（电路与系统专业论文）统一化软硬件平台的通信电源中整流模块控制器的设计.pdf

攘葵 摘要 d u m 系列智能开关通馕电源的嵌入式监控系统悬北京动力源科技股份有限 公司磅发生产豹核心产鑫。囊于各个系统毪能存在差雾双及工程| 零褒系统硬箨零 软件设计思路上的不同，使当前系统模块化和标准化程度不够，系统管理维护和 鼹新上的困难，导致成本提高。为了解决上述问题，本文针对通信电源嵌入式监 羧系统孛豹整浚模块控裁嚣，提出一套软疆 孛平台静绫一巅二竣 方豢。 整流模块控制器硬件平台以运算速浚离、功能强大的8 位单片枫a 1 h e g a l 6 l 为核心，建立系统级硬件单元的组态形式，即通信单元、检测单元和控制单元通 j 建圭控单元实现功能上的连接与协调，然赁对各个功熊单元分别进行硬件设计。 与鞋往的设诗稳魄，该硬伟平台疆毒了系统集或度器混磁兼容萑戆，阉嚣荔予绫 护和管理。 整流模块控制器软件设计以源码公开的嵌入式实时操作系统u c o s i i 为基 吾窭，在矗= r m e g 鑫1 6 l 上移穗黪嚣星心，o s 1 l 之后，建立模块纯敬馋设诗孚台，娥 藏了软件设计，然后对各个功能单元分剐设计用户佼务程序和中断处理子程序， 针对不同型号的整流模块，嶷现具有兼容性的检测与控制功能。相对于传统的前 ，麓台结构的瑕序设计方法，该软件平台翳于应用程膨开发、对硬传瓷源利用零 蠢、实对憔霸可靠性蠢、便于磊蘩维护鬻动麓扩充。 该整流模块控制器已缀应用到d u m 系列通信电源产品中，同时该设计思想 可推广到通信电源嵌入式监控系统的相关部分设计中，具有实际工程应用价值。 获键词：越讯单片机；c o s - i i 操作系统；整流模块控制器；统一化设计 通傣邀源 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e e m b e d d e dm o 工l i t o r e dc o r l 仃0 ls y s t 吼si nm ei n t e l l i g e n ts w i t c h j n gt e l e c o m p o w e r so fd u m i l ya r e 也ec o r ep r o d u c t so fb d j i n gd y l l 锄i cp o w e rc o ，l t d s i n c et 1 1 et e c h n i c a lp e r f b 衄a i l c ed i 岱b r e n c e sa m o n gm es y s t 锄st o g c t h c rw i mt h e h a r d w a r ea n ds o 行w a r ed e s i g nm e t l l o dd i f f h e n c e s 锄o n g 血ee n 百n e e r s ， t l l e d i s a d v a n t a g e si nt h ef o m e rs y s t e m sa r em el a ( 盘o fc o n s i d e 硼o n si nm o d l l i a d z a t i o n a 芏l ds t a l l d a r d i z a t i o nd e s i g n 鹊w d la sm ed i 伍c u l t i 船i i ls y s t 眦m a l l a g 咖锄t m a i n t e l l a i l c ea i l de n h a i l c 锄e i l t t h e r e f b r e ，m ec o s t so fp o w e rp r o d u c t sa r em i s e d t o s 0 1 v em ea b o v ep r o b l e n l s ，1 i sp 印盱p u t sf o r w 盯dah a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f 0 姗 s 0 1 u t i o nb a s e do nu 1 1 i f i e dd e s i 弘m e t l l o dw l l i c hi s 印p l i e d l er e c t i 丘c rm o d l l l e c o n 缸d 1 1 e r so f m ee m b e d d e dm 0 n i t o r e dc o n 缸d ls y s t e m si ni i e l e c o mp o w e r so f d u m f 缸i ly 1 1 1 eh a r d w a r ep l a t f b 衄d e s 啦m c l o do f 血cr c c t i f i 叮m o d u l ec o n 缸d l l c ri sm a t ： f i 州y ，m ea t m e g a l 6 lm c ui ss e l e c t e da sm ec p u ，w l l i c hh 够h i 曲- s p e e da 1 1 d m u l t i m n c t i o np e r f o m a n c e t h e n ，t h eh a r d w a r ec o n f i g