（模式识别与智能系统专业论文）车载ccu软件的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，计算机分布式控制系统在交通运输 领域得到了越来越广泛的应用。机车通信网络就是计算机分布式控制系统在铁路 运输领域应用的一个典型例子，它能为车载设备提供了一个高速、可靠的信息交 换平台。c c u ( c e n t r a lc o n t r o lu n i t ，中央控制单元) 则是机车通信网络中的一 个十分重要的设备，它在列车通信中起着总调度的作用。c c u 主要负责w t b ( w i r et r a i nb u s ，双绞线列车总线) 和m v b ( m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ，多功能 车辆总线) 通信的监测与管理，状态数据故障数据的采集处理及记录，牵引制 动特性控制以及一些辅助功能( 欠压保护、主变压器油温保护、自动过分相控制 及轮径补偿计算) 。输出插件模块和m v bc a n 转换模块是中央控制单元中的 重要组成部分，其中输出插件主要功能是通过c c u 内部c a n 总线接收外部职 能设备发送的显示数据，周期驱动显示仪表和状态指示灯，对插件软硬件进行管 理。而m v bc a n 转换模块主要功能是实现m v b 总线数据和c a n 总线数据帧 格式的转换。 本文首先采用分层及模块化的设计理论和方法对车载中央控制单元的软件 系统进行了层次划分和模块划分，提出系统总体设计方案。基于系统性能、功能 等方面的考虑选择嵌入式实时操作系统 t c o s i i 和富士通处理器m b 9 0 5 4 3 作为 系统开发平台。接着针对s s 3 b 电力机车提出c c u 结构、硬件和控制软件的具 体实现。从数据结构、功能接口、模块设计等方面详细阐述了车载中央控制单元 的输出插件模块和m v bc a n 转换模块的软件实现方法和过程。 关键词中央控制单元；多功能车辆总线；嵌入式实时操作系统；输出插件； m v bc a n 网卡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i e l do ft r a n s p o r th a sb e e n m o r ew i d e l yu s e d l o c o m o t i v ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ki st h ec o m p u t e rd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm i lt r a n s p o r ta sat y p i c a le x a m p l e ，i tc a l l p r o v i d eah i g h s p e e do n b o a r de q u i p m e n t ，r e l i a b l ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ep l a t f o r m c c u ( c e n t r a lc o n t r o lu n i 0i s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti n l o c o m o t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ；i tp l a y sar o l eo ft o t a ls c h e d u l i n gi nt h et r a i n c c ui sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nw t b ( w i r et r a i nb u s ) a n dm v b ( m u l t i - f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) ，t h ea c q u i s i t i o n a n dr e c o r d so ft h es t a t ed a t ao rf a u l tr e c o r d s ，t r a c t i o n | b r a k i n gc o n t r o la sw e l la s s o m e a c c e s s i b i l i t yf e a t u r e s ( u n d e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ，m a i n t r a n s f o r m e ro i l t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nw i t l la u t o m a t i co v e r - c o n t r o la n dc a l c u l a t et h ew h e e ld i a m e t e r c o m p e n s a t i o n ) o u t p