计算机控制技术教学课件(共9章)ch08控制技术中的计算机系统11

·PAGE44··PAGE225·第8章控制技术中的计算机系统在各种各样的控制技术应用中几乎都会使用到计算机系统，而这些计算机系统的类型、形态往往多种多样。在同一个控制系统中也可以包含多种计算机系统类型，因为一个大的控制系统是由多个部分组成的，而每一部分就可能包含一个计算机系统。因此，如何针对具体的应用情况选用合适的计算机系统以得到最好的性价比，是计算机控制系统设计中非常重要的步骤。要做好这一步，就必须熟悉各种类型计算机系统的性能特点。虽然计算机系统在控制系统中的表现形式多种多样，但归类后不外乎这三种基本类型，即工业控制计算机、可编程控制器和嵌入式计算机系统。本章主要概括介绍这三种类型计算机系统的基本组成、性能、特点，对嵌入式系统中的一些典型操作系统也作了简要介绍，目的是为在控制技术应用中选择计算机系统提供参考。8.1工业控制计算机（IPC）工业控制计算机英文简称IPC（IndustrialPersonalComputer），又称为工业计算机或产业计算机。在传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和输入、输出通道两部分。通俗地说，工控机就是专门为工业现场而设计的计算机。1．工控机的特点1）可靠性高2）可维护性好3）实时性好4）环境适应性强5）扩展性好2．工控机的分类按照所采用的总线标准类型不同，工控机可分成4类。1）PC总线工控机2）STD总线工控机3）VME总线工控机4）多总线工控机3．工控机的组成

1）工业机箱2）底板3）CPU卡4）电源8.2可编程控制器（PLC）LogicController，PLC）。1．可编程控制器的特点①编程简单，可在现场修改程序；②维护方便，最好是插件式；③可靠性高于继电控制柜；④体积小于继电控制柜；⑤可将数据直接送入管理计算机；⑥在成本上低于继电控制器；⑦输入为交流115V（符合美国交流电压标准）；⑧输出为交流115V／2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；⑨在扩展时，原有系统变更最少；⑩用户程序存储器至少要可扩展到4KB。2．可编程控制器的基本结构图8-3可编程控制器基本结构图1）中央处理单元2）输入单元与输出单元3）电源4）外部设备3．可编程控制器的工作原理1）自诊断2）输入刷新3）用户程序执行4）输出刷新图8-4典型的可编程控制器

图8-4典型的可编程控制器

工作流程图如图8-4所示是一种典型的可编程控制器工作流程图。4．可编程控制器的主要技术指标可编程控制器技术指标可分为硬件指标与软件指标两大类。一般来说，主要的技术指标包括以下几个方面。1）微处理器类型2）存储器容量3）I/O点数4）扫描速度5）编程软件6）扩展功能8.3嵌入式系统在各种各样的计算机控制系统中，除了采用工控机、可编程控制器等现成的计算机系统外，有时“量身定做”的专用计算机系统能更好地满足实际应用的需求。嵌入式系统非常适合于设计成专用的计算机系统，因而它也是控制系统设计中计算机系统的选择之一。8.3.1嵌入式系统简介1.嵌入式系统的定义2．嵌入式系统的分类根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。1）按微处理器位数分类2）按应用类别分类3）按系统的实时性分类嵌入式系统基本上可以看成是一个实时系统。但是，按照系统对实时性要求的程度，可以分为硬实时系统和软实时系统两类。3．嵌入式系统呈现的特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。在实际应用中，一些嵌入式系统可能需要具有实时性、安全性和可用性；另一些系统则可能淡化这些性能要求，更着重于可靠性和可配置性；还有一些系统对性能要求不高，但对功耗及成本限制严格。因此，不同的嵌入式系统应用，其特征有时会呈现出较大的不同。下面介绍嵌入式系统的主要特征。1）技术综合2）专用紧凑3）安全可靠4）形式多样4．嵌入式系统的现状与发展尽管半导体技术的发展使微处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增大，但在大多数嵌入式系统应用中，存储空间仍然是宝贵的。为此要求程序编写质量要高，以减少程序代码长度，提高执行速度，满足实时性要求。在实际应用环境中，嵌入式系统处理的外部事件往往不是单一的，而且这些事件随机发生，也可能同时出现，因此，嵌入式处理还具有多任务分布和并发的特点。在这种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执行的关键。嵌入式系统是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一种微处理器和操作系统能一统天下，嵌入式系统的发展方兴未艾。