i l 枷o ni ns y s t e ml e v e li s e s t a b l i s h e l 州c ht h em a i nc o r 灯o lu i l i tc o 皿c c t s 孤dc 0 珊眦l n i c a l i c s 诵m 也e c o m m u n i c a t i o nu n i t ，d e t e c 廿0 nu i l i ta n dc o n 仰1u n i t f i n a l l y ，e a c hu n i ti sd 髂i 弘e d s e p 啪t e ly c o m p 删诵t 1 1m ef o m e rp m d u c t s ，l i sh a r d w a r ep l a t f o m l h a s 也e a d v a n t a g e s o fi m p r o v i n gm e s y s t e mi m e g r a t i o n l e v d锄d e l e 吐r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y a 1 1 db e i n ge a s yt ob em a n a g e da n dm a i l l t a i n e d 1 1 1 es o f i 、a r ep l a t f o 衄d e s i 印m e 也o do fm er e c t i 脑m o d u l ec o n 劬1 1 e ri sm a t ： f i 州y ， m ee m b e d d c dr e a l e o p 盯a t i o ns y s t 眦p c o s i i i s p o r t e d i n t o a 1 h e g a l6 la i l dc o 娟g u r e di nt e n n so ft h e 叩p l i c a t i o n s t 1 l e n 也em o d u l a rs o f h a r e d e s i g np l a t f o mi se s t a b l i s h e d ，w 协c hi m p l e i n e n t sm en o m a l i z a t i o ns o r w a r ed e s i 弘 f i n a l l y ，t h eu s e rt 船kp r o g r a m sa i l d 也ei n t e r n l p ts e 而c er o u 血e s 眦d 器i g n c d a t 也e s a m et i m e ，l ed e t e c t i o na n dc o n 仃o lr m c t i o nw i t hc o m p a t i b i l i t ) ra r ei r n p l e m e n t e d a c c o r d i n gt od i f f 矾n t 啪e so fr e c t i f i e rm o d u l e c o m p 盯甜w i t l lm ec o n v 雠t i o n a l s o f h a r ed e s i g nm e m o do ff o r e g r o u d ，b a c k g r o u n ds y s t 眦，t h i ss o f h a r ep l a t f o 肌 h a st h ea d v a n t a g e so fb e i n ge a s yt od e v e l o pa p p l i c a t i o n s ，i i l c r e 鹊i n gt l l eh a r d w a r e r e s o u r c ea v a i l a b i l i 吼r e a l m m ep e r f j m a i l c e 孤dr e l i 曲i l i 咄柚dm a l ( i n g f o r i i a b s t r a c t m a i n t e i l a i l c ea 1 1 di n c r e a s i n g 劬c t i o n s t h er e c t i f i e rm o d u l ec o n 廿o l l 盯h 船b e e n 印p l i e di n t om e1 c l e c o mp o w e r p r o d u c t so fd u m i l ym o r e o v l em e t l l o dc a l lb eg e i l e r a l i z e di n t ot l l er e l a t i v e d e s i 弘so fm ee m b e d d e dm 砌t o r e dc o n 仃0 1s ) ，s t e i l l si nm et e l e c o mp o w e r s ，w m c h h a s 廿l ep r a c t i c a lv a l u ei p m j e c t s k e yw o r d s ：a v rm c u ，u c o s i io p e r a t i o ns y s t e m ，r e