u tp l u g - i nm o d u l e sa n dm v b c a nc o n v e r s i o nm o d u l ep l a ya n i m p o r t a n tp a r ti nt h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t ；t h ef u n c t i o n so fo u t p u tp l u gp r i m a r i l y r e c e i v et h ed i s p l a yd a t af r o mt h ee x t e r n a le q u i p m e n tt h r o u g ht h ei n t e r n a lc a nb u so f t h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t c y c l e - d r i v e nt h ed i s p l a yd e v i c e s ，a n ds t a t u si n d i c a t o r s ， m 雄a g et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fo u t p u tp l u g - i nm o d u l e s 删l et h ef u n c t i o no f m v b c a nc o n v e r s i o nm o d u l ei st oa c h i e v et h ef r a m ef o r m a tc o n v e r s i o nb e t w e e n m v bb u sd a t aa n dc a nb u sd a t a i td i v i d e st h es o f t w a r es y s t e mo ft h ec c ua tl e v e la n dm o d u l et h r o u g ht h et h e o r y a n dm e t h o do ft h ed e l a m i n a t ea n dm o d u l a r i z e ，g i v e st h eh o l ed e s i g ns t r a t e g yo ft h e c c us y s t e m i ts e l e c t se 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 mu c o s - i ia n df u ji t s u m a c r op r o c e s s o rm b 9 0 5 4 3b a s eo nc o n s i d e ro fs y s t e mc a p a b i l i t ya n df u n c t i o n i t i n t e r p r e t st h em e t h o da n dp r o c e s so ft h es o f t w a r ei m p l e m e n ta b o u tc c up a r t i c u l a r l y , i n c l u d e sd a t as t r u c t u r e ，f u n c t i o ni n t e r f a c e ，m o d u l ed e s i g na n ds oo n k e yw o r d sc e n t r a lc o n t r o lu n i t ；m u l t i - f u n c t i o nv e h i c l eb u s ；e m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t es y s t e m ；o u t p u tp l u g i nm o d u l e s ；m v b c a nn e t w o r kg a t e w a y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：瓷只 指导老师签名： 日期：弘h6 日期： 互乏影 铂，o ；弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 对c c u 进行了深入的研究，分析了c c u 的结构及技术指标，并对其进行功能 和性能的需求分析。 2 在熟悉硬件平台和嵌入式实时操作系统的基础上，结合需求，完成概要设计， 把系统划分成具体的模块来完成，提出该系统的设计方案和软件的具体实现， 具体分析和实现了对输出插件模块和m v bc a n 插件模块的软件流程设计。 3 完成i t c o s i i 到m b 9 0 5 4 3 的移植，编写l a c o s i i 到m b 9 0 5 4 3 上的移植代码， 调试内核及验证移植的正确性，总结g c o s i i 移植的关键技术等。 4 在移植功后的s o f t u n e v 6 开发平台下，完成中央控制单元的输出插件模块和 m v bc a n 插件模块的详细设计、编码和调试。