（计算机系统结构专业论文）光机电一体化设备的嵌入式控制技术研究及应用.pdf

四川大学硕士学位论文 光机电一体化设备的嵌入式控制技术应用研究 计算机系统结构专业 研究生张丛耀指导教师吴仲光 随着现代科学技术的不断迸步，不同学科问的交叉与渗透日益增 多，且不断发展。在工程领域。由于微电子技术和计算机技术的迅猛 发展及其向机械工业技术的不断渗透，形成了所谓的机电一体化技术。 从而使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管 理体系发生了巨大变化。在机电一体化技术领域中引入嵌入式系统技 术，将更加促进机电一体化技术的发展。 机电一体化设备的嵌入式控制技术是嵌入式系统技术与机电一体 化技术的结合，即将嵌入式系统技术应用于机电一体化中具体的说 就是把嵌入式系统开发和设计的相关理论、技术引入到机电一体化系 统的开发和设计中，建立以嵌入式微处理器( 或微控制器) 为核心， 以高性能、高可靠性的硬件和软件为保障的机电一体化设备嵌入式控 制系统，在满足被控机械对象的复杂控制要求的同时满足现代工业对 于设备智能化、网络化的需求 本文研究了机电一体化嵌入式控制技术的相关设计方法和应用， 在此基础上，研制了针对光机电一体化设备的新型电控系统，并将该 电控系统应用到数码印刷一体机中。 在内容安排上，本文首先介绍了机电一体化技术及其发展状况， 阐述嵌入式系统技术及其相关的知识，描述了且前嵌入式系统在机电 一体化设备中的一些应用。 四川大学硕士学位论文 随后，本文对机电一体化设备嵌入式控制系统的结构进行了分析， 给出了机电一体化嵌入式控制系统的分层整体框架；分析了机电一体 化嵌入式控制系统的设计的一些特点；重点研究了一种基于分层和模 块化的机电一体化嵌入式控制系统设计方法，并对其中的基于可重用 的软件模块设计方法的设计思想和设计流程作了详细分析。 然后，在上面介绍的机电一体化嵌入式控制系统整体框架基础上， 对机电一体化设备的特点和需求进行了详细分析，应用以a r m + d s p 为处理核心的硬件模块设计方法和基于可重用的软件模块设计方法， 设计了一种针对光机电一体化设备的新型智能电控系统。 本文最后介绍将新型智能电控系统应用于实际设备上的详细过 程。首先分析了一种现代办公设备：数码印刷一体机的技术特点，以 及目前国内外在这方面的技术进展：然后对数码印刷一体机进行硬件 和软件的需求分析；详细介绍了将新型智能电控系统应用在数码印刷 一体机上的实现过程；最后总结了新型电控系统设计和应用中的关键 技术：抗干扰技术。 由于新型电控系统在设计之初就采取模块化的设计，所以在应用 过程中，只需要对模块进行增减，非常方便。应用了新型电控系统的 数码印刷一体机工作稳定可靠，性能先进，现已大批量投入实用。 关键词：机电一体化。嵌入式控制技术，a r m ，设计方法，数码印刷 一体机，抗干扰技术 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na p pi ic a ti0 1 3o fe m b e d d e dg o n t r oi t e c h n oio g yino p t o 。m e c h a t r o ni0e q uip m e n t m a j o r ：c o m p u t e rs y s t e ma n ds t r u c t u r e p 0 s t g r a d u a t e ：z h a n gc o n g y a os u p e r v i s o r ：w uz h o n g g u a n g a sm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o g r e s sc o n t i n u o u s l y ，t h e c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n ts u b j e c t sa r eg o i n gt ob em o r ea n dm o r e c o m m o na n da r ek e e p i n gd e v e l o p i n g i ne n g i n e e r i n ga r e a ，t h es p e e d y d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，w h i c h i n f i l t r a t ec o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ，r e s u l t s i nan e w e n g i n e e r i n g ：m e c h a t r o n i c s i tb r i n g s 0 ng r e a tc h a n g e si nm a c h i n e e n g i n e e r i n g o nt e c h n i c a l c o n s t r u c t ，p r o d u c tc o n s t r u c t ，f u n c t i o n a n d s t r u c t u r e ，p r o d u c t i v i t y ，a n dm a n a g e m e n t a p p l y i n ge m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g yo nm e c h a t r o n i ct e c h n o l o g yw i l lp r o m o t et h ep r o g r e s so f m e c h a t r o n i c s t h ee m b e d d e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm e c h a t r o n i ce q u i p m e n t si st h e r e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y a n d m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y i t a p p l i e s e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yt o m e c h a t r o n i c s c o n c r e t e l y ，i ti m p o r t st h e o r y a n d t e c h n o l o g y o ft h e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mt ot h ed e v e l o p m e n ta n d d e s i g n o fm e c h a t r o n i es y s t e m e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m u s i n g i n m e c h a t r o n i ce q u i p m e n ti sd e v e l o p e dw h i c ht a k e se m b e d d e dc o m p u t e ra s t h ec o n t r o lk e r n e l ，t a k e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew i t hh i g hp e r f o r m a n c e a n dh i g hr e l i a b i l i t ya st h e g u a r a n t e