c t i f i e rm o d u l ec o n 乜d 1 ， u 工l i f i e dd e s i g n ，t b l e c o mp o w e r i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人程导师指导下进行的研究工作及取得的研 究藏莱；尽我凝躲，陵了文孛特瘸热殴舔注帮致瀵茨魏方努，逶文中不包鸯其德 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 毖兰些盍堂或萁它教育机构 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 墨奁论文宁馋了骤确的谖骥劳表示了谢爨 关乎论文使用授权的说明 本人完念了解j e 塞王她太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被套阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，霹疆采建影鼋、绻霉或其毪笺铡手段爨存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇鎏监翩魏名膨嘲 协。蔓l 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，我国通信事业得到了高速发展，以程控交换、光纤传输、移动通信 和卫星通信为主体的通信网络电路规模和容量得到极大增长，这就给通信电源的 性能提出了新的要求i l 】；同时，我国还有许多诸如军队、公安、铁路、计算中心 等需要通信电源的场所，这就给通信电源的性能提出了较高的要求。 通信电源是向通信设备提供交、直流电的电能源，它在通信网络上处于极为 重要的位置。人们往往把电源设备比喻为通信设备运行时的“心脏”。例如，如 果铁路通信系统供电发生故障，中断供电将导致路局的控制调度信号瘫痪，严重 影响铁路的正常运输，必将造成严重的经济损失。 因此，从上世纪9 0 年代以来，我国极为重视通信电源的研制、发展、生产 和电源产品的引进，使通信电源业取得长足发展。由于高频脉冲调制( p w m ) 技术 在通信电源整流器产品中得到成功、广泛的应用，所以开关通信电源正逐步替代 传统的可控硅相控通信电源。开关通信电源与传统电源相比，无论在技术性能指 标、经济指标及使用效果上来说，都具有无可否认的优势1 2 j 。由于开关通信电源 在我国有着巨大的市场，因此目前具有一定的研制、开发能力及生产规模的开关 电源公司在我国已有数十家之多，例如北京动力源科技股份有限公司、深圳华为 科技有限公司、深圳中兴通信公司等等。 我国这些能够自主研制开发电源产品的企业中，不少都拥有雄厚的资金和技 术力量，生产的高频开关整流器输出直流电压规格为一2 4 r 和- 4 8 矿，单机电流值 由i 伽到2 0 叫不等。由高频开关整流模块组成的开关通信电源系统输出电流可 达几千a 。由于技术的不断进步和生产工艺的不断完善，一部分厂家能够独立开 发出具有国际一流水平的、规格品种较为齐全的通信电源系列化产品。其中，中 兴通讯自主研制的5 姒系列组合电源系统，整流模块采用目前最先进的 p s z v z c s i p w m 软开关技术，2 0 负载时效率可达9 0 ，满载效率9 3 ，功率 因数达到o 9 9 6 ，并能实现输出恒功率特性，功率密度达到先进水平。同时，还 具有模块化、高性能、高可靠性，以及智能化、低成本、电磁兼容性( b m c ) 强、 可制造和分布式结构等特点p 。 从对通信电源系统的监控和管理方面来看，国内国际上的主要技术和发展趋 势为：电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制、一周期控制、单片 势为：电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制、一周期控制、单片 北京工业大学工学硕士学位论文 机及d s p 控制等技术正在开发研制：电源微处理器监控、电源系统内部通信、 电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术的应用。 由此可见，系统的智能化和集成化，是我国通信电源设备今后的发展趋势之 1 2 课题的提出 本课题来源于北京动力源科技股份有限公司。该公司的智能开关通信电源的 嵌入式监控系统作为其主导电源产品的核心部分，经过多年的研制开发，已经独 立拥有设计方法和解决方案。但是由于各个系统开发平台的差异以及工程师在硬 件电路设计、软件设计思路的不同，导致了系统在管理维护和更新上的困难，使 电源产品成本提高。具体体现在如下四个方面： ( 1 ) 嵌入式监控系统的产品兼容性不佳。该公司研发并生产不同型号的智能 化开关通信电源产品，输出直流电压规格为2 4 矿和4 8 儿其中，小功率型号的 一系列电源产品中，整流模块的输出电流值分别为l 叫、1 5 一、2 叫、2 鲋、3 叫 和4 叫。于是，小功率电源产品的型号就有1 2 种之多，例如d u m 4 8 1 5 b 、 d u m - 4 8 2 5 d 等等。由于不同型号的整流模块的性能参数和监控内容不同，其研 制生产时间也不同，因此所对应的嵌入式监控系统的软硬件设计便存在差异。