实现了输出插件的功能：通过 c c u 内部c a n 总线接收外部职能设备发送的显示数据，周期驱动显示仪表和 状态指示灯，对插件软硬件进行管理；实现了m v bc a n 网卡功能：两种总线 间的数据帧格式的转换。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：魄知目 日期：加易厶印 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着计算机控制技术的飞跃发展以及提高机车特别是高速列车控制功能的 需要，在新研制的机车中，国内外都毫无例外的采用了计算机控制技术，这是机 车控制技术的一大飞跃。 国产电力机车的控制技术发展大概经历了以下阶段： 有触点控i i i ：控制电路基本上以继电器和开关构成。 以分离元件和小规模集成器件为主的模拟控制。 以中规模集成运放电路为基础的模拟控制。 以大规模集成电路为基础的微机控制。 微机控制的主要优点是通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性。微机控 制系统的硬件除输入输出接口在不同型号的机车上有所不同外，其核心部分应 能适应同一类型各种型号的机车。对于各种型号机车的不同控制要求，可通过改 变软件的方法来实现。软件具有很大的灵活性，可以实现原来用硬件难以达到的 功能，参数修改也较为容易。数字控制本身不受环境温度影响，各种环境条件下 所得数据分散性较小，机车性能稳定。由于器件集成度高，受外界干扰影响小， 由元件执行机车的控制功能和保护功能后，机车可靠性得以很大提高。此外，微 机本身具有记忆功能，可以存储大量信息及某些特定信息，进行自检、故障记忆 和检索、故障监控和诊断。随着网络技术和总线技术的发展，可将分布在列车各 车厢中的所有计算机联网通信，使司机随时可以得到整个列车的状态信息，同时 便于系统的扩展和升级。中国铁路事业的发展现状与西方发达国家相比，还是属 于相对落后的阶段。在西方国家，计算机技术和网络控制技术在铁路运输和列车 控制方面已经得到充分的发展，并且在其中起到了举足轻重的作用，而国内在这 方面还处于水平不高的阶段。在这样的时代背景下，国家在第十一个五年计划中 ( “十一五计划”) ，依据国家中长期科学和技术发展规划纲要任务要求，设 置国家科技支撑计划重点项目“高速轮轨铁路引进、消化吸收与创新”1 8 j 。“动车 组列车网络控制系统技术研究、试制及试验”是课题之一。列车网络为车内设备 提供了高可用性、可靠性的信息交换平台1 1 】。 s s 3 型电力机车的控制电路采用了有触点继电器的方式，机车特性控制采用 了模拟电子控制柜的方式。随着微机控制技术的发展，用逻辑控制单元对有触点 继电器控制电路进行了改造；用微机控制柜对电子控制柜进行了升级。不同厂家 在进行设备升级和改造时，由于技术和利益等方面的原因，使得s s 3 型电力机 车各设备间接口不开放，无法有效进行数据通讯和共享；致使s s 3 型电力机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 整体可靠性、协调性、可维护性差。通过对国外新进技术的消化、吸收和s s 3 b 固定重联网络机车的运用来看，对s s 3 型电力机车进行信息化改造，可以大大 提高机车的可靠性、稳定性和可维护性；能进一步挖掘我国既有机车潜能，即符 合“引进、消化、吸收、再创新”的铁路跨越式发展技术方针；又满足加快机务信 息化发展的需要。由于既有s s 3 型电力机车在可维护性、信息共享等方面的不 足，我们有必要研究一套控制系统，除了提供既有s s 3 型电力机车的功能外， 各设备还具备故障报告、自诊断和信息共享能力；提供机车故障诊断、故障记录 功能；提高s s 3 型电力机车的可靠性、稳定性、可维护性，降低维护成本。 1 2 机车控制的国内外现状 c c u 是机车控制部分的核心部分，s i e m e n s 、a l s t o m 、b o m b a r d i e r 、川崎重 工、东芝、g e 、e m d 等国际著名机车车辆供应商为了解决这方面的技术问题都 花费了相当长的时间和人力物力，从8 0 年代初开始理论和应用研究，在不断的 试验和实际运行中发现问题并及时进行攻关，9 0 年代中期达到实用化阶段，现 已基本成熟。 在国内，在机车控制方面，系统研究从最早的仅限于如何基于自动控制技术 实现机车运行的自动化过渡到如何实现机车控制的智能化，但距实际应用还有很 大差距。机车控制中涉及到大量的人类知识，传统的自动控制技术无法对人类知 识进行建模，必须采用智能技术才能较好地反映人类的经验和知识因此要实现机 车控制，并最终实现无人和较少人工干预的自动驾驶，必须依靠智能化和自动化 技术的有机结合才能实现。有关科研院所也在进行这些技术领域的理论和技术研 究，取得了一批研究成果和一定的技术积累，但总体储备还相对比较薄弱，在系 统的可靠性、稳定性、智能性、模块化和可扩展性等方面还存在不少问题急需解 决。 1 3 论文的主要工作 本论文研究内容是基于多功能列车总线( m v b ，m u l t i f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 的 中央控制单元( c c u ，c e n t r a lc o n t r o lu n i t ) 的软件模块。