计算机控制--引言-20120910

材料加工计算机控制系统,主讲教师：叶春生,csyeTel华中科技大学材料学院,材料加工计算机控制系统,第一章计算机控制系统概述第二章嵌入式ARM处理器及其开发第三章基于ARM的硬件系统设计第四章STM32电路设计第五章Linux操作系统第六章控制系统的C语言程序设计,第一章绪论,1）计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。例如，卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、伺服压力机、工业机器人的运动、力控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等；2）许多常规的控制仪表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在控制整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样；3）复杂的数据处理：生产工艺过程的统计数字和数据处理，复杂生产工艺过程的数值仿真。,内容提要,控制基础回顾1.1计算机控制系统的组成1.2典型计算机控制系统1.3现场总线控制系统（FCS）1.4计算机集成制造系统（CIMS）1.5智能控制系统1.6机电一体化控制系统1.7工业控制计算机1.8计算机总线,自动控制系统的组成可以是电气的，机械的，液压的，气动的等等，然而描述这些系统的数学模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自动控制系统，就摆脱了各种类型系统的外部关系而抓住这些系统的共同运动规律；控制系统的数学模型是通过物理学，化学，生物学等定律来描述的，如机械系统的牛顿定律，电气系统的克希霍夫定律等都是用来描述系统模型的基本定律。,自动控制系统,几个重要概念的回顾,数学模型是描述系统动态特性的数学表达式；数学模型可以有多种形式。在经典理论中，常用的数学模型是微（差）分方程，结构图，信号流图等；在现代控制理论中，采用的是状态空间表达式。结构图，信号流图，状态图是数学模型的图形表达形式。,数学模型,数学模型,数学模型的建立,建立合理的数学模型，对于系统的分析研究是十分重要的。合理包括两条：（1）反映元件及系统的特性要正确；（2）写出的数学式子要简明；控制系统数学模型的要求可采用解析法和实验法。解析法是根据系统和元件所遵循的有关定律来建立数学模型的。用解析法建立数学模型时，对其内部所体现的运动机理和科学规律要十分清楚，要抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，力求所建立的数学模型要合理。实验法是根据实验数据来建立数学模型的，即人为地在系统上加上某种测试信号，用实验所得的输入和输出数据来辨识系统的结构，阶次和参数，这种方法也成为系统辨识。线性系统最重要的特性是可用叠加原理。对非线性系统当非线性不严重或变量变化范围不大时，可利用小偏差线性化的方法使数学模型线性化。,解析法建立运动方程,用解析法建立运动方程的步骤1）分析系统的工作原理和系统中各变量间的关系，确定出待研究元件或系统的输入量和输出量；2）从输入端入手（闭环系统一般从比较环节入手），依据各元件所遵循的物理，化学，生物等规律，列写各自方程式，但要注意负载效应。所谓负载效应，就是考虑后一级对前一级的影响。3）将所有方程联解，消去中间变量，得出系统输入输出的标准方程。所谓标准方程包含三方面的内容：将与输入量有关的各项放在方程的右边，与输出量有关的各项放在方程的左边；各导数项按降幂排列；将方程的系数通过元件或系统的参数化成具有一定物理意义的系数。,计算机仿真和辅助设计,计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。,仿真的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。计算机仿真的定义：是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。,计算机仿真,相似原理,1.1计算机控制系统的组成,图1-1计算机控制系统基本框图,控制器,D/A,执行机构,被控对象,测量变送,A/D,工业控制计算机,生产过程,给定量,输出量,在计算机控制系统中，对于给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，根据给定量和反馈量后，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。