（电气工程专业论文）基于嵌入式技术的电机控制与测速系统研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整墨空一 e l 期：垒型监! 堕妲 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雀垒堕导师签名：虚丞日期：型直塑! ! 旦 山东大学硕士学位论文 中文摘要 嵌入式系统在我们的周围扮演着日益普遍的重要角色。基于a r m 的嵌入式系统 其功耗低、性能高、成本低、可扩展性强等优势十分广泛的被应用于工业控制领域。 本论文利用嵌入式体系结构实现了一套直流电机控制系统。该系统以a r m 微处 理器和l i n u x 操作系统为核心，在电机测速与控制决策中采用了模糊控制的方法， 可以实时监控多路电机的状态，并且可以控制任一路电机的转速与相位。 本论文从嵌入式系统的硬件电路和软件开发两个方面进行设计。硬件电路包括 a t m e g a l 2 8 系列单片机与直流电机组成的控制电路部分，以及基于a r m 的嵌入式处理 系统。在设计中我们采用了a t m e l 公司生产的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器为该系统的c p u ， 选用8 mf l a s h 和3 2 ms d r a m 作为该系统存储器，扩展了串行接口、以太网接口等外 围通信装置以及输入输出接口，并根据处理器与其他接口芯片的要求设计了电源部 分的电路、f l a s h 、晶振电路、s d r a m 存储器接口电路、串行接口电路和以太网接口 电路。在软件设计上我们基于l i n u x 操作系统，采用l i n u x 设备管理方法和设备驱 动程序的中断方法，实现了模糊理论的控制决策机制，并利用嵌入式| ic g u i 软件 开发用户界面系统，实现了方便友好的用户界面。 关键词：嵌入式系统；l i n u x ；电机；s p i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e np l a y i n gam o r ea n d m o r ei m p o r t a n ta n dp o p u l a rr o l e i n0 1 1 1 l i f e t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r mh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r y b e c a u s eo fl o wc o n s u m e ，l o wc o s t ，h i g l lp e r f o r m a n c ea sw e l la sg o o da u g m e n t a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，a ne m b e d d e da r c h i t e c t u r ei su s e dt oa c h i e v eas e to fd cm o t o rc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e md e s i g n st h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r u s h l e s s d c ，i no r d e rt om e e tt h eh i g h e rr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s a v rm i c r o c o n t r o l l e r ( a t m e g a l2 8 ) i su s e dt oc o n t r o la n dt e s tt h es p e e do fd cm o t o r s t h es y s t e mu s e sa r mm i c r o p r o c e s s o r a n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m sa st h ec o r ep a r t s ，g e n e r a t e sf u z z yc o n t r o lm e t h o di nt h e m o t o rs p e e da n dc o n t r o ld e c i s i o n - m a k i n gj u d g e m e n t a t i o n a ne m b e d d e du s e ri n t e r f a c ei s r e a l i z e db a s e do nt h ee m b e d d e d l c g u i r e s e a r c ho ft h ep a p e ri n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h e h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sa t m e g a l2 8m i c r o c o n t r o l l e ra n dd cm o t o rb a s e dc o n t r o lc i r c u i t a n da r m - b a s e de m b e d d e dp r o c e s s i n g s y s t e m s t h ee m b e d d e ds y s t e mc o n s i s t s o f a t 91r m 9 2 0 0m i c r o p r o c e s s o r ，8 mf l a s h ，3 2 ms d r a ma n ds e r i a li n t e r f a c e ，e t h e m e t i n t e r f a c e ，i n - o u ti n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l e so ft h em i c r o p r o c e s s o ra n do t h e r c h i p st h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sp o w e r , m e