首先对中央控制单元的软 件结构功能进行分析，然后分别对各个功能模块进行分析研究，最后针对s s 3 型 电力机车提出软件模块的具体实现。在本论文中选择了中央控制单元的输出插件 矛- 1 1 m v b _ c a n 插件模块作为具体的研究对象，给出了其相关功能模块的具体研究 与设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 4 论文的组织结构 论文各章的安排如下： 第一章绪论。阐述机车控制在机车运行方面的重要性，分析国内外机车控 制的现状及各自特点，最后结合国内外的机车控制的现状提出本论文的研究方向 及所要作的工作。 第二章中央控制单元的总体设计。在全面了解中央控制单元的相关功能后， 阐述中央控制单元所要作的工作，然后对其硬件以及软件结构进行功能划分和描 述。最后对实现该单元所需要的软硬件环境进行分析和选择。 第三章中央控制单元输出插件模块的设计与实现。首先对输出插件的功能 进行叙述，然后给出了实现其功能的相关需求，最后给出了实现该模块功能的具 体设计。 第四章中央控制单元m v bc a n 插件模块的设计与实现。简要介绍了c a n 通信协议以及m v b 通信协议的内容，以及两个协议的帧格式。然后对两个协议 的网络层次进行划分及比较，提出实现协议转换所需要作的工作。最后给出协议 转换的关键软件部分的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章中央控制单元的总体性设计 中央控制单元( c e n t r a lc o n t r o lu n i t ) ( 以下称c c u ) 作为机车控制系统重要 的组成部分主要负责列车总线( w t b ) 和车辆总线( m v b ) 通信的监测与管理、状态 数据故障数据的采集处理及记录、牵引制动特性控制以及一些辅助功能( 欠压 保护、主变压器油温保护、自动过分相控制及轮径补偿计算) 的实现。 2 1 中央控制单元的结构和功能爿匕丁4 4 凼4 - 述 c c u 负责车辆总线上各节点间通信的管理、重联机车间的信息交换处理、 控制单元和数据采集与输出单元的状态实时检测、机车控制系统故障的智能诊 断、及机车重联编组的自动识别处理，简述如下： 1 车辆总线上各节点间通信的管理 车辆总线上节点设备有智能显示器i d u 、逻辑控制单元l c u 、驱动控制单元 d c u 、机车安全信息综合监测装置、以及c c u 的模拟量的输入输出( a i o ) 、数 字量输出( d o ) 、数字量输入( d i ) ，这些节点设备的通信由c c u 进行管理。 2 重联机车间的信息交换处理 司机室的控制命令由c c u 获取，通过车辆总线传输到本节车的d c u 、l c u 等 设备，通过w t b 传输到它车的c c u ，再由该c c u 传输到该车的d c u 、l c u 等设备。 各车设备的状态信息经由他车的m v b 传输到他车的c c u 。再经w t b 由相反的方 向传输到本车的c c u ，本车c c u 将所有信息汇总、处理之后，方面做相应的控 制逻辑处理，另一方面通过安装在司机操纵台的i d u 显示，供司机或维护人员观察 和查阅。 3 控制单元、数据采集和输出单元的状态实时检测 c c u 对各个节点设备以及数据采集与输出单元的工作状态进行实时检测。出 现故障时，通过诊断、保存并送i d u 显示。 4 机车控制系统故障的智能诊断 各诊断模块不断地监视各重要的参数，如果发现异常，就触发一次故障数据记 录机制，同时通过列车总线传输，在c c u 中汇总。c c u 中设有故障数据库，存储的 信息主要有故障发生时刻、故障发生地点、故障类型和故障发生前、后一段时间 的环境参数。c c u 根据汇总的故障做出评估，通过安装在司机操纵台的显示设备 显示故障信息。 5 机车重联编组的自动识别处理 机车在一定程度上是可以重新编组的，可重新编组的机车之间采用w t b 连 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 接。当机车重新编组后，c c u 可以重新对编组的机车进行编址空间的重新分配。 2 2 系统硬件结构 根据需求，系统按功能模块可划分为如下几个插件：如图2 1 所示。 图2 - 1c c u 硬件结构图 a d l l a d l 2 ：数字量模拟量输入插件； a d o ：数字量模拟量输出插件； p o w e r ：电源插件； c p u l c p u 2 - 中央处理单元( c p u ) 插件； m v b c a n l 、m v b c a n 2 - m v b c a n 网卡插件。 2 2 1 插件功能简介 2 2 1 1 数字量输入 接收司机室送入的工况控制命令后，经处理送入c c u 进行控制，其命令包 括：向前、向后、削磁1 3 、削磁2 3 司机钥匙、微机复位、牵引制动级位、劈 相机、通风机、制动风机、主断分、主断合、前受电弓、后受电弓、制动位、小 级位等。 基于对容错性的考虑，数字输入由两组插件组成，每组有2 4 路输入。、 2 2 1 2 数字量输出 接收经c c u 处理后的部分机车状态信息送入司机室显示，包括：主断、预备、 零位、电制动、劈相机、辅助回路、牵引电机、原边电流、辅助过流、励磁过流、 空转、零压。 由于输出冗余实现比较困难，采用单组方式。 