e t h e e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m s a t i s f i e st h ec o m p l i c a t e dc o n t r o ld e m a n d so fm e c h a n i c a ls u b j e c t a tt h e 3 四川大学硕士学位论文 s a m et i m e ，i ts a t i s f i e st h ei n t e l l i g e n t i z i n ga n dn e t w o r k i n gd e m a n d so f m e c h a n i c a le q u i p m e n ti nm o d e r ni n d u s t r y t h ep a p e rr e s e a r c h e do nt h e d e s i g nm e t h o da n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm e c h a t r o n i ce q u i p m e n t s u s i n gt h e d e s i g nm e t h o d ，an e wt y p e c o n t r o ls y s t e mu s i n gi no p t o m e c h a t r o n i c e q u i p m e n t sw a sd e v e l o p e d t h e nt h ec o n t r o ls y s t e mw a sa p p l i e dt od i g i t a l d u p l i c a t o r f i r s t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e dm e c h a t r o n i c t e c h n o l o g y a n di t s d e v e l o p i n gs i t u a t i o n ，d e s c r i b e de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n ds o m e k n o w l e d g ea b o u ti t ，p r e s e n t e ds o m ea p p l i c a t i o n so fe m b e d d e ds y s t e mi n m e c h a t r o n i ce q u i p m e n t s t h e n ，t h es t r u c t u r eo fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi nm e c h a t r o n i e e q u i p m e n t s w e r e a n a l y z e d i nt h i s p a p e r t h eh i e r a r c h i c a lg e n e r a l f r a m e w o r ka n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g no fe m b e d d e dc o n t r o l s y s t e mi nm e e h a t r o n i ee q u i p m e n t sw e r ea n a l y z e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e d o na d e s i g n i n gm e t h o db a s e d o nh i e r a r c h i c a la n dm o d u l e a n dt h e d e s i g n i n gt h i n k i n ga n dd e s i g n i n gf l o wo ft h es o f t w a r ed e s i g n i n gm e t h o d b a s e do nr e u s a b l em o d u l ew e r ea n a l y z e da m p l y a f t e rt h a t ，b a s e do nt h eg e n e r a lf r a m e w o r ko ft h ee m b e d d e dc o n t r o l s y s t e mi nm e c h a t r o n i ce q u i p m e n t si n t r o d u c e da b o v e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dd e m a n d so ft h em e c h a t r o n i ce q u i p m e n t sw e r ea n a l y z e da m p l y t h e na n e wt y p ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mu s e di no p t o m e e h a t r o n i ce q u i p m e n t s w e r ed e v e l o p e du s i n gt h ed e s i g n i n gm e t h o db a s e do nr e u s a b l es o f t w a r e m o d u l e sa n dh a r d w a r em o d u l e sw h i c ht o o ka r ma n dd s pa st h e p r o c e s s i n gc o r e a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep a r t i c u l a rp r o c e s so fa p p l y i n gn e w t y p ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mt op r a c t i c a le q u i p m e n t t h et e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fas o r to fm o d e r no f f i c ee q u i p m e n t ，d i g i t a ld u p l i c a t o r ， w e r ea n a l y z e d t h e nt h ei n t e r n a la n do v e r s e a st e c h n i c a lp r o g r e s s e si nt h i s - 4 - 四川大学硕士学位论文 a r e aw e r ei n t r o d u c e d d e m a n da n a l y s i sa b o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m si nd i g i t a ld u p l i c a t o rw a se x e c u t e d a f t e rt h a t ，t h er e a l i z a t i o n p r o c e s so fa p p l y i n gt h en e wt y p ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mt od i g i t a l d u p l i c a t o rw a si n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h ee n d ，t h ek e yt e c h n o l o g yi nt h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o fn e w t y p e c o n t r o l s y s t e m ，a n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g y ，w a ss u m m a r i z e d b e c a u s ed e s i g n i n gm e t h o db a s e do nr e u s a b l em o d u l e sw a sa p p l i e di n t h ed e s i g n i n go fn e wt y p ec o n t r o ls y s t e m 。