,计算机控制系统组成,2、计算机控制系统组成,CPU/MEM,人机接口,系统支持,内部总线,模拟量输入通道(AI),模拟量输入通道(AO),数字量输出通道(DO),数字量输入通道(DI),测量变送,执行机构,电气开关,电气开关,被控对象,工业控制计算机,检测及执行机构,1.2典型计算机控制系统,目前常用的比较典型的计算机控制系统，主要包括：1）PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；2）数字调节器的计算机控制系统；3）PLC的计算机控制系统；4）嵌入式系统的计算机控制系统；,1基于PC总线的板卡的工控机,工业控制计算机（IndustrialControlComputer）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工控机与普通微机相比，有以下特点：（1）工控机总线设计支持各种模块化CPU卡和所有PCI/ISA总线接口板。（2）开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。（3）机箱采用全刚机架，可防止电磁干扰；具有足够地负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。,典型应用,叠层制造系统（LOM）控制系统1）X、Y、Z三轴由伺服电机驱动。2）加热辊、送纸、收纸装置由异步电机驱动。3）位移变速器和激光器的控制主要是A/D和D/A转换。,2数字调节器的计算机控制系统,数字调节器根据用途和性能的差异可以分为以下几种类型：定程序控制器、可编程调节器、混合控制器、批量控制器等。硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成。软件分为系统程序和用户程序两大部分。特点是运算控制功能强、通过软件实现所需功能、带有自诊断功能、带有数字通讯功能、具有较有好的人机界面，通过数字调节器的人机接口，操作人员可以方便的对调节器进行操作。,数字调节器的应用,控制器具有手、自动工作状态、PID参数值、输入及输出值等一系列信息，并通过通信模块对控制器的控制设置必要的信息，如工作状态的变更、参数的设置等。,3基于可编程控制器的计算机控制系统,可编程控制器（PLC）把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。PLC的特点是高可靠性、功能齐全、应用灵活、系统设计且调试周期短、操作维修方便。PLC主要缺点是人机界面比较差，数据存储和管理能力较差，虽然一些大型PLC在这方面有了较大发展。,可编程控制器的应用,图7-29机械手控制示意图,机械手控制的基本要求,按起动按钮后，传送带A运行直到光电开关PS检测到物体，才停止，同时机械手下降。下降到位后机械手夹紧物体，2s后开始上升，而机械手保持夹紧。上升到位左转，左转到位下降，下降到位机械手松开，2s后机械手上升。上升到位后，传送带B开始运行，同时机械手右转，右转到位，传送带B停止，此时传送带A运行直到光电开关PS再次检测到物体，才停止循环,为了保证机械手动作准确，机械手上安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行下降、上升、左转、右转等动作的限位，并给出动作到位的信号。,基于嵌入式系统的计算机控制系统,嵌入式系统所作的概念可以看出嵌入式系统具有以下几个主要特征是：专用性强、精简设计、系统内核小、嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于硬盘等载体中。嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统的应用领域可以包括为：工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境监测、机器人等。,基于嵌入式系统的硬件平台体系结构,图2.3嵌入式硬件平台体系结构,嵌入式系统的LIN通讯,嵌入式LIN通讯,嵌入式系统的CAN通讯,嵌入式CAN通讯,嵌入式系统的电机控制,嵌入式电机控制,1.3现场总线计算机控制系统,现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和DCS相比是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。目前各类现场总线产品有40多种。,计算机控制系统的发展进程,现场总线的特点,通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。全数字化通信：在现场总线控制系统中，从变法器的传感器到调节阀其信号一直保持数字性。工业现场环境的噪声及其它干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的强抗干扰能力使得过程控制的准确性和可靠性更高。开放式互联网络：现场总线为开放式互联网络，可与不同层网络相连。不同制造厂家的产品可以十分方便地挂接在现场总线上而具有可互操作，用户可以根据性能价格比选用最优的，不必保持任何修改，就可以构成所需的控制回路，自由地集成开放式控制系统。