2 2 1 3 模拟量输入 处理司机指令、电机电压表显。采用冗余的两组，每组由两路构成。 2 2 1 4 模拟量输出 输出自检信号。采用冗余的两组，每组由两路构成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 1 5中央处理单元( c p u ) 处理车辆总线和列车总线送来的各种信号。采用冗余的两组。 2 2 1 6m v b c a n 网卡 完成m v b 与c a n 通信协议的转换。采用冗余的两组。 2 2 1 7 电源板 给c c u 各插件提供电源。 2 3 系统软件结构 同样根据需求软件结构可分为如下几个模块，如图2 2 所示。 输入模块输出模块w t b 通讯模块 c a n 通讯模块k w t b m v b 协议转换 冗余管理模块k m v b 通讯模块 车辆控制模块列车控制模块 2 3 1 软件结构介绍 2 3 1 1 列车控制模块 图2 - 2c o u 软件结构 列车控制，车辆控制和冗余管理等三个模块由c p u 插件实现。 列车控制模块的主要功能包括：列车控制命令生成本车主司机控制命令、本 车副司机控制命令、它车主司机控制命令和它车辅司机控制命令中的最大值为列 车司机控制命令。对列车司机控制命令进行软硬件滤波处理。列车工况命令生成 本车工况控制命令为列车工况控制命令。对列车工况控制命令进行软硬件滤波和 有效性处理。 2 3 1 2 车辆控制模块 c c u 通过m v b 接收微机柜、l c u 的状态信息；根据车辆控制逻辑，生成 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 对微机柜和l c u 的控制命令，并通过m v b 向微机柜和l c u 发送相应的控制命 令。 2 3 1 3 冗余管理 负责双c a n 总线冗余管理；输入、c p u 、m v b c a n 插件冗余管理。 2 3 1 4c a n 通讯模块 c a n 通讯模块由输入插件、输出插件、c p u 插件、m v b c a n 网卡4 个插件 共同实现。c a n 通讯模块负责c c u 内部c a n 总线通讯。 2 3 1 5m v b 通讯模块 m v b 通讯模块由m v b 网卡插件和g w 插件共同实现。m v b 通讯模块负责 m v b 总线与c a n 总线协议转换。 2 3 1 6 输入模块 输入模块由输入插件实现。输入模块负责司机命令的输入。 2 3 1 7 输出模块 输出模块由输出插件实现。输出模块负责仪表和指示灯驱动。 2 3 1 8w t b 通讯模块 w t b 通讯模块、w t b m v b 协议转换由g w 插件实现。w t b 通讯模块负 责w t b 管理和w t b 通讯。 2 3 1 9w t b m v b 协议转换 负责w t b 与m v b 间的协议转换。 2 4 硬件平台选择 通常硬件选择包括：处理器、硬件部件、硬件调试工具等的选择。其中，处 理器是硬件平台的核心部分，处理器的选择往往会限制操作系统的选择，而操作 系统的选择又会限制开发工具的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 1 硬件平台需求描述 使用环境及电气化参数： 工作相对湿度：最湿月月平均最大相对湿度不大于9 0 ( 该月月平均最低温 度为2 5 ) ，无凝结。 工作电源电压：d c l l o v ( d c 7 7 v - - d c l 3 7 5 v ) 。 1 5 v 电源电压范围：1 4 5 v 1 5 5 v 。 额定功率：5 0 w 。 电源保险丝规格：信息化中央控制单元( y c c u ) ：d c l l 0 v 2 a 。 硬件性能要求： c p u ：必须能满足数据传输及处理的实时性要求。 存储器：必须能具有抗震动不易损坏等条件。 硬件接口：具有一些便于信号输入输出及调试的一些接口单元。 2 4 2 硬件平台的选择标准 在硬件选择中，处理器的选择是最重要的。目前，据不完全统计，全世界嵌 入式处理器的品种总量超过了1 0 0 0 多种，而流行的体系结构有3 0 多个系列，这样 就导致了在进入嵌入式系统设计时由于处理器的选择不同而出现的设计上的极 大差异。总的来说，在进行嵌入式系统设计时，应从以下几个方面来综合考虑处 理器的选择【3 2 。 处理器的运算速度。一个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟频率、 内部寄存器的大小、指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多嵌入式系 统来说，目标不在于挑选速度最快的处理器，而在于选取能够完成作业的处 理器。 技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，从而减少了 芯片的数量，进而降低了整个系统的开发费用。 处理器的软件支持工具。如果仅有一个处理器，而没有较好的软件开发工具 的支持，也是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很 好的作用。 处理器供应商是否提供评估板。许多处理器供应商可以提供评估板来验证用 户的理论是否正确，验证其决策是否得当。 