t h ea p p l i c a t i o np r o c e s sw a s v e r yc o n v e n i e n t ，w h i c hm e a n si nt h ea p p l i c a t i o np r o c e s st h em o d u l e so n l y n e e dt ob ea d d e do rr e d u c e d b e c a u s eo ft h e i rh i g hp e r f o r m a n c e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dh i g hs t a b i l i t y , v o l u m e so fd i g i t a ld u p l i c a t o r sa p p l i e dn e w t y p ec o n t r o ls y s t e mh a db e e nu s e d k e y w o r d ：m e c h a t r o n i c s 。e m b e d d e dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a r m ，d e s i g n i n g m e t h o d ，d i g i t a ld u p l i c a t o r j a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y 一5 - 四川大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 引言 机电一体化( m e c h a 垃o n i c s ) 技术是微电子技术向传统机械工程渗透而形成 的融合机械工程、电气工程、计算机科学、信息技术等为一体的新兴综合技术。 以机电一体化技术为代表的现代制造技术，极大地推动了经济、社会的发展进 步，改变了人们的传统观念。二十一世纪的机电一体化技术，日益向小型化、 智能化、网络化方向发展，而这正是嵌入式系统技术的优势所在 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 技术最早出现于二十世纪七八十年代，起初 是为了将通用计算机引入到某些特定的对象系统中，如船舶自动驾驶、工业生 产检测系统等。后来由于半导体技术、电子技术和计算机技术等相关领域的进 步，嵌入式系统技术获得蓬勃发展，在工业控制、网络通信、消费类电子、信 息家电等领域获得广泛应用，现已被认为是二十一世纪最有生命力的新技术之 一。嵌入式系统虽然发端于通用计算机系统，但实际上现在各种各样的嵌入式 系统数量已远远超过通用计算机系统。据统计，全球每年生产的c p u 的数量大 概在二十亿颗左右，其中大部分是为各种专用性很强的嵌入式系统设计和制造 的。 机电一体化嵌入式控制技术即是机电一体化技术与嵌入式系统技术的结 合，是将嵌入式系统技术应用于机电一体化设备的控制当中。具体的说就是把 嵌入式系统开发和设计的相关理论、技术引入到机电一体化系统的开发和设计 中，建立以嵌入式微处理器( 或微控制器) 为核心，以高性能、高可靠性的硬 件和软件为保障的嵌入式系统，在满足被控机械对象的复杂控制要求的同时满 足现代工业对于设备智能化、网络化的需求其实在社会生活和生产的各个领 域，数控机床、工业机器人、自动化办公设备、智能玩具等使用嵌入式系统技 术的先进设备正在迅速改变传统的工业生产和社会生活方式。而上述设各都可 以看作是机电一体化技术和嵌入式系统技术相结合的产物。 1 2 机电一体化技术及其发展概况 1 2 1 机电一体化 机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上 四川大学硕士学位论文 引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。 机电一体化是现代工程技术的前沿，它是一个多门基础应用学科共同产生 的新的工程技术学科。它的技术基础是现代的机械制造技术和电子控制技术， 以及迅猛发展的电脑软件技术。它的应用所生产的产品，已经广泛出现在全世 界。d , n 体内微血管手术机器人，大到航天飞机，空间站。它已经从机械工程 的附属学科，独立成为了前沿科学。它代表了个国家科学技术的整体发展水 平的一个方面。 “ 机电一体化的基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合 运用机械技术( 包含气动和液压技术) 、微电子技术、自动控制技术、计算机技 术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及 软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布 局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能 价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。 因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面只不过，机电一 体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微 电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所 形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术由纯技术发展到机械电 气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电 一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予 许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制 自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的 感官与头脑的延伸，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的 本质区别。 1 2 2 机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体可以分为3 个阶段。