例 如，2 0 0 3 年研发出来的d u m 4 8 1 5 b 电源产品中的嵌入式监控系统，就无法直接 无缝地使用在2 0 0 4 年研发出来的d u m 4 8 3 0 d 产品的整流模块上，需要对前者 的监控系统进行硬件电路的更新，并对软件修改、打补丁，或者索性重新设计。 这就造成系统集成度下降，较难满足行业的有关统一要求，增加了产品开发时间。 r 2 ) 工程师的设计思想和方法存在差异。硬件方面，不同的工程师所熟悉擅 长的c p u 不同，所设计电路的方法不同，所选择的芯片、元器件不同，p c b 板 的设计工艺不同，这就造成了公司在原理图文档管理、元器件管理、硬件电路维 护的复杂度增加。软件方面，一般将控制程序写成一个无限循环体，把实现的每 个功能和设定的参数统统包含在循环体中，这样循环体越大而复杂，程序查找起 来就越困难；不同的工程师，编程的方法不同，数据结构的构造方法不同，再加 上工程师对注释、日志、流程图等文档的撰写重视不够，造成程序的可读性和可 移植性降低，维护成本提高。 ( 3 ) 软件的升级困难。由第( 2 ) 项可知，传统的控制程序为前后台结构，前台 程序为中断服务程序，后台程序为一个无限循环体的主程序，所有实现的功能都 混合在后台和前台程序中，这不但使设计复杂度大大提高，程序维护困难，而且 如果后续的工程师欲为控制系统原有程序添加新功能的代码，就更使程序不易管 第l 章绪论 理。 ( 4 ) 硬件设计上未能跟上元器件的发展。现时期，国内外硬件芯片和元器件 的发展速率相当可观，芯片正在向着高速率、高性能、多功能、低功耗、高集成 度等方向发展。但是，该公司原有电源产品嵌入式监控系统所使用的芯片，有些 已经停产，有些供货渠道单一。而且，随着控制系统功能的增加，原有( 如d 口 封装、s d 封装等) 的较大型芯片或元器件将大大占用p c b 的空间，导致p c b 的 面积增大。加上原有芯片在功能单一且性能不高，致使硬件电路集成度不够，组 态复杂，抗干扰能力下降且不易于维护和管理，产品成本提高。 因此，从工程应用的角度来看，在嵌入式监控系统的硬件平台和软件设计方 面，急需要提出一套切实可行的设计方案，以实现对监控系统软硬件平台的统一 化设计，提高监控系统软硬件的兼容性( 统一化监控) ，使监控系统软硬件得到统 一化管理，易于维护、升级。简而言之，就是要求软硬件平台“三统一”。 本课题所涉及的科研项目，正式是北京动力源公司此次工程设计方法改进项 目的一部分内容。 1 3 课题的内容与意义 本人在研究生期间主要完成的科研内容是：在智能开关通信电源的嵌入式监 控系统中，针对整流模块控制器，设计出一套全新的硬件和软件平台，以符合上 文所述之“三统一”的要求。具体内容如下： ( 1 ) 考察嵌入式监控系统的功能需求，重点考察整流模块控制器。 ( 2 ) 对熬流模块控制器进行硬件统一化方案设计，芯片选型，p i d t c l 原理图 电路设计，p c b 绘制、焊接和调试，加深对a 、，r 单片机硬件体系结构和i c c 瓜喂 编译环境、a t s t i l d i o 调试环境的学习和研究。 ( 3 1 对整流模块控制器进行软件统一化方案设计，从系统可靠性考虑引入源 代码开放的嵌入式实时多任务操作系统“c 0 s - i i ，并将它移植到a t m e g a l 6 l 高 速单片机中。 ( 4 ) 编写用户任务程序和中断处理子程序，在操作系统下完成整流模块控制 器的软件设计。 ( 5 ) 将整流模块控制器嵌入通信电源机架中，进彳亍整机联调。 本课题研究的内容涉及到实际工程中系统级设计方法的探讨，以及单片机、 嵌入式实时操作系统、p d 自动控制等技术。 本课题的意义在于：硬件平台的统一化设计既降低了今后硬件开发的设计成 本，又提高了工作效率；软件的统一化设计既提高电源系统的稳定性，又有利于 北京工业大学工学硕学位论文 今后的维护和升级。软硬件都实现了统化设计、统一化控制、统一化管理的“三 统一”要求，在王程巍穗方瑟，舞今秀懿逶售毫澈产品提供了一套便捷可靠耱秀 发平台和设计思想，为最终的产品节约成本。 1 。4 论文豹结构 全文拱分五章。 第一黎是绪论，余绍了课题豹鹜景、课题的提蹬以及研究内容与意义。 第二章奔绍实现统一耽软硬传设计静关镶技术嵌入式实对搡绍系统 u c o s i i 。 第三濑介绍d u m 系列通信电源的嵌入式监控系统的结构秘功能，提出了整 漉摸决撩澍器豹软硬移总接设嚣嚣搽。 第四章介绍整流模块控制器的统一化硬件设计思想，建立硬件组态形式，详 细阐述微控制器a t m e g a l 6 l 的结构特点，以及外围各个硬件功能单元的电路设 计。 第五牵介绍整流模块控蔫4 器的统一亿软件浚计思想，建立软件设计平螽，详 细阐述“c o s i i 的移植与配置工作，以及各个用户任务程序和中断处理予程序 的设计。 第2 章嵌入式实时操作系统l l c o s i i 第2 章嵌入式实时操作系统l j c o s i i 2 1 引入嵌入式实时操作系统的意义 通信电源的嵌入式监控系统是以智能化微控制器为核心。而智能微控制器的 灵魂是软件，也就是通常所说的嵌入式程序设计。软件控制着智能微控制器的几 乎一切动作和行为【7j 。