,现场总线的应用,图2局域网路数控系统框图功能模块结构简图，每个子模块都具有独立的编程、PLC和通讯功能，同时具有特殊功能的编程，以满足不同的控制要求，模块的基本结构如下：,图3功能模块结构简图,1.4现代集成制造系统,现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。,现代集成制造系统的技术构成,先进制造技术（AMTAdvancedManufacturingTechnology）作为一个专有名词至今还没有一个明确的、一致公认的定义。通过对其内涵和特征的研究，目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。,技术特点,1、并行工程（CEConcurrentEngineering）并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。2、虚拟制造（VMVirtualManufacturing）虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真；3、敏捷制造（AMAgileManufacturing）敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。4、绿色制造（GMGreenManufacturing）绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源的使用效率最高。,1.5智能控制概述,1智能控制与传统控制的主要区别传统控制的主要特征是基于模型的控制，适用于被控对象可用数学模型描述的线性定常系统；而智能控制是针对系统的复杂性、非线性和不确定性而提出来的，是人工智能与控制理论结合的产物，解决问题的能力和水平明显高于传统控制。智能控制与传统控制的区别主要表现在两个方面：（1）处理复杂性、不确定性问题的能力传统控制能力较差，而智能控制系统具有仿人的智能，处理复杂性、不确定性问题的能力较高。（2）对被控对象模型的依赖传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，智能控制的核心是基于知识进行智能决策。,智能控制的特点,（1）不确定性的模型智能控制可解决模型未知或模型结构和参数变化范围大的控制问题。（2）高度的非线性传统控制中，非线性控制理论不成熟，方法也较复杂，而用智能控制可较好地解决非线性系统的控制。（3）复杂的任务要求智能控制系统具有决策能力，除对被控物理量实现定值控制，还可实现系统自动启停、故障自动诊断、事故应急处理等较复杂的控制功能。,智能控制的基本特点,智能控制所研究的智能控制器是数学模型和知识系统相结合的广义模型。智能控制常具有以下几种基本特点：（1）分层递阶的组织结构智能控制系统的组织结构体现了智能递增精度递减的原则，其协调层次越高，所体现的智能也越高。（2）多模态控制智能控制系统常采用具有开、闭环控制结合，定性决策与定量控制结合，数学模型和非数学广义模型结合的多模态控制。,智能控制的基本特点（续）,（3）自学习能力在控制过程中，有些智能控制系统能感知外界环境变化进行学习，并将得到的经验用于进一步的估计、分类、决策或控制，从而使系统的性能得到改善。（4）自适应能力控制系统的自适应能力是指一个系统能改变自身的性能以适应环境变化的能力。（5）自组织能力自组织能力是指智能控制系统对复杂任务和分散的传感信息具有自行组织和协调功能。,智能控制的主要类型,1模糊控制模糊控制是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。模糊控制的主要特点是在人工控制经验的基础上，实现对系统的控制。模糊控制无需建立数学模型，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，是解决不确定性系统、非线性系统的有效途径。2神经网络控制神经网络控制是人工神经网络与控制理论相结合的产物。神经网络控制系统在许多方面呈现出人脑的智能特点，不依赖于精确的数学模型。神经网络控制的主要特点是具有自学习能力、自适应能力和自组织能力。,智能控制的主要类型（续）,3专家控制系统专家控制系统把知识模型与数学模型相结合，知识信息处理技术与控制技术相结合，是人工智能与控制理论方法和技术相结合的典型产物。专家系统的主要特点是它能在一定程度上模拟人的思维活动规律，能进行自动推理，善于应付各种变化，具有透明性和灵活性。4分层递阶智能控制分层递阶智能控制是在研究学习控制系统的基础上，从工程控制出发，总结人工智能与自适应控制、自学习控制及自组织控制的关系逐渐形成的。分层递阶智能控制的特点是按照自上而下精确程度渐增、智能程度渐减的原则进行功能分配。智能主要体现在高层次上，执行级仍然采用现有的数学解析控制算法，对数值进行操作和运算。,1.6机电一体化控制系统,1计算机过程控制系统用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统。