m o r i z e r ，c r y s t a lc i r c u i t s ，e t h e r n e t , s e r i a la n d e x t e n d i n gi n - o u ti n t e r f a c e s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ed e v i c em a n a g e m e n to ft h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n dt h es t r a t e g yo fi n t e r r u p tm a n a g e m e n to ft h el i n u xd e v i c ed r i v e r s t h ei m p l e m e n t a t i o no ff u z z yc o n t r o lt h e o r yf o rt h ed e c i s i o n - m a k i n gm e c h a n i s ma n dt h e e m b e d d e di _ t c g u is o f t w a r ef o ru s e ri n t e r f a c ea r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s e m b e d d e d s y s t e m ；l i n u x ；e l e c t r i c m o t o r ；s p i i i 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要i e n g l i s ha b s t r a c t 】：】： 第1 章绪论1 1 1 嵌入式系统及其体系结构l 1 1 1嵌入式处理器2 1 1 2 嵌入式操作系统4 1 1 3 嵌入式外围设备6 1 2 嵌入式系统的特点6 1 3 嵌入式系统的应用6 1 4 课题来源8 1 5 论文的主要内容和结构安排8 第2 章基于单片机与直流电机的控制电路与硬件设计1 0 2 1 无刷直流电机的基本原理与控制方法1 0 2 2 利用单片机对电机测速的原理与方法1 l 2 2 1 测速原理1 2 2 2 2 实现方法1 2 2 3 a t m e g a l 2 8 单片机的特点与选用依据1 3 2 4 a t m e g a l 2 8 单片机的控制电路与原理图1 4 2 4 1 系统控制和复位1 4 2 4 2i o 端口1 5 2 4 3 外部中断1 6 2 4 48 位定时器计时器1 6 2 4 51 6 位定时器计时器1 3 1 7 2 4 6s p i 串行外设接口1 8 2 4 7 硬件设计原理图1 9 2 5 本章小结1 9 第3 章基于a r m 的嵌入式处理控制系统的硬件设计2 2 3 1 基于a r m 的嵌入式电机控制系统主机硬件结构2 2 3 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器2 3 l i l 山东大学硕士学位论文 3 3电源和晶振电路设计2 3 3 4f l a s h 存储器接口电路2 4 3 5 s d r a m 存储器接口电路2 7 3 6以太网接口电路2 8 3 7串行接口电路2 9 3 8a t 9 1 r m 9 2 0 0 的s p i 接口3 1 3 9 本章小结3 1 第4 章嵌入式电机控制系统的软件设计3 2 4 1 主机s p i 驱动程序的编写3 2 4 2 主机通讯程序的编写3 6 4 3 主机模糊控制决策程序3 6 4 4 基于嵌入式uc g u i 的用户交互界面程序3 8 4 5a t m e g a l 2 8 从机程序的编写4 0 4 6 本章小结4 0 总结4 2 附录as p i 驱动程序4 3 附录b 主机通讯程序5 0 附录c 从机程序5 9 附录d 布线后的p c b 板6 9 参考文献7 1 致谢7 4 i v 山东大学硕士学位论文 c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1e m b e d d e ds y s t e ma n di t sa r c h i t e c t u r e 1 1 1 1e m b e d d e dp r o c e s s o 2 1 1 2e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 4 1 1 3e m b e d d e dp e r i p h e r a l s 6 1 2c h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds y s t e m s 6 1 3e m b e d d e ds y s t e m 6 1 4s o u r c ep r o j e c t 8 1 5t h em a i nc o n t e n t sa n ds t r u c t u r eo f 州8 c h a p t e r2b a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ra n dd cm o t o r c o n t r o lc i r c u i ta n dh a r d w a r e d e s i g n 10 2 1b r u s h l e s sd cm o t o ro ft h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm e t h o d ：10 2 2 u s i n gs i n g l ec h i pc o m p u t e ro nm o t o rs p e e dp r i n c i p l ea n dm e t h o d 一1 1 2 2 1 v e l o c i t ym e a s u r e m e n tm e t h o d 12 2 2 2 i m p l e m e n t a t i o n z ：1 2 2 3 a t m e g a l2 8 c h a r a c t e r i s t i c s a n d e l e c t i o n b a s e d o n s i n g l e c h i p 1 3 2 4 a t m e g a l 2 8m c uc o n t r o lc i r c u i ta n ds c h e m a t i c 1 4 2 4 1 s y s t e mc o n t r o la n dr e s e t 1 4 2 4 21 ) p o r t - 15 2 4 3e x t e r n a li n t e r r u p t 1 6 2 4 48 - b i tt i m e r t i m e r 16 2 4 516 b i tt i m e r t i m e rl 3 。