对于一个不太复杂的小型控制系统，一般采用超循环系统 ( s u p * 1 0 0 p s ) 或称为前后台系统( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d ) 来实现，如图2 1 所示。 在前后台系统中，应用程序是个无限的循环，循环中调用相应的函数来完成 相应的操作，这部分可以看成是后台行为( b a c k g r o u n d ) ，或叫做任务级。中断服 务程序( i s r ) 处理异步事件，这部分可以看成前台行为( f o r c 鲫d ) ，或叫做中断 级。时间相关性很强的关键操作( c r i d c a lo p e m t i o n ) 定是靠中断服务来保证的 喁】。因此，在一个相对简单的控制系统中，前后台系统的编程思路适用于实现此 控制系统的全部功能。 图2 1前，后台系统示意图 但是在相对复杂的嵌入式监控系统中，前后台的思想就暴露出如下缺陷： ( 1 ) 任务执行的实时性差。在前后台系统中，中断服务提供的信息一直要等 到后台程序运行到该处理器这个信息时，才能得到处理。因此，这种系统在处理 信息的及时性( 任务级响应时间) 上，比实际上可以做到的要差。最坏的情况下， 任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。因为循环的执行时间不是常数，程 序经过某一特定部分准确时间也是不确定的。进而，如果程序修改了，循环的时 序也会受影响u j 。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 不利于维护升级。嵌入式监控系统是通信电源的核心部分，集各种监测 与控制功能于一体。它不仅要监测交、直流配电部分和每个整流模块，控制整流 模块的开关机、告警、调压、限流等，而且还要实时显示各个配电线路的电气参 数。除此之外，还要具有友好的人机界面以及与上位机之间的遥测、遥控和遥信 等通信功能。这么复杂的监控系统，如果采用这种前后台编程思想，将所有的 功能都混合在后台和前台程序中，那么程序设计的复杂性大大提高，不利于程序 的后期维护和修改。 ( 3 ) 可靠性不高。由于通信电源往往工作在露天或较恶劣的环境中，雷电和 静电干扰时有发生，嵌入式监控系统的抗干扰能力在很大程度上决定了通信电源 的可靠性和稳定性。强干扰会使监控程序失控，脱离正常的执行，甚至是发生错 误的控制信号，造成被控对象( 交、直流配电部分，整流模块等) 的误动作。因此 在设计嵌入式监控系统时，需要从软、硬件两方面考虑，提高其e m c 的能力， 保证被控对象的稳定工作。如果使用这种前后台系统设计思路，当遇到强干扰 时，程序在任何一处产生死循环或破坏都会引起死机，只能依靠软硬件处理复位， 重新启动系统。 针对上述前后台编程思想的缺陷，在设计较为复杂的嵌入式监控系统时， 考虑使用嵌入式实时多任务操作系统( r t o s ) 作为嵌入式应用软件的基础和开发 平台。 r t o s 可以简单地认为是功能强大的主控程序，它嵌入在目标代码中，系统 复位后首先执行，负责在硬件基础上，为应用软件建立一个功能更为强大的运行 环境，用户级应用程序都建立在r t o s 之上。从这个意义上讲，操作系统的作用 是为用户提供一台等价的扩展计算机，或一个虚拟机，它比地层硬件更容易编程。 不仅如此，r t o s 还是一个标准的内核，将c p u 时间、中断、i ，o 、定时器等资 源都封装起来，留给用户标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地在不同 任务之间分配c p u 时间。从这个意义上讲，操作系统的作用是资源管理器。 在通信电源的嵌入式监控系统中，引入r t o s 的好处如下： ( 1 ) 任务执行的实时性高。r t 0 s 具有系统的可确定性，即系统能对运行情 况的最好和最坏等情况做出精确的估计。其实时性要比前后台系统好得多，系 统能及时响应外部异步事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控 制所有实时任务协调一致地运行。 f 2 1 开发效率提高。引入嵌入式r 1 o s 降低程序复杂度，缩短开发周期。i o s 可以将一个复杂的应用程序按照不同的原则分解成多个用户级任务，每个任务模 块的调试、修改几乎不影响其他任务。而且程序的后期维护，修改也较为方便。 譬如需要添加一个新功能，只要给它分配一个任务、一个合适的优先级即可，而 第2 章嵌入式实时操作系统u c o s i i 不必对整个程序都进行修改，简单而容易操作。 ( 3 ) 提高系统的可靠性。通信电源的嵌入式监控系统，对于由r t o s 管理的 系统，在强干扰环境下可能只是引起若干任务中的一个被破坏，可以用另外的监 控任务对其进行修复，采取补救措施。 2 2 嵌入式实时操作系统的选择 在确定引入嵌入式实时操作系统之后，剩下的工作就是选择一种适合本课题 的r t o s 。早在2 0 世纪6 0 年代，人们就开始对嵌入式操作系统进行研究和开发， 但直到近几年，嵌入式操作系统的概念在国内才被越来越多地提及。它在通信、 电子、自动化等需要实时处理的领域所日益显现的重要性吸引了人们越来越多的 注意力。