为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定；燃料和空气的比值控制过程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。；为了提高炉子的热效率，还需对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧调节。,图1-4工业炉的计算机控制,电动机调速系统,由于微型计算机具有极好的快速运算、信息存储、逻辑判断和数据处理能力，电动机调速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。例如，变流装置的非线性补偿，起动和调速时选用不同的控制方式或不同的控制参数，四象限运行时的逻辑切换，在PWM型逆变器、交交变频或某些生产机械传动控制中要求的电压、电流基准曲线等。由于采用计算机控制，可大大提高系统的性能。,图1-5计算机控制的双闭环系统,计算机数字程序控制系统,采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制系统中。所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序（或现场输入条件等）而顺序动作的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序控制器（PC或PLC）。可编程序控制器使用方便，可靠性高，应用广泛。,图1-6简单机床数字程序控制系统构成框图,工业机器人,工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，它主要由控制器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉等外部反馈信息进行感知、理解、决策，并及时按要求驱动运动装置、语音系统完成相应任务,图1-7智能机器人的一般结构,1.7工业控制计算机,1工业控制计算机的特点及要求,1、实时性实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。2、高可靠性很多生产过程是日夜不停地连续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正确控制。,1工业控制计算机的特点及要求,3、硬件配置的可装配可扩充性工业控制计算机的使用场合干差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是与现场相联接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。4、可维护性工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能快速准确地定位。,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,CPU,主存储器,中央处理部件,输入设备,输出设备,键盘鼠标器,显示器打印机,辅助（外部）存储设备,磁盘机、磁带机、光盘机等,输入,输出,输入,输出,控制器,运算器,冯诺依曼计算机的硬件结构,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。,现代微型计算机的组成,1.直观描述图灵机的计算装置：一条两端可无限延长的带子，一个读写头，一组控制指令。,读写头可以沿带子方向左右移动，并可以在每个方格上进行读写。,图灵机,1.7.2单片微型计算机,单片微型计算机简称为单片机，它是将CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上，同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。自1976年Intel公司首片单片机问世以来，随着集成电路制造技术的发展，单片机的CPU依次出现了8位和16位机型，并使运行速度、存储器容量和集成度不断提高。现在比较常用的单片机一般具有数十K的闪存、16位的A/D及看门狗等功能，而各种满足专门需要的单片机也可由生产厂家定做。,MCS-51单片机,图1-8MCS-51单片机的系统结构框图,1.7.3数字信号处理器DSP,DSP是目前电子工业领域增长最迅速的产品之一，据世界半导体贸易统计组织(WSTS)发布的统计和预测报告显示，19962005年，全球DSP市场将一直保持稳步增长，其中，2000年的增长率为37%，2001年为8%，并且从2001年到2005年，增长率将逐年递增，2005年的增长率将达34%。因此，全球DSP市场的前景非常广阔，DSP产业将成为21世纪最具发展潜力的朝阳产业。,数字信号处理器DSP,DSP是目前电子工业领域增长最迅速的产品之一，据世界半导体贸易统计组织(WSTS)发布的统计和预测报告显示，19962005年，全球DSP市场将一直保持稳步增长，其中，2000年的增长率为37%，2001年为8%，并且从2001年到2005年，增长率将逐年递增，2005年的增长率将达34%。