综合中央控制单元的运行环境和硬件功能要求，在本文中将选择富士通的 m b 9 0 5 4 0 系列的处理器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 3 富士通m b 9 0 5 4 3 、 本课题中采用富士通的m b 9 0 5 4 3 微控器，其主要特性如下【1 6 】： c p u 速度6 4 m h z采用r i s c 体系结构 含有丰富的外部总线类型的接口单元。 含有4 k b 的指令内核以增加外部的程序执行速度。 具有高速的数据传输操作d m a c 单元，允许在外部设备和存储器之间直 接读写数据，既不通过c p u ，也不需要c p u 干预整个数据传输操作在 d m a ( 直接存储器访问，d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 控制器的控制下进行的。 具有c a n 、1 1 2 c 、1 1 2 s 等总线控制器。 1 6 个可屏蔽中断级别。 其中富士通软件工具包结构如图2 3 所示 s o f i u n ew o r k b e n c h ：竹理谲试) 集披阡笈环境，文件日0 掇作，】：程盼镑理，各兰i 软件的镑：理， 谖l l ，谶诚等功能均荪：此平身上完找： ill s o f i u n ecc o m p li e r ccc h e c k e r ：s o f t u n e 谣，；编译器；c 稷摩梭骏1 = 疑r e a 己o s ： s o f l u n ea s s e m b l e r ：ca n a l y z e r 凄畦撵侔系统 秘：编嚣 c 穰序：；争斩工魁fj j 户町舀i 此 s o f i u n el i n k e r ： 搡侔系统上开 链援器 笈l 2 5 软件平台选择 图2 - 3s o f t u n e v 6 软件工具包结构 软件是实现中央控制单元功能的关键，软件设计需要到达较高的性能要求： 实时性：c c u 的实时性是由c c u 各个功能模块的实时性保证的； 可靠性：软件的可靠性必须通过严格的设计、编码和测试来保证。应该 选择软件质量相对容易控制的高级语言开来发： 高效性：软件应具有较高的代码执行效率和较小的代码尺寸； 可移植：软件可以移植到紧凑的硬件环境中； 可扩充：软件应具有扩充诸如高层协议栈、网关功能和应用功能的可靠 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 5 1 软件层次 适当的软件分层，将会提高软件的以下性能： 可维护性：当发生需求变化，只需修改软件的某一部分，不会影响其他 部分的代码； 可扩展性：在现有系统中增加新功能的容易实现； 可重用性：程序代码没有冗余，同一个程序能满足多种需求； 可管理性：管理系统容易实现。 中央控制单元系统的设计层次如图2 4 所示。 图2 4 系统的软件层次 2 5 2 嵌入式实时操作系统 嵌入式操作系统则是指运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其部件、装 置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件。如果该系统软件能够及时响应 外部事件的请求，并能在一个规定的时间内完成对事件的处理，那么，这样的嵌 入式操作系统称之为实时嵌入式操作系统。 市场上大约有数十种商业嵌入式操作系统产品和源码开放的嵌入式操作系 统，其大体分类如下： f 商用型：v x w o r k s ，n u c l e u x ，p l a m o s ，s y m b i a n , w i n c e ， 1 、按收费模式划分 q n x ，p s o s ，v r t x ，l y n xo s ，h o p e n ，d e l t ao s i 免费型：l i n u x ，g c l i n u x ，k t c o s - i i ，e c o s ，u l t r o n 【硬实时：v x w o r k s 2 、按实时性划分 软实时：w i n c e ，r t l i n u x i 无实时： e m b e d d e dl i n u x 2 5 2 1 几种嵌入式操作系统的介绍 1 v x w o r k s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时嵌 入式操作系统( r t o s ) ，由于具有高性能的系统内核和友好的用户开发环境，在 实时嵌入式操作系统领域牢牢占据着一席之地。v x w o r k s 的突出特点是：可靠性、 实时性和可裁减性。它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的 操作系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、1 9 6 0 、s u n s p a c 、m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、 m i p s r x 0 0 0 、p o w e r p c 等。大多数的v x w o r k s a p i 是专有的，采用g n u 的编译 和调试器。 