目前实时操作系统很多，如v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p s o s 等，但这些 软件的价格和使用成本( 版权费、维护费等) 都十分昂贵，因此商业级r t o s 软件 在使用上受到诸多的限制。而“c o s 则不同，它的源代码是全部公开的，并 且完全免费，是一个自由操作系统，程序开发人员可以改写其中的源代码使之符 合自己的要求。由于其极强的可移植性和可裁减性，用户可以根据自己的需要， 裁剪掉不需要的部分，使操作系统变得小巧灵活，同时又能够满足用户特定操作 系统的需要。u c o s i i 的可靠性完全可以与商业级r t o s 软件相媲美【9 ，” 12 1 ，因 此本课题选用u c o s h 作为嵌入式实时操作系统。 2 3 肛c o s l l 的概况 “c o s 一是由美国工程师j e a nj i _ 抽r o s s e 编写的一个源码公开的嵌入式实 时操作系统内核，它已经在许多领域得到成功的应用，其本身也在不断地改进， 在嵌入式开发系统领域占据了很重要的地位。 c o s i i 具有如下特点【iu j ： ( 1 ) 源代码公开( s o u r c ec o d c ) 。c o s 的内核源代码是免费开放的，可以 从光盘或网上下载。这份源码清晰易读，且结构协调，注释详尽，对实时操作系 统的基本原理做了非常细致的解释。同时，用户可以根据需要，对其进行修改。 ( 2 ) 可移植性( p o r t a b l e ) 。u c o s i i 源码绝大部分使用移植性很强的a n s ic 写的，与微处理器相关的部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最 低限度，以使u c o s i i 便于移植到绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微控 制器、微处理器以及数字信号处理器上运行。 ( 3 ) 可裁减( s c a l a b l e ) 。可以只使用p c o s - i i 中应用程序需要的系统服务，把 北京工业大学工学硕士学位论文 不需要的功能去掉，这样可以减少产品中“c o s i i 所需的存储器空间( r a m 和 r o m ) 。可裁剪性是靠条件编译实现的，只要在用户的应用程序中( 用撑d e f i n e c o 璐t a n t s 语句) 定义那些“c o s i i 中的功能是应用程序需要的即可。 ( 4 ) 可剥夺性( p r e 锄p l i v e ) 。“c 0 s - i i 是完全可剥夺型的实时内核，即 且c o s i i 总是运行就绪条件下优先级最高的任务。大多数商业内核也是可剥夺型 的，u c o s i i 在性能上与它们类似。 ( 5 ) 多任务( m u m - t a s k i n 酌。肛c o s i i 可以管理6 4 个任务，操作系统本身保 留了8 个任务，留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。赋予每个任务的优先 级必须是不同的，这意味着p c o s i i 不支持时间片轮转调度法( r 0 1 l i l d r o b 证 s c h 办l l i n g ) ，这与其他大多数操作系统不同。 ( 6 ) 可确定性( d e t e r n l “s t i c ) 。绝大多数“c o s 的函数调用和服务的执行时 间具有可确定性，即用户总能知道c o s i i 的函数与服务执行了多长时间，进 而可以说，除了函数o s t i m e t i c k ( ) 和某些事件标志服务，“c o s i i 系统服务的执 行时间不依赖于用户应用程序任务数目的多少。 ( 7 ) 系统服务( s e r v i c e s ) 。“c o s i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥量、 事件标志、消息邮箱、消息队列、块大小固定的内存申请与释放及时间管理函数 等等。 ( 8 ) 稳定性与可靠性( r 0 b u s ta n dr e l i a b l c ) 。c o s i i 得到了美国航空航天管理 局的安全认证。这一结论表明，该操作系统的质量得到认证，可以在任何应用中 使用。 2 4 “c o s 一| | 的内核结构与工作原理 2 4 1u c ，o s 一体系结构 u c o s 的体系结构如图2 2 所示。对图2 - 2 说明如下： ( 1 ) 移植斗c o s i i 的文件是与处理器有关的代码，相当于系统的驱动程序。 ( 2 ) c o s i i 与处理器无关的代码加上i l c o s i i 配置文件，提供扯c o s i i 系统服务以及a p i 函数。 ( 3 ) “c o s i i 应用软件使用系统a p i 和函数进行任务创建、删除，内存管理 以及任务间通信等功能。 第2 章嵌入式实时操作系统u c o s - i i 应用软件 l瑶产黎譬)l 较 枣 硬件 ，1 广 l! ! !il璺竺竺 黧2 2 # c 硒s - 珏髂寨结构 2 4 2 任务 下面介绍几个和任务相关的穰念酗乳1 ”。 2 4 2 1 任务 镪务是一个麓擎熬程| 事分段，糖有鑫已狻立豹一套c p u 寄存器靼耋恿豹棱 赛间。