8.3.2嵌入式系统开发步骤由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，因此对嵌入式系统的设计也从硬件和软件两个方面来着手。硬件部分包括嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和输入/输出接口（A/D、D/A、I/O等）。在一个嵌入式微处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路（可选项），就构成一个嵌入式核心控制模块。软件部分则包括嵌入式操作系统的选择和应用程序的开发。1．系统的功能定义2．系统总体设计3．硬件、软件的设计与开发4．硬件、软件的集成与测试5．现场运行8.3.3嵌入式系统的硬件设计1．嵌入式微处理器的选择嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件部分的核心。嵌入式微处理器与通用微处理器最大的不同在于，嵌入式微处理器大多工作在特定的专用系统中，它集成了通用计算机系统中许多由板卡或其他专用芯片完成的功能，从而有利于嵌入式系统设计时结构紧凑化，同时还能提高系统的设计效率和可靠性。下面是几大类嵌入式微处理器的简要介绍，以供参考。嵌入式微处理器通常可以划分成几种类型，但这种划分并不是非常严格，有些嵌入式微处理器可能同时兼具几种类型的特点，大体上，嵌入式微处理器可以划分成4种类型：嵌入式微控制器MCU（MicroControllerUnit）、嵌入式微处理器MPU（MicroProcessorUnit）、嵌入式数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）及嵌入式片上系统SOC（SystemOnChip）。1）嵌入式微控制器MCU2）嵌入式微处理器MPU3）嵌入式数字信号处理器DSP4）嵌入式片上系统SOC2．外围设备的选取在确定了使用哪种类型的嵌入式微处理器内核以后，接下来就是结合实际情况，考虑系统外围设备的需求情况，选择一款包含有相应外设、接口的微处理器。下面列出了在嵌入式系统中常用外围设备的选取项目：系统总线通用异步串行接口（UART）USB总线接口以太网接口I2C音频D/A连接的IIS总线接口工业控制现场总线（如CAN总线等）接口A/D或者D/A转换器PIO控制接口另外，嵌入式微处理器的寻址空间大小、有没有片上的Flash存储器、微处理器是否容易调试、仿真调试工具的成本和易用性等相关信息都需要详细了解，并根据需要加以选择。当然，在实际应用中需要考虑选取的项目还不止这些，挑选合适的硬件是一项较复杂的工作，需要考虑各种各样的问题，包括环境、其他设备的影响等。8.3.4嵌入式系统的软件设计1．嵌入式软件的特点嵌入式系统的软件是指应用在嵌入式计算机系统中的各种软件。在嵌入式系统的发展初期，软件的种类很少，规模也很小，开发的工具也相对简单，软件只是整个系统的附属品。随着嵌入式系统的广泛应用与发展，嵌入式系统的软件种类、规模及开发工具都有了很大的发展与提高。有别于计算机通用软件，嵌入式软件逐步形成了一个完整、独立的体系。因此，嵌入式软件除具有通用软件的一般特性外，同时还具有一些与嵌入式系统密切相关的特点。1）规模较小2）开发难度相对较大3）实时性和可靠性要求高4）固化存储2．嵌入式软件的体系结构1）没有操作系统的环境（1）循环轮转方式（2）前后台系统2）有操作系统的环境从20世纪80年代开始，部分嵌入式软件开始使用操作系统。具有操作系统的应用环境，程序员在开发应用程序时，不是直接编程操控硬件设备，而是在操作系统的基础上编写代码，同时嵌入式软件的开发环境也得到了一定的提升。现在，在许多嵌入式系统应用中，操作系统用得越来越多，尤其是在系统功能复杂、庞大的情况下，使用操作系统的优势明显。采用嵌入式操作系统能带来以下好处。（1）提高系统的可靠性（2）提高系统的开发效率（3）有利于系统的扩展和移植8.3.5嵌入式操作系统的简介与选用嵌入式操作系统有时也称为嵌入式实时操作系统（EmbeddedReal-TimeOperationSystem，即ERTOS，简称RTOS），当然，后一种叫法是在强调操作系统的实时性。关于嵌入式操作系统，我们可以简单地认为它就是一个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，它负责在硬件基础上提供给应用软件一个功能强大的运行环境，所有的应用程序都建立在它上面。如何根据具体的应用需求选用合适的嵌入式操作系统，就成为嵌入式系统开发的一个重要环节。1．嵌入式操作系统的几个重要概念1）占先式内核2）任务调度策略3）任务优先级4）时间的可确定性5）任务切换时间6）中断响应时间（可屏蔽中断）7）优先级逆转8）任务执行时间的抖动各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功能。优先级的不同、延时请求发生的时间、发出延时请求的任务自身的运行延迟等，都会造成被延时任务执行时间不同程度的提前或滞后，这种现象称为任务执行时间的抖动，这种现象会降低系统的实时性。