2 w i n d o w s c e 3 0 w i n d o w s c e 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、连接设备的模 块化实时嵌入式操作系统。w i n d o w s c e 3 0 为建立针对掌上设备、无线设备的动 态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系 结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是从 整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的 模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定 制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。需要说明的是，认 w i n d o w s c e 3 0 以前的产品都不是实时系统，属于软实时操作系统，其优点是基 于w i n d o w s 背景，界面比较漂亮，容易为用户所接受。 3 嵌入式l i n u x 自由免费软件l i n u x 的出现对目前商用嵌入式操作系统带来了冲击。作为候 选的嵌入式操作系统，l i n u x 有一些吸引人的优势，它可以移植到多个有不同结 构的c p u 和硬件平台上，具有很好的稳定性、各种性能的升级能力，而且开发 更容易。 l i n u x 有以下特点：首先，l i n u x 是开放源码的；其次，l i n u x 的内核小、功 能强大、运行稳定、效率高；第三，l i n u x 可以支持数十种c p u ；第四，有大量 且不断增加的开发工具；第五，l i n u x 沿用了u n i x 的发展方式，遵循国际标准， 可以方便地获得众多第三方软硬件厂商的支持；最后，l i n u x 内核在网络方面的 功能是非常完整的。 4 p c o s i i g c o s i i 是一个高度可移植的、可裁剪、占先式、多任务、实时内核。它是 用a n s i c 写成的。现在，在航空电子设备的制造方面它己经被广泛的应用。自 1 9 9 2 年g c o s i i 面世以来，该系统己经被用于上百种产品。在应用于嵌入式系 统方面，p c o s i i 小得可以放在一张软盘上运行，程序代码可以小到3 k 1 3 ，适 当的裁剪也可以使数据空间变得更小。因此p c o s i i 的这些特性给嵌入式开发 带来了很大的发展空间。 基于功能和性能的要求，中央控制单元选择稳定可靠的嵌入式操作系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 p c o s i i ，富士通m b 9 0 5 4 3 单片机作为平台，a n s i c 作为主要程序设计语言， 按照分层、模块化的方法设计，其中嵌入式操作系统是整个模块的核心部分 2 5 3 肛c o s i i 操作系统的体系结构和特点 p c o s i i ( m i c r oc o n t r o l l e ro s ) 是由j e a nj l a b r o s s e 于1 9 9 2 年编写的一个嵌 入式多任务实时操作系统。最早这个系统叫p c o s ，后来经过近1 0 年的应用和 修改，在1 9 9 9 年j e a nj l a b r o s s e 推出了p c o s i i ，并在2 0 0 0 年得到了美国联邦 航空管理局对于商用飞机的、符合l 玎c ad o 1 7 8 b 标准的认证，从而证明了 p c o s i i 具有足够的稳定性和安全性。同时由于源代码结构清晰、注解详尽，具 有良好的可扩展性和可移植性，被广泛地应用于各种架构的微处理器上。 i _ t c o s i i 的特点主要可以概括为以下几个方面【3 】： 公开源代码； 可移植性：绝大部分p c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。 和微处理器硬件相关的那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，使得p c o s i i 便于移植到其他微处理器上。uc o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控制器、 数字信号处理器( d s p ) 上运行； 可固化：i _ , c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有 固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，p c o s i i 可以嵌入到读者的产 品中成为产品的一部分； 可裁剪：可以只使用p c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是 说某产品可以只使用很少几个p c o s i i 调用，而另一个产品则使用了几 乎所有“c o s i i 的功能，这样可以减少产品中的p c o s i i 所需的存储 器空间( r a m 和r o m ) 。