2 0 世纪6 0 年代以前为第一阶 段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉或不自觉地利用电子技术 的初步成果来完善机械产品的性能特别是在第二次世界大战期间，战争刺激 了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对 四川大学硕士学位论文 战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。 由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不 可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 2 0 世纪7 0 年代9 0 年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期， 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基 础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发 展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：( 甄n e c h a t r o n i c s 一词首先在日 本被普遍接受，大约到2 0 世纪8 0 年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； 机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均开始对机电一体化技术和 产品给以很大的关注和支持。 2 0 世纪9 0 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段， 机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化， 微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体 化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电 一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、 神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发 展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形 成完整的科学体系 我国是从2 0 世纪8 0 年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机 电一体化领导小组并将该技术列入“8 6 3 计划”中。在制定“九五”规划和2 0 1 0 年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带 来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应 用做了大量的工作，取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。 1 3 嵌入式系统及其技术研究现状 自从上世纪七十年代最初的基于单片机的嵌入式系统产生以来，经过3 0 多年的发展，嵌入式系统已经深入到当今世界的每个角落。人们现在已经习惯 了依赖个人电脑，如果没有了电脑，大概会让人觉得无所适从。可要是世界上 没有了嵌入式系统，这个世界马上会陷入一片混乱! 试想一下，世界上所有含 四川大学硕士学位论文 有嵌入式系统的设备都停止工作，会是什么样子? 在家里，我们会发现电视机、 d v d 不能播放；冰箱温度混乱，食物很快坏掉；微波炉不能工作，连洗衣机都 开始罢工l 在街上，汽车无法发动，我们只有步行，可是红绿灯完全失效，整 个城市的交通迅速瘫痪f 天上的飞机没有导航设备，怎么还能飞行? 所以虽然 我们看不见嵌入式系统，但是嵌入式系统确实无处不在! 那么究竟什么是嵌入 式系统? b 1 3 1 嵌入式系统的定义 由于嵌入式系统无处不在，不同的嵌入式系统针对目标不一样，导致嵌入 式系统的专用性非常强。比如微波炉中的嵌入式系统和火星车上的嵌入式系统， 两者除了都包含一个嵌入式微处理器之外，几乎没有任何相同点。嵌入式系统 强烈的多样性和专用性导致很难给嵌入式系统下个全面并且准确的定义，通 常我们只是从某一个方面对嵌入式系统下一个定义，从另外一个方面来看，有 需要下不同的定义。下面介绍两种比较通用的定义。 嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。 嵌入式系统是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁减， 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。 前一种定义是i e e e 对嵌入式系统的定义，主要是从应用的角度对嵌入式 系统作了一个比较笼统的总结。按照这种定义，嵌入式系统包括了软件和硬件， 甚至连机械部件等附属装置也属于嵌入式系统的一部分。 第二种定义是国内目前普遍被认同的定义，主要从技术的角度出发，限定 了嵌入式系统的内涵。可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 木嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会具有生命力、才更具有优势可以这样裂解上述三个方面的含义，即 嵌入式系统是与应用紧密结合的，他具有很强的专用性，必须结合实际系统需 求进行合理的裁减利用。 木嵌入式系统是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后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 - 4 四川大学硕士学位论文 木嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行参见，满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。所以如果能建立相对通用的软硬件基础，然 后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品 结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统，而且有时很 难给它下一个准确的定义。上面介绍的两种定义是目前国内外比较通用的说法， 随着嵌入式系统学科研究的进步，以后也可能会发展出更准确更全面的定义。 1 3 2 嵌入式处理器 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心 的部分目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体 系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很 多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也 已经成了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、d s p 到f p g a ，品种越 来越多，性能越来越强，价格越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从 6 4 k b 到数g b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几百个 引脚不等。 