17 2 4 6s p is e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 18 2 4 7h a r d w a r ed e s i g ns c h e m a t i c s 1 9 2 5 c h a p t e rs u m m a r y 1 9 c h a p t e r3a r m - b a s e de m b e d d e dp r o c e s s i n g h a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e m 2 2 3 1a r m b a s e de m b e d d e dm o t o rc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h e h o s t 2 2 3 2a t 91r m 9 2 0 0p r o c e s s o r 2 3 v 山东大学硕士学位论文 3 3p o w e ra n dc r y s t a lc i r c u i td e s i g n 2 3 3 4f l a s hm e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i t 2 4 3 5s d r a mm e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i t 2 7 3 6e t h e m e ti n t e r f a c e ：1 8 3 7s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t 。：1 9 3 8a t 9 1 r m 9 2 0 0t h es p ii n t e r f a c e 3 1 ：；9 c h a p t e rs u m m a r y 31 c h a p t e r4 e m b e d d e dm o t o rc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 3 2 4 1t h ep r e p a r a t i o no fs p ih o s td r i v e r 3 2 4 2 】 h ep r e p a r a t i o no f t h eh o s tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m 3 6 4 3h o s tf u z z yc o n t r o ld e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s s 3 6 4 4 e m b e d d e d 肛c ( m iu s e ri n t e r f a c ep r o g r a m 3 8 4 5a 眦g a l 2 8 p r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o nf r o mt h em a c h i n e 4 0 4 6c h a p t e rs u m m a r y 4 0 t o t a lr e s u l t s ：z l ：! a p p e n d i xas p id r i v e r 4 3 a p p e n d i xb h o s tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m 5 0 a p p e n d i xc f r o mt h ec o m p u t e rp r o g r a m 5 9 a p p e n d i xd a f t e rt h ep c bb o a r dl a y o u t 6 9 r e f e r e n c e s 7 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 4 v i 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 关于嵌入式系统，在本质上是一个具有专门用途的微机系统，但和生 活中常见的微机系统不同，它不是一个能够单独存在的完整系统，所以不 能以独立设备的形态出现，而是根据客户的应用需求将嵌入式系统嵌入应 用系统或主设备内部以满足应用需要，成为它们组成的一部分，担当起处 理、运算、存储以及控制的作用，具有体积小、集成度高、功耗低、效率 高、专用资源明确、基本资源全等等特点，强调专用性、可靠性、经济性、 实时性。自从i n t e l 公司在上世纪6 0 年代将嵌入式系统投入市场，已经取得 了很骄人的成绩，尤其是在软件系统、开发工具与方法和互联网的紧密结 合及应用上都取得了非常可喜的成果。 1 1嵌入式系统及其体系结构 嵌入式系统( e s ) 是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技 术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结 合后的更新换代产品，它将0 s 和功能软件集成于计算机硬件系统之中，软 件代码小，硬件自动程度化高，响应时间快的“硬软件一体机 ，类似于 证券系统广泛使用的n c 计算机。 嵌入式系统一般是由相关支撑硬件、嵌入式处理器、嵌入式操作系统 及相关应用软件系统等组成，它是一个可独立工作的“装置 n 】。在数字 信号的处理过程中，因为数字信号算法十分复杂，通常结构的处理器无法 实时完成0 ( n m ) 级的运算，n p 级的复杂程度更是望其项背。随着d s p ( d ig it a ls in g n a lp r o c e s s o r 一种独特的微处理器，是以数字信号来处 理大量信息的器件) 器件在嵌入式系统的广泛应用，嵌入式系统在在数字 滤波、f f t 、谱分析等方面也大显神通，由单一、简单的运算处理向更复杂、 更多样的处理进军。