因此，全球DSP市场的前景非常广阔，DSP产业将成为21世纪最具发展潜力的朝阳产业。,数字信号处理器DSP的应用,DSP是数字图像处理芯片，1400万像素,数字信号处理器DSP的应用,典型电机控制系统功能框图,1.7.4嵌入式计算机ARM,ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能。,1.2.4嵌入式计算机ARM,ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能。,STM32F10 x框图,ARM710结构框图,1.8计算机总线,1.8.1总线原理及三态门总线：是计算机系统各部件（也称模块）之间传送信息的公共通道，由若干条通信线和起驱动、隔离作用的三态门组成。总线传输的原则：同一时刻只允许传输1个信号，否则会出现信号冲突（即信号叠加），导致信息传输错误。总线为所连接的多个部件服务的方法是分时传输。部件与总线的连接：通过三态门来控制。图1-16是总线与三态门的连接图。,图1-16总线与三态门的连接,总线连接包括两个层次物理连接：机械和电气方面的连接，是指采用什么样的电缆和连接器，总线的驱动能力和传输距离，传输线的屏蔽、接地和抗干扰技术等。逻辑连接：主要解决基本信息的缓冲与锁存、总线握手和总线裁决等问题，也即总线时序和总线使用权分配的问题。,1)总线的操作过程,挂在总线上的各模块是通过总线进行信息交换，即数据传输的，完成一次数据传输要经历以下四个阶段。1.总线请求和仲裁阶段当系统总线上接有多个总线主模块时，需要使用总线的主模块向总线提出申请，由总线仲裁机构确定后，把下一个传输周期的总线使用权交给申请的主模块。2.寻址阶段获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从模块的地址及有关操作命令，通过译码使被访问的从属模块被选中，从而开始启动。3.数据传送阶段主模块和从属模块进行数据交换。4.结束阶段主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块继续使用。,2)总线的通信方式,总线上的主、从模块间进行数据传送称为通信。为了保证通信的可靠性，主、从模块间至少应满足下述关系：发送模块在开始发送数据时，接收模块应做好接收的准备。在接收模块没有接收到准确数据前，发送模块不应撤除发送信号。总线上的主、从模块通常采用的三种通信方式：1同步传输2半同步传输3异步传输,1同步传输,同步传输也称为同步通信方式，是指总线上的各模块严格地在时钟控制下工作的方式，如图1-17所示。,特点：要求主模块按严格的时间标准发出地址信号、产生指令，从属模块按严格的时间标准读出数据或写入数据。,2半同步传输,半同步传输方式是对同步方式的一种改进，如图1-18所示。它保留了同步传输的基本特点。总线上的各模块基本上还是在时钟控制下统一动作，对于快速的从模块，采用同步方式；但是对于某些不能在规定时间内完成操作的慢速从模块，可以请求延长操作时间。,3异步传输,异步传输方式也称为应答方式，如图1-19所示。,进行通信的主、从模块不受统一的时钟控制，而是采用“请求”和“应答”信号来协调传输过程。,3)总线的主要技术参数,1总线带宽总线带宽是衡量总线传输速度的重要指标，是指单位时间内总线上可传送的数据量，一般用每秒钟传送的字节数来表示，单位为MBps。2总线位宽总线位宽是指总线能同时传送的数据位数，即总线宽度，如16位、32位、64位等。在工作频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。3总线的工作频率总线的工作频率也称为总线的时钟频率，单位为MHz。工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽也越宽,1.8.2总线分类及总线标准,图1-20四级总线示意图,典型总线,1.8.3总线缓冲器,总线作为计算机系统中各部件的公共信息传输通道，当系统运行时各个部件均挂在总线上，为了保证总线上传送数据的正确性，在同一时刻只能允许一个部件向总线发送数据，但允许一个部件或多个部件同时接收数据。为了达到这一要求，可以在器件内部设置三态缓冲器。数据通过三态缓冲器再送入总线，当三态缓冲器处于低阻状态，即输出端为高电平或低电平状态时，器件挂在总线上；当三态缓冲器处于高阻状态，即开路状态或浮空状态时，器件与总线逻辑上“脱开”，但物理上仍是连接在一起的。