从分类上来讲，嵌入式处理器可以分成下面几类： 1 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 ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装 配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大 幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可 靠性等方面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外 设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也比较差。嵌入式微处理器 及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，成为单板计算机。如s t d b u s 、p c i 0 4 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出类似“火柴盒”式 四川大学硕士学位论文 名片大小的嵌入式计算机系列o e m 产品。嵌入式微处理器主要有a m l 8 6 8 8 、 3 8 6 e x 、s c - - 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s 仃o n g a r m 系列等。其中 a r m s t r o n g a r m 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位， 现在应用非常广泛。图1 1 就是i n t e l 公司基于s t r o n g a r m 结构的嵌入式微处 理器s a - - 1 1 0 0 。 图1 1基于$ t r o n g a r r 结构的s a 一11 0 0 2 嵌入式微控制器( m i e r o e o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核威核心，芯片内部集成 r o m e e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、w a t c h d o g 、i o 、串 行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外 设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种 衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这 样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗 和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 四川大学硕士学位论文 图1 2基于 刚丌叫i - - 8 结构的3 2 位嵌入式微处理器 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列有 8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 l 、m c s - - 9 6 1 9 6 ，2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 、 6 8 3 0 0 、数目众多的a r m 芯片等。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 图1 2 所示l p c 2 1 3 x ，是p h i t i p s 公司2 0 0 5 年推出的基于a r m 7 t d m i - - s 结构 的3 2 位嵌入式微处理器系列。 3 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a is i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算 法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、频谱分析等方 面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域。 四川大学硕士学位论文 图1 3t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列 d s p 的理论算法在2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理 器还未出现，所以这种理论算法只能通过m p u 等由分离元件事先。m p u 较低 的处理速度无法满足d s p 的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科 技领域。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯 片。其运算的速度比m p u 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广 泛应用至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，成为语 音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的运算速度进一步 提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。9 0 年代后，d s p 发 展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。目前最为广泛应用的 d s p 是1 1 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 1 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s - - 2 9 6 和s i e m e n s 的t f i c o r e 也有各自的应用范围。图l - 3 是1 r i 公司的1 6 位d s p 芯片 1 m s 3 2 0 c 5 4 x 系列， 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个 四川大学硕士学位论文 硅片上实现一个更为复杂的系统的时代己经来临，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入 式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、 v e r i l o g h d l 等语言描述，存储在中间件库中。用户只需定义出整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的 器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统 电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠佳、提高设计生产效率 非常有利。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的 m - - c o r e 、某些a r m 系列器件、e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片 等。 5 片上可编程系统( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 随着微电子技术的发展，促使集成电路向高速、高集成度、低功耗的系统 集成方向发展，s o p c 是现代电子技术和电子系统设计的汇聚点和发展方向。 