作为其操作系统，为上层应用程序提供一个稳定可 靠的环境。 3 2w i n c e 操作系统综述 w i n c e 是一个功能强大的3 2 位实时嵌入式窗口操作系统。由于它具有代码少、可 靠性好，实时性高、内核体积小、可裁剪性、强大的通信能力以及与桌面w i n d o w s 一致 的开发特征等特点，使它获得了众多开发者的青睐，一跃成为目前全球市场占有率最高 的嵌入式实时操作系统。 3 2 1w i n c e 操作系统模型 w i n c e 操作系统的设计借鉴了w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统的设计，从体系结构上讲， 它即具有分层结构的特点，同时又具有微内核结构的特点。 分层模型 操作系统分层模型的主要特点是将操作系统的功能模块按功能的调用次序分成若干 层，各层之间只能单向依赖或单向调用。 w i n c e 的分层模型不仅是考虑到操作系统本身，而且是从一个嵌入式系统的应用环 境的角度考虑，使系统具有更好的可扩展性和更清晰的结构。图3 1 为w i n c e 操作系统 的分层模型【1 1 】。 i n t e r n e ta p p l i c a t i o n s m f cja t l c o m d o mj n t c o m m ，6 w sjs t o r a 6 e c o r w d l l - s c h e d u l e m e m o i r - jd e v i c e 。 b s p s , c s p s ，d r ) v e r s 硬陴 应用集成层 应用开发层 应用支持层 操作系统层 o e 悯唇配层 硬件层 图3 1 w in o e 操作系统的分层模型 其中，w i n c e 操作系统的功能在操作系统层和应用支持层实现。应用支持库的上部和 操作系统层的上部及下部具有接口性质，它们一起构成了w i n c e 的应用界面和系统界面。 o a l 层实现系统界面，它同时也集中了所有的硬件特性，使系统便于移植。 从各层提供者角度讲，硬件层和o a l ( o e m 适配层) 由硬件厂商提供；操作系统层、应 用支持库、应用开发层由微软提供；应用集成层由软件开发商提供。很多时候他们是相互交 9 西安石油火学硕： ：学位论文 叉协作的。 组建模型 在移动和嵌入式设备中存储器资源非常有限，所以w i n c e 被设计成一个模块组件化的 操作系统。这样开发者只需选择那些需要的模块以满足用户的要求。w i n c e 的各个模块之 间可能是独立的，也可能有一些依赖关系。单个模块它包含一个或多个可选组件，并且每个 模块针对o s 的丰要特性提供完整的或部分的支持。w i n c e 主要包括五个核心模块，分别为 内核洲k e x e ) 、文件管理( f i l e s y s e x e ) 、图形窗口事件系统( g w e s e x e ) 、设备管理 ( d e v i c e e x e ) 、通信服务( s e r v i c e s e x e ) 。图3 2 为w i n c e 的操作系统模型刚1 2 】【1 3 】。 图3 - 2w i n c e 操作系统模型 3 3 w i n c e 体系结构和功能 3 3 1 w i n c e 核心操作系统服务 由图3 2 的操作系统层我们可以看出，w i n c e 操作系统的基本功能主要放在内核、文 件管理、图形事件子系统、设备管理以及通信服务与网络五个独立模块中实现。另外，由于 w i n c e 是一个可裁剪的操作系统，所以未必所有的w i n c e 系统都具有这五个模块。例如， 如果w i n c e 不包含图形界面，那么这个系统就没有图形事件子系统【l4 1 。 a 内核州k e x e ) 。、 w i n c e 内核在系统运行时体现为n k e x e ，它是c e 操作系统真正的核心，主要完成 六类功能：进程创建加载、线程调度、内存管理、异常处理、系统内的通信机制、为其他部 分提供核心例程、为系统范围内的调试提供支持。 