该程序可以认为c p u 完全只属于该程序自己，并被操作系统当作一个基 本工作单元来调魔。任务是在系统运行前已设计好的，每个任务设计成一个无限 豹循环。 2 4 2 2 多僚务 拉c 姆s 1 1 支持多镁务运铃。多任务运行的实现实际上是靠c p u 在许多任务 之间转换和调度。c p u 只有一个，轮番服务于一系列任务中的某一个，如图2 3 所示。多任务很像前，意台系统，只是后台任务有多个。多任务运行饺c p u 懿剥 翔率达到最藏，势馊应耀程黪模块化。髑户可以将缀复杂豹应用程序层次他，应 用程序将更容易设计与维护。 北京工业大学工学硕士学位论文 t a s k 钔 t a s k 糖t a s k 撂n “m“mh“ 图2 3 多任务 2 4 - 2 3 任务优先级 每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先级越高。每个任务的优先 级是由用户决定的。优先级包括静态优先级和动态优先级。应用程序执行过程中 诸任务优先级不变，称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们 的时间约束在程序编译时是已知的。应用程序执行过程中，任务的优先级是可变 的，称之为动态优先级。 给任务定( 分配) 优先级需慎重考虑，因为实时系统相当复杂，而且并非所有 的任务都至关重要。通常执行最频繁的任务优先级越高 8 】。但是，最高执行率的 任务并非都是最重要的任务，因此需联系实际制定任务优先级，详见第5 4 节。 2 4 2 4 任务状态 图2 4 是u c 0 s i i 控制下的任务状态转换图。在任一给定的时刻，任务的状 态定是以下五种状态之一。 ( 1 ) 休眠态( d o n n a n t ) 。指任务完成或错误而被删除，驻留在程序空间( r o m 或r a m ) ，还没有交给肚c ，o s i i 来管理。通过任务创建功能，把任务交给“c o s i i 。 ( 2 ) 就绪态( r e a d y ) 。任务旦建立，该任务就进入了就绪态，准备运行，其 优先级比正在运行的任务优先级低。 ( 3 ) 运行态( m l 肌i 1 1 曲。指该任务获得c p u 使用权，正在运行中。通过启动 繁2 章嵌入式实对操作系统“e o s h 多任务调度，使就绪态中优先级最高的任务进入遐行态。任何时刻只能有个任 务缝子遨褥态。 ( 4 ) 等待态( w 颉t i n g ) 。正在运行的任务为了镣待某一事件的发生，而将自身 延迟一段时间，进入等待态，一直到函数中定义的延迟时间到。等待的时间过去 嚣，p c ，o s i i 使延迟了的任务进入就缝态。 任务删除 图2 4 任务状态转换嘲 ( 5 ) 中断服务态0 s r ) 。指响应中断时，原来麓在运行豹任务梭中断茼被接起， 该任务谶入中断服务杰。此时，中断服务程序控制c p u 使用权。 2 4 。3 经务调度翻甥换 任务调度( t a s ks c h e d l l l i n g ) 是内核的主要职责之一，就是决定该轮到哪个任 务运行了。a o s 1 i 熄基于优先级调度法的。慕予优先级调魔法是指，c p u 总 是诖鲶予簸绪态熬、筑先级最裹豹强务先运霉。巍多经务蠹孩决定运行该任务霎壹， 任务切换开始了。 为了更好地阐述“c o s i i 任务调度和任务切换原理，下阿首先介绍相关的 毂念l s l 锄。 2 4 3 1 任务控制块 一熙任务建立，岛之对应的任务控制块o st c b 就被赋俊。任务控制炔是 一令数糖续鞫漕穗舔) ，骜 壬务戆c p 毯使震投鼗鬻夺嚣重，哗o s 一程曩它米绦存该 任务的状态。当任务熏新得到c p u 使用权时，任务控制块畿确保任务扶巍时被 中断的那一点丝毫不簇地继续执彳予。o st c b 全部驻留在r a m 中。 任务控制块包含了操 乍系统鲠器要的关予强务的所有僖怠。饪务控制块包括 任务筏倍患，任务状态信息纛任务控箭蔼崽。熊藿静任务按涮块数据络翰如图 2 5 所示。 i e 束工业大学工学硕士学位论文 想螺岛蔓霸砖_ 删黑鼎_ 鼎艄盛嘲_ 嘲瞄嘲黜_ 鼻_ | 墨呦_ ，鞘糕惠_ _ ! l 嘲l i 一_ ! 皇l ! ! 呻| _ _ - ! 任务按毒4 块数据结构体说明如下： ( 1 ) 当前任务栈顶指针 o s 他b s n 国廿，。它是指内当藏任务堆棱栈顶的指针。 c o s l i 凫许每个任务有自己的堆栈，且堆栈的容量可以是任意的。这就寄剩于 节省宝贵的r a m 空闻。 凰2 - 5 任务控制块舱数据结构 ( 2 ) 任务控起最多黠锋节拍数( o s f c b d j y ) 。当需要把任务延时若干时钟节 拍时，袋者需要把任务挂起段时间以等待某事件的发生释，矮用到此变餐。这 个变量保存的僮燕任务允许等待事件发生的跫多时钟节拍数。 ( 3 ) 任务优先缴( 0 s t c b p 矗o ) 。这个氇越小，侄务的优先级越商。 ( 4 ) 就绪表鹰诲变量( o s 他转x 、o s t c b y 、，o s 丁c b 拯i 及o s t c 骝b 矗y ) 。 用予加速任务进入就缝态的过程或进入等待事件发生状态的过程。这些谯是在经 务建立时箕好的，或者是在改变任务伉先级时算如的，算法如程序2 1 所示， 鬻攀 量舞蠹。 