此外，由于嵌入式d s p 处理器在向量运算、指针线性 寻址等智能逻辑方面的处理具有无可比拟的优势，它在生物信息识别终端、 带有加解密算法的键盘、实时语音压解系统、虚拟现实显示、指纹验证系 统等a i 智能方面已经被广泛采用，如t i 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 0 系列等。其中t m s 3 2 0 系列处理器当中包括用于控制的c 2 0 0 0 系 列、移动通信的c 5 0 0 0 系列，及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 系列已经拥有d s p 5 6 10 0 、d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等不同技术指标、不同性 能、不同等的处理器。此外，菲利普公司也推出了采用低成本、低功耗， 山东大学硕士学位论文 适用于消费类电子设备的基于r e a ld s p 处理器的可重置嵌入式d s p 结构( 具备双h a r v a r d 结构和双乘累加单元) 。 嵌入式d s p 处理器源头有二，一是将d s p 处理器做了单片化处理、 e m c 改善或增加相应的外围设备构成嵌入式d s p 处理器，如t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 ；另外就是在通用单片机或s o c 中增加协处理器，如 i n t e l 的m c s - 2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。 从上个世纪六十年代末至今，嵌入式技术的发展大致经过了以下四个 发展阶段。第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的第一代，具 有同监控测试、伺服、指示设备相配合的功能；第二阶段是以嵌入式c p u 系统为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式 操作系统为标志的嵌入式系统；第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入 式系统，这也是当前正在迅速发展的阶段姑1 。现阶段很大一部分嵌入式系 统还孤立于i n t e r n e t 系统之外，但随着i n t e r n e t 的迅速发展以及互联网技 术与通信家电、工业控制技术等多方面的结合日益密切，嵌入式技术的真 正未来将体现在嵌入式设备与i n t e r n e t 的完美结合h 1 。 基于i e e e 关于嵌入式系统体系结构的划分，嵌入式系统可分为以下四 个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用 软件h 。】。 1 1 1嵌入式处理器 作为嵌入式系统的核心，嵌入式处理器具有以下四个特点： 1 具有实时和多任务支持的能力 能够在较短的中断响应时内完成多任务处理，最低限度地减少内部代 码和实时操作系统的执行时间。 2 存储区保护能力 由于嵌入式系统的软件结构已经模块化，为防止在软件模块之间出现 错误的交叉而造成系统故障，就需要加强对存储区数据的保护，并且这种 保护区功能的实现同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构 可扩展处理器结构主要应用于能够快速地扩展出满足最大需要的高性 能的嵌入式微处理器 4 低功耗 包括便携式的无线设备，特别是那些野外作业中，功耗能达到m w 甚 至i lw 级依靠电池驱动的移动的计算机和通信设备中的嵌入式系统。 2 山东大学硕士学位论文 根据近年来嵌入式计算机的发展现状，嵌入式计算机包括以下四类： 1 嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e d io r o p r o o o s s o ru nit ) 嵌入式微处理器功能相当于c i s c 结构的c p u 。由于普通台式计算机的 c p u ( p e n t i u m 或c e l e r o n 等) 体积大、功耗高，这就需要将微处理器装配在 专门设计的电路板上，仅保留和嵌入式应用相关的功能，做到减少体积并 降低功耗的效果。 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，但在工作环境温度、抗电磁干扰能力、可靠性 等技术方面都做了各种增强阳3 。因此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，但是嵌入式微处理 器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。目前嵌入 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 等系列。 2 嵌入式微控制器m c u ( 一io r o o o n t r o i ie ru nit ) 嵌入式微控制器又称单片机，是将整个计算机系统集成在一块芯片中。 嵌入式微控制器通常以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、a d 或d a 转换， f l a s h 等各种功能模块。为了能够适应不同的应用需求，通常一个系列的 单片机具有多种系列衍生产品，每种衍生品的处理器内核结构一样，只有 存储器和外设的配置及封装却不尽相同。内核结构一样可以保证芯片的功 能、易于维护，配置不一致可以使单片机能够最大限度的和外部应用需求 相匹配，减少成本和工作过程中的功耗。 与嵌入式微处理器不同，微控制器的最大特点是单片化，从而使器件 体积大大减小，功耗和成本下降、可靠性提高阳1 。采用微控制器方式是当 前嵌入式系统工业的主流。因为微控制器的芯片可配置资源非常丰富，易 于控制，故称之为微控制器。 3 嵌入式d s p 处理器e d s p ( e m b e d d e dd i g i t a is i g n e ip r o o e s s o r ) 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 ，谱分析等 方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以 普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器n 们。