它将传统的e d a 技术、计算机系统、嵌入式系统、数字信号处理技术、数字 通信系统以及自动控制系统等技术融为一体，在结构上凝为一片。s o p c 综合 了s o c 和p l d 、f p g a 各自的优点，集成了硬核或软核c p u 、d s p 、存储器、 外围f o 器件及可编程逻辑，用户可以利用s o p c 平台自行设计高速、高性能 的d s p 处理器或特定功能的c p u 处理器，从而使电子系统设计进入一个全新 的模式。 目前在s o p c 领域，美国a l t e r a 公司一直处于前沿和领先位置，其n i o s 嵌入式处理器已经成为软核式s o p c 的标准。图1 4 是a l t e r a 公司2 0 0 6 年 3 月最新推出的f p g a 芯片s w a f i x g x ，支持n i o s 软核处理器，具有2 0 个 低功耗同类最佳嵌入式收发器，工作速率高达6 3 7 5g b p s 。 四川大学硕士学位论文 图1 4a l t e r a 芯片s t r a t i xi ig x 1 3 3 嵌入式操作系统 在一个嵌入式系统中，如果这个系统比较复杂，需要管理的任务、资源比 较多，这时就显现出了引入嵌入式操作系统的必要性。嵌入式操作系统可以用 来对内存，任务和对周边的资源进行有效的管理和统一的控制。本节讲述了一 些嵌入式操作系统的概念。 一前后台系统m 。 对于不复杂的小型嵌入式系统，这种系统可称为前后台系统( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d ) 或超循环系统( s u p e r - l o o p s ) 。应用程序是一个无限的循环，循环中 调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为( b a c k g r o u n d ) 。中断 服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为( f o r e g r o u n d ) 。后台也可以叫 做任务级，前台也叫做中断级时间相关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) 一定是靠中断服务来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序运 行到该处理这个信息时，才能得到处理。这种系统在处理信息的及时性上，实 际体现出来的性能比需求要低一些。处理信息的及时性，称作任务级响应时间。 最坏情况下的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的准确时间也是不能确定的。进而，如果 程序修改了，循环的时序也会受到影响。 前后台系统在嵌入式系统技术出现的早期，以及许多比较简单，或者对 于代码空间要求非常严格的嵌入式系统中有广泛的应用。同时也具备了一个现 代操作系统的初步结构，比如任务的调度，资源的分配，但是前后台系统并 四川大学硬士学位论文 不是严格意义上的嵌入式操作系统。前后台系统的缺点不容忽视：多任务处理 能力差；在现在越来越复杂，可供调配的资源越来越多的嵌入式系统中无法充 分发挥系统性能。 二嵌入式实时操作系统。 由于前，后台系统的种种弊端，从8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员 开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得开发人员可以进一 步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 开发 出世界上第一个商业嵌入式实时内核( v 1 r x 3 2 ) 。这个实对内核包含了许多传 统操作系统的特征，包括任务管理、人物件通信、同步与互斥、中断支持、内 存管理等功能。9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升， 实时内核逐渐发展为多任务实时操作系统( r r o s ) 实时操作系统( r e a l - - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式操作系统目前最主 要的组成部分。根据操作系统的工作特性，实时是指物理进程的真实时间。实 时操作系统具有实时性，能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。其 中实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才 着眼于提高嵌入式系统的使用效率。实时操作系统的重要特点是通过任务调度 来来满足对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。 s t a n k o v i c 在1 9 8 8 年给出了实时系统的定义【“，“实时系统是这样一种系统， 即系统执行的正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 间。” 实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时和软实时的 区别就是在于对外界的事件作出反应的时间。硬实时系统必须是对及时的事件 作出反应，绝对不能错过时间处理的时限。硬实时系统中如果出现了这样的情 况就意味着巨大的损失和灾难。比如说航天飞机的控制系统，如果出现故障， 其后果不堪想象。 软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况 而且不会造成太大的危害比如液晶屏刷新允许有短暂的延迟。 硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实 时系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提 四川大学硕士学位论文 供高速的响应和大的系统吞吐量；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应 该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法。 个商业的r t o s 必须具有以下两个评价指标： 中断响应时间，指从中断发生到相应的i s 臌中断服务程序) 运行的时间 间隔。中断响应时间与应用程序相匹配，而且是可预测的。如果同一时间有多 个中断发生，则中断响应时间的数量级要增加。 ，临界情况执行时间( w o r s t - c a s ee x e c u t i o nt i m e ，w c e t ) 表示每个系统任 务调用的时间，它是可预测的，而且系统的每个任务都有独立的数据。 三嵌入式分时操作系统。 与实时操作系统相对应的，有分时操作系统。分时操作系统按照相等的时 间片调度进程轮流运行。分时操作系统由调度程序自动计算进程的优先级，而 不是由用户控制进程的优先级。在分时操作系统中，软件的执行在时间上的要 求并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。分时系统的强项在 于多任务的管理。例如u c l i n u x 作为从传统u n i x 系统结构发展出来的嵌入式 操作系统，其任务调度的思想就是基于分时操作系统的，实时性较差。 从上述分类可以看出，目前嵌入式操作系统主要有两大类：嵌入式实时操 作系统和嵌入式分时操作系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实 时系统。如图1 5 所示。 图1 5嵌入式操作