为了克服任务执行时间的抖动，可以采取如下的措施：提高微处理器时钟节拍的频率；重新安排任务的优先级；避免使用浮点运算。在强实时系统中，必须综合考虑，充分利用各种手段，以尽量减少任务执行时间的抖动。9）任务划分I/O原则：不同的外设，执行不同任务。优先级原则：不同优先级，处理不同的任务。大量运算：归为一个任务。功能耦合：归为一个任务。偶然耦合：归为一个任务。频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的频率。2．嵌入式操作系统的分类嵌入式操作系统可以按照系统的应用情况、实时特性和体系结构等几个方面进行分类。1）按系统的应用情况分类（1）商业化系统（2）专用系统（3）开源系统2）按实时特性分类（1）硬实时系统（2）软实时系统3）按体系结构分类按照软件的体系结构不同，可以把嵌入式操作系统分为单体结构、分层结构及微内核结构等几种类型。它们之间的差别主要表现在两个方面：一是内核的设计，即在内核中包含了哪些功能组件；二是在系统中集成了哪些其他的系统软件，如设备驱动程序、中间件等。图8-5单体结构的系统框图（1）单体结构图8-5单体结构的系统框图（2）层次结构（3）微内核结构微内核结构，也可称为客户机-服务器（Client/Server，C/S）结构，这类系统的大部分功能都被剥离出去，只保留最核心的功能模块（如进程管理、存储管理等），因此，其内核非常小。如图8-7所示为微内核结构的系统框图。图8-6层次结构的系统框图图8-7微内核结构的系统框图从实际使用的效果来看，嵌入式操作系统的体系统结构还有许多其他的结构类型，如构件化结构、抢占式多任务结构、双核或多核结构等，这里不再一一介绍。3．典型的嵌入式操作系统嵌入式操作系统发展至今，有数百种之多。由于应用领域十分广泛，许多种类的嵌入式操作系统只有专业的开发应用技术人员才熟悉。但是，几乎所有流行的嵌入式操作系统都有着明显的共同特征：内核小巧而可靠，易于Flash固化，并可模块化扩展；趋向于使用连续的存储空间；尽管不同系统所用的任务调度算法多种多样，但绝大多数都是由单一比率调度算法（RMS）和最早期限优先算法（EDF）演变而来的。下面介绍一些典型的嵌入式操作系统，为嵌入式系统的学习、选用提供参考。1）VxWorksVxWorks的突出特点是良好的可靠性、实时性和可裁剪性。它广泛地应用于通信、军事、航天、航空等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。它的主要特点如下。微小内核结构：最小结构可小于8KB。微秒级中断处理。高效的任务管理：256级任务优先级，优先抢占和轮转调度策略，快速、确定的上下文转换时间。支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、MC68xxx、MIPSRX000、PowerPC等。符合POSIX1003.1b实时扩展标准。支持TCP/IP网络协议。可以灵活地从ROM、磁盘或者网络上引导系统。支持MS-DOS和RT-11文件系统。支持ANSIC标准。2）WindowsCE3）嵌入式Linux自由开源软件嵌入式Linux正逐步进入主流的嵌入式操作系统行列。嵌入式Linux可以移植到多个有不同结构的CPU硬件平台上，具有良好的稳定性、升级能力。它在智能数字终端领域、移动计算平台、智能工控设备、金融业终端系统甚至军事领域都有很好的应用。在嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化的形势下，嵌入式Linux有着得天独厚的优势，其优势主要表现在以下几个方面。①开放源码，不存在黑箱技术，易于定制剪裁，具有丰富的软件资源。②内核小，功能强大，运行稳定，系统健壮，效率高。③可支持x86、PowerPC、ARM、Xscale、MIPS、SH、68K、Alpha、Sparc等多种体系结构的硬件平台。④沿用UNIX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，且在价格上极具竞争力。⑤内核结构在网络方面非常完整，提供了对十兆位、百兆位、千兆位以太网，无线网络，令牌环网，光纤网甚至卫星等多种连网方式的全面支持。⑥在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，表现非常出色。目前，国际上许多大型跨国企业、大学及研究机构不断加入嵌入式Linux的开发、研究行列，稳定成熟的嵌入式Linux产品不断涌现，种类繁多，各具特点。显然，Linux作为开发嵌入式产品的操作系统，具备巨大潜力。下面简单介绍两个典型的系统。（1）RTLinux（2）CLinux4）QNXQNX是一个分布式、可扩充的实时操作系统。它是在x86体系上开发出来的适合于多种体系结构的CPU，它部分遵循POSIX相关标准，如POSIX.1b实时扩展。QNX是一个微内核结构的操作系统，其内核非常小巧（QNX4.x大