一毒 2 4 3 2 就缭袭 为了快速找出就绪态中优先级最离的任务，实时内按采用一种就绪豪方法来 实现的。每个任务被赋予不同的优先级等级，从o 到最低优先级 o s 一w e s t 矗p r i o ( 6 3 知优先疑越离，数字越小，系统把每个任务豹就绪态稼 恚赦入就绪表取e a d yl i s t ) 中，裁绪衷商2 个变量：o s r d y g r p 和o s r d 娜l 【n 】。 在o s r 由。翠中，任务按优先级分组，8 个任务为一组。o s r d y g l p 中的每一俊 表示8 缎任务牛每一组是否有进入簸鳍态的任务，若有，划相应的= 进制位置l 。 饪务避a 就绪态对，就绪袭o s r d 娜l n j 中相疫元索豹二迸蒯位嚣l 。o s r 母g 巾 第2 章嵌入式实时操作系统u c o s i i 和o s r d y t b l n 之间的关系见图2 6 ，是按以下规则给出的： 当o s r d y t b l o 】中的任何一位是1 时，o s r d y g r p 的第0 位置1 当o s r d y t b l 7 中的任何一位是1 时，o s r d y g r p 的第7 位置1 。 即o s r d y g r p 的第n 位内容是o s r d ) r 1 b l 【n 】中每一位相“或”的结果。 o s r d y g 巾 图2 6 o s i i 的任务就绪表 程序2 2 中的代码用于将一个任务放入就绪表。p 曲是任务的优先级。 。 ； 羔”! i 嘲舞委i 搿 i 警 t 生掣“一未| - “ 磐囊i ! _ i 篓纂毳嫠鍪爨慧蘩蒸鍪j 糕囊蓁i 寨；豢囊黍嚣蠢二i ： | 一番譬；攀i | i 骥罂饔孥 ；l 誊一誊誊熏曼慧熬瑟l 隳鬻鬻爹鑫豢。；i j 誊蠹薹誊j 基i j 、： 9 1 1 4 j 褥l 西r i 尊芝蔓】_ 冀睦i 1 = l 嗔酾飘l 睫爨j ：壤魉? 羽蠢l 蒺：誊蠹，j ； 一：薹曩j 曩蔓j j 从图2 6 可以看出，任务优先级的低3 位用于确定任务在就绪表o s r d y t b l n 】 中的所在位置。接下去的3 位用于确定是在o s r d y t b l n 数组的第几个元素。 o s ma p r r b l 【n 】是在r o m 中的屏蔽字，用于限制o s r d ) ，1 b l n 】数组的元素下标为 7 ，详见表2 1 。 例如，某个任务优先级为2 6 ，八进制值为0 3 2 ，所以它在o s r d y g f p 中的对 应位是b i t 3 ，在o s r d m l 【n 中的对应位是b i t 2 。 如果要使一个任务脱离就绪态，则利用程序2 3 的代码清除o s r d y g r p 和 o s r d y t b l n 】中的对应位。注意，只有当o s r d y t b l 【n 】的所有位都清零时， 0 s r d 粥r p 中的位n 才为0 。 拦爱纛羞鍪舞、 。；鼍孽曩“i；“ ， i ； ： 北京工业大学工学硕士学位论文 又叫做上下文切换( c o n t e x ts 、 l r i t c h ) ，由以下两步完成： ( 1 ) 内核保存即将被挂起的任务的当前状态( c o m e x t ) ，即c p u 寄存器中的全 部内容。这些内容保存在任务的当前状态保存区( t a s k sc o n t e x ts t o r a g e a r e a ) ，也 就是任务自己的栈区中( 参考图2 4 ) 。 ( 2 ) 入栈工作完成后，把下一个将要运行的任务的当前状态从该任务的栈中 重新装入c p u 的寄存器，并开始该较高优先级的任务的运行。 由上述步骤可见，就绪任务的栈结构看起来跟刚刚发生过中断一样， p c o s i i 运行就绪态任务所要做的，只是恢复所有的c p u 寄存器并运行中断返 回指令。为了做任务级的任务切换，即运行o st a s ks w ( ) ，人为模仿一次中 断。可见，o s 1 a s k s w ( ) 实际上是一个软中断调用。发生软中断后，现场被自 动保存到任务堆栈中。软中断处理流程如下： ( 1 ) 保存当前运行态任务的堆栈指针到任务的0 st c b 中。 ( 2 ) 将变量o s t c b h i 曲r d y 代表的任务设置为新的当前任务，并读取保存在 该任务o s t c b 中的堆栈指针o s t c b s t k p 饥 x 北京工业大学工学硕士学位论文 如图2 9 所示为将当前任务延时一个时钟节拍( 1 0 m s ) 的详解图。 1 0 1 1 1 s h “ 时间，? 、时钟节拍中断 o s t i d d s r ( ) 高优先级任务 低优先级任务 2 4 6 任务管理 当前任务在这里调用 o s t 缸e d l y ( 1 ) 图2 9 延时详解 肛c o s - i i 通过任务管理功能，在应用程序中建立任务、删除任务、改变任务 的优先级及挂起和恢复任务，以及如何获得有关任务的信息。下面简要介绍建立 任务和删除任务功能0 1 。 2 4 6 1 建立任务 如果想让u c o s i i 管理用户的任务，必须事先建立任务。必须将任务的地 址和相关参数传递给任务建立函数o s t a s k c r e a t e ( ) 。任务可以在多任务调度开始 前建立，也可以在其他任务的执行过程中建立