,伺服压力机控制原理,压力机ARM控制系统原理图,曲柄压力机,图1曲柄连杆滑块机构简图,图2曲柄连杆滑块机构运动关系计算简图,伺服压力机控制系统仿真研究,MSM转子磁场速度控制原理,2嵌入式ARM处理器及其开发,主讲教师：叶春生,csyeTel华中科技大学材料学院,嵌入式ARM处理器及其开发,ARM处理器概述,ARM硬件体系结构,ARM处理器内部结构,开发工具与开发流程介绍,1,2,3,4,80,ARMLtd,成立于1990年11月前身为Acorn计算机公司AdvanceRISCMachine(ARM)主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM公司不生产芯片IP(IntelligenceProperty)另外也提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等,RISC（reducedinstructionsetcomputer，精简指令集计算机）,ARM的业务模型,ARM,Partner,OEMCustomer,命名的含义,嵌入式ARM处理器及其开发,ARM处理器概述,ARM硬件体系结构,ARM处理器内部结构,开发工具与开发流程介绍,1,2,3,4,冯诺依曼体系结构模型,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,CPU,主存储器,中央处理部件,输入设备,输出设备,键盘鼠标器,显示器打印机,辅助（外部）存储设备,磁盘机、磁带机、光盘机等,输入,输出,输入,输出,控制器,运算器,冯诺依曼计算机的硬件结构,微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。,现代微型计算机的组成,1.直观描述图灵机的计算装置：一条两端可无限延长的带子，一个读写头，一组控制指令。,读写头可以沿带子方向左右移动，并可以在每个方格上进行读写。,图灵机,带子上的符号为一个有穷字母表：S0,S1,S2,Sp通常仅有S0、S1两个字符，其中：S00，S11这可加深对布尔值、二进制机器的理解。机器的控制状态：q1,q2,qn图灵机的初始状态设为q1,结束状态设为qn,图灵机,五元组指令集合：(qiSjSkR(LN)qn)qi表示机器目前所处的状态；Sj表示机器从方格中读入的符号；Sk表示机器用来代替Sj写入方格的符号；R,L,N表示右移一格,左移一格,不移动；qn表示下一步机器的状态。一个给定机器的程序是机器内的五元组形式的指令集，它定义了机器在特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。,图灵机,2.工作原理机器从给定带子上的某起点出发，其动作完全由其初始状态值及机内五元组指令集来决定。计算结果是从机器停止时带子上的信息得到。指令死循环：q1S2S2Rq3q3S3S3Lq1指令二义性：q3S2S2Rq4q3S2S4Lq6,图灵机,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。,RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单,ARM处理器的指令三级流水线,ARM处理器的指令五级流水线,嵌入式ARM处理器及其开发,ARM处理器概述,ARM硬件体系结构,ARM处理器内部结构,开发工具与开发流程介绍,1,2,3,4,ARM710结构框图,2020/5/3,北京大学出版社出版,97,ARM7功能图,2020/5/3,北京大学出版社出版,98,ARM920功能结构图,S3C2410内部结构图,IntelPXA270应用系统框图示例,嵌入式STM32微处理器,STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。,最新的嵌入式内核Cortex-M3,ARM公司最新的内核Cortex-M3Cortex-M3瞄准单片机领域和嵌入式应用，得益于其先进的结构特性，以减少的代码占用空间和行业领先的高超性能，为我们带来了一个小巧、低能耗的理想平台，将具有特性差异的不同应用从传统的平台引领到32位的微控制器世界。,STM32系统架构,STM32F103系列,工业:可编程逻辑控制器(PLC)变频器打印机，扫描仪工控网络建筑和安防:警报系统可视电话HVAC,低功耗:血糖测量仪电表电池供电应用家电:电机控制应用控制消费类:PC外设，游戏机数码相机，GPS平台,STM32的应用领域,STM32F10 x框图,嵌入式ARM处理器及其开发,ARM处理器概述,ARM硬件体系结构,ARM处理器内部结构,开发工具与开发流程介绍,1,2,3,4,嵌入式软件开发的特点和技术挑战,嵌入式软件开发需要软硬件开发环境和工具嵌入式软硬件必须协同设计需要新的任务设计方法开发过程完成后，系统应用程序代码需要固化到系统中并进行功能、性能和可靠性测试技术挑战：软件的要求更高，开发工作量和难度更大，需要较大的知识集合,嵌入式软件开发环境,1）交叉开发环境交叉开发软件一般为一个整合编辑、编译、汇编、链接、调试、工程管理及函数库等功能模块的集成开发环境IDE（IntergratedDevelopmentEnvironment）。所谓交叉是指在一种CPU及其环境上开发另一种CPU及其环境上运行的程序。