进程与线程的管理 w i n c e 是一个基于优先级的抢占式多任务操作系统，在w i n c e 中，每一个运行着 1 0 第三章基于w i n c e 纺织电子仪器软件平台介绍 的应用程序都是一个进程。在一个进程中可以包含一个或多个线程。w i n c e 调度系统负 责对系统中的多个线程进行调度。w i n c e 的调度是基于优先级的，调度程序使用基于优 先级的时间片算法对线程进行调度，进程在w i n c e 中本身不参加系统的调度。与桌面 w i n d o w s 不同，w i n c e 最多只支持3 2 个进程同时运行。每个进程分配3 2 m b 的虚拟地 址空间。 内存管理 要想在一个硬件平台上运行w i n c e 操作系统，此硬件板的处理器必须具有存储器管 理单元( m m u ) 。这是因为在w i n c e 下采用虚拟地址管理策略。下面首先介绍一下m m u 的功能。 1 ) m m u 原理介绍【1 5 】【1 3 】 a r m 系统中的m m u 主要完成3 个功能：完成虚拟地址到物理地址的映射；控制存 储器的访问权限；设置虚拟存储空间的缓冲的特性。m m u 通过存放在内存中的页表实 现这三个功能。页表的每一行对应虚拟存储空间的一页，此行中包含了这页虚拟存储空 间的物理地址、访问权限贺缓冲特性等。 m m u 通过查询页表实现虚拟地址与物理地址的变换。页表的基地址存放在系统控 制协处理器c p l 5 的寄存器c 2 中。由于程序执行过程中的局部性，在一段时间内可能出 现只访问页表中局部少数的几个单元。因此，采用了快表( t l b ) 来存放最近被访问的页 的地址变换条目。 当c p u 访问内存时，首先在t l b 中查找需要的地址变换条目。如果该条目存在， 直接从t l b 中读取物理地址访问；如果不存在者需要遍历页表查到物理地址，并将相应 的结果添加到t l b 中。m m u 可以将某些经常使用的页表项锁定在t l b 中，进而使得进 行与该地址相关的映射时速度更快。当内存中的页表内容发生变化或c p l 5 的寄存器c 2 值发生变化时，t l b 中的内容需要全部清除。 一般的m m u 中采用两级页表实现地址映射，表3 1 为m m u 中使用的页表【1 6 1 。 表3 - 1u u 中使用的页表 名称类型页表占用内存支持的页大小页表项目 段页表 一级1 6 k b1 0 2 4 k b4 0 9 6 细页表 二级4 k bl 、4 和6 k b1 0 2 4 粗页表 二级1 k b4 或6 4 k b2 5 6 可以通过页表项的低两位【l ：0 】确定页表的类型：1 0 h 表示为一级页表、0 1 h 表示为， 二级粗页表、l l h 表示二级细页表、0 0 h 为错误。 在一级页表转换中，m m u 将c p l 5 寄存器c 2 中的页表基地址和虚拟地址的位【3 l ：2 0 】 结合，选择一级页表中4 0 9 6 项的一个。如果查到的页表项后两位【l ：o 】的值为l o ，则此 页表项含有一个有效的i m b 页可用，将页表项的值复制到t l b 中。然后将页表项中的 西安石油大学硕士学位论文 地址和虚拟地址的位 1 9 ：o 】结合，找到所要访问的物理单元。二级页表转换时分为两步进 行：第一步首先查找到一级页表项，如果该页表项的最低2 位二机制为0 1 或l l ，则表 示该页表包含有二级页表基址；第二步将该表项中的二级页表基址和虚拟地址的位 【1 9 ：1 2 】组合，得到一个二级页表项。该二级页表项中的地址与虚拟地址的页偏移值相结 合即可获得要访问的物理地址。图3 3 、图3 4 给出了一级页表和两级页表的地址转换过 程。 c p l 5 寄存器c 2 3 复制到 t l b 图3 3 一级页表虚实转换 1 2 选择物理存 储单元 第三章基于w i n c e 纺织电子仪器软件平台介绍 c p i 5 寄存器c 2 复制到 t l b 图3 4 二级页表虚实地址转换 选择物理 存储器 对于m m u 的操作都是通过设置协处理器c pl5 的寄存器来实现。由于a r m 9 2 0 t 处理器的采用分开的数据c a c h e 和指令c a c h e ，所以t l b 表也分为数据t l b 和指令t l b 。 