这种可剪裁性是靠条件编译实现的； 占先式：优先级访问方式让已经就绪的高优先级任务可剥夺正在运行的 底优先级的任务的c p u 使用权，这个特点使得它的实时性比非占先式 的实时性要好； 多任务：p c o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前这一版本保留8 个给 系统。应用程序最多可以有5 6 个任务； 可确定性：全部p c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有可确定性； 任务栈：每个任务有自己单独的栈，uc o s i i 允许每个任务有不同的栈 空间，以便压低应用程序对r a m 的需求； 系统服务：p c o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、 块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等； 中断管理：中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 务被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行， 中断嵌套层数可达2 5 5 层。 “c o s i i 操作系统的体系结构如图2 - 5 。 i应殉款中 ( 用户代码l l l c ，o 钳l ( 与疑理嚣无荧代码) o s co ss m c _ c o r e 0 sf l a 6 co st a s k c o sm f b o x co s1 i l m c o sm m ci i ( ：o si f c o s m u l t x c 啦o s 玎h o so c 。，。，一矍塑一一，一 硬件 r o - _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - - - _ o - - _ _ o _ _ l - _ _ - _ _ _ o - - 。_ _ - _ - _ - _ 。_ _ - 。_ _ _ o _ _ o - “_ o - _ o _ _ _ _ o _ _ o - _ _ _ - o _ - _ o - _ l ，一一一。 竺! ! 一一一。一一 。 l _塞竺竺1 _ - - _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ - _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ 。_ _ 。- - _ _ _ _ - _ _ - - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - 。_ _ - - _ _ - - l _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - j - - _ 。_ - - _ - - _ - _ 。_ _ - _ 。_ - _ 一 图2 - 5g c o s 1 1 体系结构 2 5 4g c o s 1 i 在单片机m b 9 0 f 5 4 3 上的移植 2 5 4 1i t c o s i i 移植的一般性问题 一个软件的移植工作总是与用户所选择的处理器硬件结构相关，因此一个软 件往不同处理器上的移植过程不尽相同，但一些一般性问题还是有其共同的特 占 2 5 4 1 1 可重入性 在多任务操作系统环境中，应用程序的各个任务是并发运行的，这些并发运 行的任务经常会出现调用同一个函数的情况，那么就可能出现任务之间通过这个 函数而产生意外的祸合，从而互相干扰。例如，有一个任务a 和任务b 都要调 用的函数s w a p ( ) ，而该函数又使用了全局变量t e m p 。 i n tt e m p ； v o i ds w a p ( i n t x ，i m 幸y ) t e m p 2 牛x ： 。 x 5 宰y ： 木y - = t e r n p ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 于是，如果当任务a 调用s w a p ( ) 函数期间，系统发生了任务切换而使任务 b 也调用了函数s w a p ( ) ，那么任务b 将要改变全局变量t e m p 的值，使任务a 传 递给全局变量t e m p 的值丢失而出现错误。 显然，是不允许出现上述现象的，所以在多任务操作系统中，系统提供的函 数应该能允许同时被多个任务所调用，而不会通过函数中变量的祸合引起任务之 间的相互干扰。这样的函数叫做可重入函数。 一般来说，一个可重入函数应该在函数中只使用局部变量，因为函数的局部 变量存储在任务的堆栈中，所以可保证不同的任务在调用同一个函数时不会发生 冲突。如果函数一定要使用全局变量，则需要对使用的全局变量做必要的保护。 另外，为了能够产生可重入函数，用户使用的处理器的c 编译器应该具有产生 可重入代码的能力。 2 5 4 1 2 对存储器的要求 如果设计是前后台系统，对存储器容量的需求仅仅取决于应用程序代码。而 使用多任务内核时的情况则很不一样。内核本身需要额外的代码空间( r o m ) 。内 核的大小取决于多种因素，取决于内核的特性，从i k 到1 0 0 k 字节都是可能的