嵌入式d s p 处 理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上 外设成为嵌入式d s p 处理器；二是在通用单片机或片上系统( s o c ) 中增加 3 山东大学硕士学位论文 d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s - 2 9 6 。推动嵌入式d s p 处理器发展的一个 重要因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品， 生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系 统，虚拟现实显示等。这类智能化算法通常都是运算量较大，特别是向量 运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。 4 嵌入式片上系统s o c ( s y s t e mo nc h ip ) 随着v l s i 设计的普及及半导体工艺的迅速发展，单块硅片上实现一个 更为复杂的系统成为可能，这就是s y s t e mo nc h i p 。各种通用处理器内核 将作为s o c 设计公司的标准库，和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 等语言描述存储在器件库中。用户 只需要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。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，应用系统电路板将变得简洁，具有体积小、功耗低、可 靠性高等优点。 s o c 系统包括通用和专用两个系列。前者的代表产品包括m o t o r o l a 的 m c o r e 、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；后者则具有专 属性，仅用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。 1 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统，是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 重要的组成部分。嵌入式操作系统包括底层驱动程 序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等 b r o w s e r 。其功能与操作系统相似，如：能够有效管理越来越复杂的系统资 源；能够硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序的移植和维护中解 脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。不过，与通 用操作系统相比，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、 软件固态化以及应用的专用性等方面优点更加突出。 嵌入式操作系统的种类 根据应用领域不同，嵌入式操作系统包括两类：面向控制、通信等专 业领域的实时操作系统和面向消费类的非实时操作系统。前者的代表如 w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的 q n x 、a t i 的n u c le u s 等；后者包括个人数字助理( 掌上电脑p d a ) 、 移动电话、机项盒、电子书、w e b p h o n e 等。 1 非实时操作系统 4 山东大学硕士学位论文 早期的嵌入式系统中由于没有操作系统的概念，程序员编写的嵌入式 程序通常直接面对裸机，因此通常把嵌入式程序分成两部分，前台程序和 后台程序( 简称为前后台) 。前台程序即事件处理级程序，通过中段来处理 事件，其结构通常为无限循环；后台程序即任务级程序，是系统的核心管 理程序，负责整个嵌入式系统的软、硬件资源的调配、管理以及任务调度。 程序运行时，后台程序负责检查每个任务是否具备运行条件，通过一 定的调度算法来完成相应的操作。对于实时性要求特别严格的操作通常由 中断来完成，仅在中断服务程序中标记事件的发生，不再做任何工作就退 出中断，经过后台程序的调度，转由前台程序完成事件的处理，这样就不 会造成在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其他中断。 但是在实际应用中，前后台系统的实时性却不尽人意。前后台系统认 为所有的任务具有相同的优先级别，即是平等的，而且任务的执行又是通 过f i f o 队列排队，因而对那些实时性要求高的任务不可能立刻得到处理。 另外，由于前台程序本身是一个无限循环的结构，一旦在这个循环体中正 在处理的任务崩溃，那么队列中的其他任务得不到处理的机会，从而造成 整个系统的瘫痪。这一致命伤造成非实时操作系统极少用于处理复杂的事 件，但是由于这类系统结构简单，无需r a m r o m 的额外开销，因而在嵌入 式应用的初期被广泛使用。 2 实时操作系统 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出 响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而 且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内 是其核心，换言之， 实时系统对响应时间具有严格的要求。 实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求 事件响应是实时的，并不要求某一任务限定在多长时间内完成；而在硬实 时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件 处理。在系统结构方面，由于实时系统保证实时性技术要求高，故其实现 难度要远远超过非实时应用软件。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的 系统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用权并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，即内核抢占c p u 让别的任务运行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任 务运行后，便将c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控 制权还回来。