一般在o a l 层的s t a r t u p 函数中对数据t l b 和指令t l b 进行清除，当一级页表、二级 页表创建完后才使能m m u 。 2 ) w i n c e 内存管理机制 w i n c e 同w i n d o w s 其他的操作系统一样，也支持按需分配内存、内存映射文件等 内存管理技术。它只能管理5 1 2 m b 的物理内存和4 g b 大小的虚拟地址空间。不同的c p u 内存管理的方法也不同。a r m 系列的c p u 在启动过程中，内核会将现有的物理内存空 间映射到0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 以上的虚拟地址空间中供内核以后使用，w i n c e 内存结构如图3 5 所示【l7 1 。 两安石油人学硕士学位论文 图3 - 5w in c e 内存结构 因为w i n c e 是一个保护模式的3 2 位操作系统，因此程序的访问只能使用虚拟内 存。w i n c e 通过m m u 管理4 g b 的虚拟地址空间，全部4 g b 的虚拟地址空间主要划 分为两部分【1 8 1 ：0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 以下为用户空间，供应用程序使用部分，应用程序中请的 内存都会从低2 g b 地址空间中返回。整个用户空间被分为6 4 个3 2 m b 的s l o t ，其中 s l o t l s l o t 3 2 保留给每一个要加载的进程；0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 以上为内核使用部分。w i n c e 具体地址范围划分见表3 2 j 。 表3 - 2w i n c e 内存空间分配表 地址范围用途 o x 0 0 0 0 0 0 0 0所用应用程序使用。包括用户和系统的应用程序。共3 3 个s l o t ，每个s l o t ， 占3 2 m b 。s l o t 0 由当前占有c p u 的进程使用。s l o t i 由全部x i pd l l 使用。 0 x 4 1f f f f f f其他s l o t 对应w i n c er 1l 每个进程的3 2 m b 虚拟地址空间，其中s l o t 2 通常 被f i l e s y s e x e 占用。 0 x 4 2 0 0 0 0 0 0 由所有应用程序共享的区域。3 2 m b 的地址空间有时不能够满足一些进程的 ， 需求，那么进程就可以使用这个范围的地址空间。在这个区域应用程序可 0 x 7 f f f f f f f 以建堆、创建内存映射文件等。 o x 8 0 0 0 0 0 0 0 如果是a r m 系列c p u ，这个范围用于映射全部的物理地址。o e m 在定制 内核时定义o e m a d d r e s s t a b l e ，在这个表中分别定义虚拟地址空间及物理 0 x 9 f f f f f f f 地址空间的起始地址、物理内存大小。在这个范闱映射的虚拟地址空间能 够用于缓冲，并且只能由内核访问。 o x a 0 0 0 0 0 0 0 这个范网是对o x 8 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 9 f f f f f f f 之间定义的物理地址映射空间。 ， 区别在于这个范围映射的虚拟地址空间不能够是无c a c h e 无b u f f e r 的。 o x b 0 0 0 0 0 0 0 0 x c 0 0 0 0 0 0 0 ，一系统保留空间。 o x c lf f f f f f 0 x c 2 0 0 0 0 0 0 ，内核程序n k e x e 使用的地址空间。 o x c 3f f f f f f 0 x c 4 0 0 0 0 0 0 这个为用户定义的静态虚拟地址空间，但这个空间只能用于非缓冲使用。 7 、一 利用o e m a d d r e s s t a b l e 定义物理地址映射空间后，每次内核