,嵌入式软件开发环境,2）软件模拟环境软件模拟环境也称为指令集模拟器ISS(InstructionSetSimulator)软件模拟不可能完全代替真正的硬件环境，这种模拟调试只能作为一种初步调试，主要是用作用户程序的模拟运行，用来检查语法、程序的结构等简单错误，用户最终还必须在真实的硬件环境中实际运行调试，完成整个应用的开发。,嵌入式软件开发环境,3)评估电路板一般用来作为开发者使用的开发平台、学习板、实验板，它们可以作为应用目标板出来之前的软件测试、硬件调试的电路板,嵌入式应用软件开发的基本流程,基于交叉开发环境的嵌人式应用软件开发主要分如下几个步骤：开发环境的建立、源代码编辑阶段、交叉编译和链接、重定位和下载、联机调试几个基本阶段。开发环境建立源文件编辑阶段编译链接下载调试,嵌入式软件开发的可移植性和可重用性,在确保软件的正确性、实时性的前提下，必须关注软件的可移植性和可重用性。嵌入式软件与通用软件的不同在于嵌入式应用软件高度依赖于目标应用的软硬件环境，软件的部分任务功能函数由和处理器密切相关的汇编语言完成，可移植性差。一个运行良好的嵌入式软件或其中的部分子程序可能在今后的开发中被应用于类似的应用领域。原有的代码已被反复应用和维护，具有更好的稳定性。在原有的代码上进行移植将会减少开发的周期、提高开发效率、节约开发成本,嵌入式软件开发的可移植性和可重用性,采用下面的方法可以提高应用软件的可移植性和可重用性。多用高级语言少用或者不用汇编语言将不可移植部分局域化提高代码的可重用性（标准化接口）,嵌入式开发的考虑要素,复杂计算与资源紧缺用户界面的选择实时性多任务多速率制造成本功耗成品的体积,嵌入式开发的基本流程,系统定义与需求分析系统设计方案的初步确立初步设计方案性价比评估与方案评审论证完善初步方案、初步方案实施软硬件集成测试系统功能性能测试及可靠性测试,常用嵌入式系统软件开发工具,面向硬件的开发工具如MDK,ADS嵌入式操作系统开发如GCC面向特定操作系统的应用开发工具,底层开发使用ADS软件开发流程及调试方式图,嵌入式操作系统开发,GCC系列工具嵌入式操作系统多用C/C+开发，因此，要编译操作系统内容，一般都使用GCC系列工具。GCC可以用来编译uClinux、Linux、ECOS、uC/OS-II等操作系统。,面向特定操作系统的应用工具,WinCE应用软件开发：如果选用的操作系统为WinCE，则应用软件需要选择WinCE的EmbededVC开发环境。Symbian应用程序开发：如果开发Symbian手机应用程序，则Symbian应用程序开发选择的是Symbian的C/C+集成开发环境。Linux应用程序开发：如果开发的是Linux应用程序，则选择的开发工具是Linux程序开发工具（GCC/G+/GDB/Makefile）。,Linux交叉编译调试环境开发程序过程,Linux交叉编译调试环境开发程序过程,（1）程序首先在宿主机（安装与应用目标板同样内核的Linux操作系统）编辑编译，生成可执行文件。（2）通过网络共享方式将该程序共享给目标板，因为此处是开发Linux应用程序，目标板已经移植了Linux操作系统，因此，可以充分利用Linux操作系统强大的网络功能，通过共享的方式的原因一方面是减少下载程序的时间，另一方面也是因为目标板资源有很，尽可能少占用目标板资源的考虑。（3）通过Linux操作系统远程登陆方式登陆到目标板Linux，并在目标板上运行交叉调试服务器，然后在目标板上运行共享到目标板的Linux应用程序。（4）通过交叉调用器终端访问目标板的交叉调试服务器，将该程序的运行结果反馈到宿主机上，查看运行结果是否正确。,ADS1.2软件环境开发流程,ARM命令参数说明(1.armasm汇编编译指令,),此命令用来编译汇编程序，其命令格式：armasm选项-o目标文件源文件参数选项说明如下：-Errors错误文件名;指定一个错误输出文件-I目录,目录;指定源文件搜索目录-PreDefine预定义宏;指定预定义的宏-NOCache;编译源代码时禁止使用Cache进行优化-MaxCache;编译源代码时使用Cache进行优化-NOWarn;关闭所有的警告信息-G;输出调试表-keep;在目标文件中保存本地符号表-LIttleend;生成小端（Little-endian）ARM代码-BIgend;生成大端（Big-endian）ARM代码-CPU;设立目标板ARM核类型,如:arm920t-16;建立16位的thumb指令-32;建立32位的ARM指令编译一个汇编文件命令示例如下：c:armasm-LIttleend-cpuARM920T-32test.s,2.armcc/armcppC/C+编译器,armcc用来编译C程序，armcpp用来编译C+程序，其命令格式如下：1.命令：armcc选项源文件1源文件2.