中断由中断服务程序来处理，可以激活一个休眠态的任务， 5 山东大学硕士学位论文 使之进入就绪态：而这个进入就绪态的任务还不能运行，一直要等到当前 运行的任务主动交出c p u 的控制权。使用这种实时操作系统的实时性比不 使用实时操作系统的系统性能好，其实时性取决于最长任务的执行时间。 不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一点，如果最长任务的执行时 间不能确定，系统的实时性就不能确定。 可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要具备了运行 的条件，或者说进入了就绪态，就可以立即运行。也就是说，除了优先级 最高的任务，其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任务中 断，让后者运行。采用这种任务调度方式虽然保证了系统的实时性，但是 如果系统处于高负载状态，大量的任务“疯狂 抢占c p u 控制权，会导致 系统运行缓慢、甚至出现系统崩溃、死机等严重后果。 1 1 3 嵌入式外围设备 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u ，d s p ，e m p u ，s o c ) 以外，用于完成存储、调试、通信、显示等辅助功能的其他部件都可以算 作嵌入式外围设备。常用的嵌入式外围设备按功能划分，包括存储设备、 通信设备和显示设备三种。存储设备主要用于各类数据的存储，常见的有 静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) ，动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m ， e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 三种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、速度快、 容量大、价格低等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括 r s 一2 3 2 接口( 串行通信接口) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、s p i ( 串行外围设 备接口) 、i r d a ( 红外线接口) 、1 2 c ( 现场总线) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 等。 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物，这就决定了它是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统n 1 。 1 嵌入式系统的产品特征 嵌入式系统产品是面向用户、产品、应用。嵌入式处理器可以针对用 户的具体需求，对芯片配置进行“d i y 操作，达到理想的性能以满足客户 要求。由于其d i y 特性，它的产品升级和换代可以根据技术的更新、应用 的变换而“与时俱进”。 2 嵌入式系统软件的特征 6 山东大学硕士学位论文 固化存储，嵌入式系统软件通常固化在存储芯片中，以利于提高执行 速度和系统可靠性。对大多数的应用来说，存储空间是很宝贵的，还有实 时性的要求，即要求程序编写和编译工具的质量要非常高，以减少程序二 进制代码长度，提高执行的速度，所以软件代码必须高质量和高可靠性； 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调 度是保证每个任务及时有序执行的关键，这种任务调度通常只能由嵌入式 操作系统来完成，因此要求操作系统具备实时及任务调度的能力，即许多 应用要求系统软件具有实时处理和多任务能力。 3 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 与一般计算机具有完善的入机接口界面不同，嵌入式系统本身不具备 自行开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进 行修改的，必须要有一套开发工具和环境才能进行开发。工具和环境可以 借鉴通用计算机上的软硬件设备，并通过各种逻辑分析仪、混合信号示波 器等的配合实现系统的开发功能。 4 嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，而a p i 是计算 机基本组成中不可缺少的一部分，应用程序开发后，应用软件都在操作系 统平台上运行。相对于通用计算机，嵌入式系统无需操作系统和a p i 就可 以直接在芯片上运行。但是在实际工作中，为了实现多任务的合理调度 系统资源的有效利用、实现专家函数接口对接，用户必须依靠嵌入式操作 系统开发平台开发相关的应用程序保证程序执行的实时性和可靠性。此平 台的应用可以减少开发时间，提高软件质量。因此，一个优秀的嵌入式操 作系统是必须也是必要的，它是系统成功的关键。 1 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统无论应用在何处，基本功能都是一样的，即通过运行不同 的嵌入式软件实现不同的应用功能。虽然嵌入式系统在外部形状、应用对 象、工作环境等方面与通用计算机系统有很大区别，但是系统的基本组成、 运行方式等和通用计算机是基本一致的。 嵌入式系统与通用计算机系统在外部形状、应用对象、工作环境、技 术指标等方面有许多不同之处。当前，嵌入式系统与通用计算机系统正向 两个不可兼容的技术方向发展。通用计算机系统的发展方向是争取不断地 提高运行速度和存储容量，嵌入式系统的发展方向是向超小型、超低价位、 高可靠性和易耦合的方向发展。嵌入式系统是走下桌面、走出机房，嵌入 到实际应用设备中运行的专用计算机系统。 7 _ 鬣 ， 秽1 山东大学硕士学位论文 根据应用领域不同，嵌入式系统主要应用于以下几个大的方面： 1 国防武器设备，如导弹的瞄准、雷达识别、电子对抗设备等。 2 通信信息设备，如路由器、程控交换机、m o d e m 、移动电话等。 3 过程的控制，即对生产过程中各种动作流程的控制，这种控制是在 对被控对象和环境进行不断观测的基础上做出的及时反应，如流水线控制、 金属加工控制等。