源文件n这两个命令的选项说明如下：-c;编译但是不连接-D;指定一个编译时使用的预定义宏常量-E;仅仅对C源文件做预处理-g;产生调试信息表-I;指头文件的搜索路径-o;指定一个输出的目标文件-O0/1/2;指定源代码的优化级别-S;输出汇编代码来代替目标文件-CPU;设立目标板ARM核类型，如arm920t编译一个C程序命令示例如下：c:armcc-c-O1-cpuARM920Ttest.c,3.armlink链接器,此命令用来链接目标文件，其命令格式如下：armlink选项输入文件此命令选项参数说明如下：-partial;合并目标文件-Output文件;指定输出文件名-scatter文件;按照指定的文件为可执行文件建立内存映射-ro-base地址值;只读代码段的起始地址-rw-base地址值;RW/ZI段的起始地址示例c:armlink-partialbdmain.obdport.obdserial.obdmmu.obdisr.o-otestd.oc:armlinkbd.obdinit.o-scatterbdscf.scf-otest.axf,4.fromelf,此命令从axf格式文件生成一个二进制可执行文件。其命令格式如下：fromelf选项输入文件此命令选项说明如下：-bin二进制文件名;产生的二进制文件-elfelf文件名;产生一个elf文件-texttext文件名;产生text文件产生一个可执行的二进制代码示例如下：c:fromelftest.axfbinotest.bin此命令从test.axf生成二进制文件test.bin。,MDK开发平台介绍,下面将直接进入MDK开始介绍,3基于ARM的硬件系统设计,主讲教师：叶春生,csyeTel华中科技大学材料学院,本节提要,1基于ARM的硬件系统体系结构2存储器接口设计3I/O接口设计4人机交互接口设计5网络接口设计6其它通讯接口设计,ARM920T内核结构,1基于ARM的硬件系统体系结构2存储器接口设计3I/O接口设计4人机交互接口设计5网络接口设计6其它通讯接口设计,实验平台的体系结构,2410核心资源,总线隔离驱动,168Pin扩展槽,网卡设备,LCD驱动,音频电路,串口设备,USB设备,PCMCIA,IDE/CF卡,SD卡接口,IO扩展,电机等,其他资源,局部总线,扩展总线,读写总线的时序图,存储器系统,可通过软件选择大小端地址空间:每个Bank128Mbytes(总共1GB)除bank0(16/32-bit)外，所有的Bank都可以通过编程选择总线宽度=(8/16/32-bit)共8个banks6个Bank用于控制ROM,SRAM,etc.剩余的两个Bank用于控制ROM,SRAM,SDRAM,etc.7个Bank固定起始地址；最后一个Bank可调整起始地址；最后两个Bank大小可编程所有Bank存储周期可编程控制；,存储器配置,Bank6/Bank7地址分布,Bank0总线宽度配置,与2片8位的ROM连接方法,与1片16位的ROM连接,与2片8的FLASH的连接方法,与1片16M的SDRAM的连接方法,与2片16M的SDRAM的连接方法,NAND和NOR性能比较,NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术NOR的读速度比NAND稍快一些NAND的写入速度比NOR快很多NAND的擦除速度远比NOR的快大多数写入操作需要先进行擦除操作NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少,接口差别,NORflash带有SRAM接口，线性寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节NANDflash使用复用接口和控制IO多次寻址存取数据NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理，此类操作易于取代硬盘等类似的块设备,容量和成本,NANDflash生产过程更为简单，成本低常见的NORflash为128KB16MB，而NANDflash通常有8128MBNOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储NAND在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大,可靠性和耐用性,在NAND中每块的最大擦写次数是100万次，而NOR的擦写次数是10万次位交换的问题NANDflash中更突出，需要ECC纠错NANDflash中坏块随机分布，需要通过软件标定产品量产的问题,嵌入式系统中应用RAM的情况,I/O子系统的层次模型,I/O子系统：I/O设备、相关的设备驱动程序和I/O子系统组成嵌入式I/O子系统。I/O子系统的目标是对RTOS和应用程序员隐藏设备特定的信息，并且对系统的外围I/O设备提供一个统一的访问方法。,从不同角度看I/O系统,从系统软件开发者角度看，I/O操作意味着与设备的通信、对设备编程初始化和请示执行设备与系统之间的实际数据传输以及操作完成后通知请求者。系统软件工程师必须理解设备的物理特性，如寄存器的定义和设备的访问方法。从RTOS的角度看，I/O操作意味着对I/O请求定位正确的设备，对设备定位正确的设备驱动程序，并解决对设备驱动程序的请求。有时要求RTOS保证对设备的同步访问。RTOS必须进行抽象，对应用程序员隐含设备的特性。从应用程序员角