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基于μC／OS-II的光盤(pán)伺服控制系統的設計
摘要：介紹以Hitachi公司的H8S/2357F作為控制處理器，μC／OS-II作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的光盤(pán)伺服控制系統的設計和實(shí)現。該設計可以實(shí)現CD-ROM、CD-R/RW和DVD的伺服功能，適用于光盤(pán)伺服控制系統，具有便于維護、易于擴展等優(yōu)點(diǎn)，對于支持多格式光盤(pán)的驅動(dòng)器和播放器的實(shí)現，具有重要的參考價(jià)值。光盤(pán)伺服控制系統是典型的光機電一體化的控制系統，是光盤(pán)驅動(dòng)器和ＣＤ／ＶＣＤ／ＤＶＤ播放器的重要組成部分。目前業(yè)界普遍采用單片機與伺服控制數字信號處理器配合實(shí)現的結構，已可單片化（將單片機和伺服控制數字信號處理器集成在一塊芯片上）實(shí)現光盤(pán)伺服控制系統。不論是芯片組的形式，還是單片化的形式，都少不了以板級控制軟件（也稱(chēng)為固件）實(shí)現控制系統。目前普遍采用的方案是利用運行于單片機的小型嵌入式操作系統實(shí)現光盤(pán)伺服系統。
為采用自行研發(fā)的光盤(pán)伺服信號處理器實(shí)現支持多格式光盤(pán)的伺服控制系統，筆者對光盤(pán)伺服控制系統做了比較深入的研究。本文介紹了一種以Ｈｉｔａｃｈｉ的Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ作為控制處理器，μＣ／ＯＳ－ＩＩ作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的光盤(pán)伺服控制系統的設計和實(shí)現。
１ 光盤(pán)伺服控制系統的硬件設計
光盤(pán)伺服控制系統的硬件設計如圖１所示。該設計采用自行研發(fā)的伺服數字信號處理器、Ｈｉｔａｃｈｉ公司的Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ高性能１６位微控制器、ＡＫＭ公司的ＡＫ８５６６、ＴＩ公司的ＳＳＩ３７３６等芯片實(shí)現ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的伺服功能。并在該系統中完成對自行研發(fā)的光盤(pán)伺服數字信號處理器設計的驗證，為光盤(pán)伺服系統的產(chǎn)品化做好準備。
２ 光盤(pán)伺服控制系統的軟件設計
系統分析和軟件設計是光盤(pán)伺服控制系統實(shí)現的難點(diǎn)之一，設計的優(yōu)劣關(guān)系到系統的讀碟能力、使用壽命、穩定性、擴展性、維護性等性能。因為要兼顧ＤＶＤ、ＣＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ等光盤(pán)格式和各種不同的機械參數的設置，伺服控制軟件的設計變得相對復雜。為了使控制邏輯明了和易于實(shí)現，采用在Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ上運行μＣ／ＯＳ－ＩＩ實(shí)現光盤(pán)伺服控制系統是一個(gè)比較好的選擇。Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ的資源比較豐富，μＣ／ＯＳ－ＩＩ在Ｈ８上可以很好地運行，易于系統的開(kāi)發(fā)。
光盤(pán)伺服系統設計的關(guān)鍵是分析光盤(pán)伺服系統，把各個(gè)功能在μＣ／ＯＳ－ＩＩ核的基礎上建立起來(lái)，使其有機協(xié)調地運轉，實(shí)現光盤(pán)伺服控制系統。
圖3 執行態(tài)的子系統之間的通信和切換關(guān)系
２．１ μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統
μＣ／ＯＳ－ＩＩ是由ＪＥＡＮ Ｊ．ＬＡＢＲＯＳＳＥ編寫(xiě)的一個(gè)源代碼公開(kāi)、可免費使用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。它是μＣ／ＯＳ的一個(gè)升級版本。從最老的μＣＯＳ到最新的μＣ／ＯＳ－ＩＩ，已有十多年的歷史。它的特點(diǎn)主要有：公開(kāi)源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等。μＣ／ＯＳ－ＩＩ面向中小型嵌入式系統，是基于優(yōu)先級搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，包含了實(shí)時(shí)內核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號量、郵箱、消息隊列）和內存管理等功能，絕大部分代碼用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)，與硬件相關(guān)部分用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。
基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的應用系統工作時(shí)，首先把ＣＰＵ初始化；接著(zhù)進(jìn)行操作系統初始化，主要完成任務(wù)控制塊（ＴＣＢ）初始化、ＴＣＢ優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng )建等；然后開(kāi)始創(chuàng )建新任務(wù)，并可在新創(chuàng )建的任務(wù)中再創(chuàng )建其他的新任務(wù)；最后調用ＯＳＳＴＡＲＴ（）函數啟動(dòng)多任務(wù)調度。
２．２ 光盤(pán)伺服系統的分析
對光盤(pán)伺服控制系統的設計和實(shí)現已有一些參考資料。根據μＣ／ＯＳ－ＩＩ的特點(diǎn)和光盤(pán)伺服系統工作的具體情況，筆者將實(shí)現的光盤(pán)伺服系統分為三個(gè)運行狀態(tài)：Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｓｔａｔｅ（上電態(tài)）、Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ（空閑態(tài)）、Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ Ｓｔａｔｅ（執行態(tài)）。圖２表示了設定的三個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系和進(jìn)入各個(gè)狀態(tài)的條件。三個(gè)狀態(tài)中，執行態(tài)最為復雜。為了把復雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，把執行態(tài)劃分為三個(gè)子系統：Ｈｏｓｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＨＩＳ)、Ｂｕｆｆｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ(ＢＭ)、 Ｄｉｓｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＤＩＳ)。圖３表示了這三個(gè)子系統之間的聯(lián)系和進(jìn)入跳出各個(gè)子系統的條件。圖４表示了子系統之間的狀態(tài)變化及其條件，比較明晰地表示了執行態(tài)的實(shí)現過(guò)程。
圖4 執行態(tài)子系統的任務(wù)狀態(tài)運行關(guān)系
２．３ 伺服系統的軟件結構
經(jīng)過(guò)如上分析，光盤(pán)伺服系統初始化后，創(chuàng )建了五個(gè)任務(wù)：Ｈｏｓｔ Ｔａｓｋ（主機任務(wù)）、Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ Ｔａｓｋ（串口任務(wù)）、Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｔａｓｋ（讀盤(pán)任務(wù)）、Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｔｅ Ｔａｓｋ（寫(xiě)盤(pán)任務(wù)）、Ｓｅｒｖｏ Ｔａｓｋ（伺服任務(wù)）。任務(wù)間通過(guò)Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ（信號量）和Ｍａｉｌｂｏｘ（郵箱）進(jìn)行通信，實(shí)現交互控制和任務(wù)的切換。圖５表明了這五個(gè)任務(wù)之間的關(guān)系。
圖5 光盤(pán)伺服系統的任務(wù)結構框圖
下面給出主程序的框架：
ｖｏｉｄ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)
{
／／初始化處理器和硬件
……
／／產(chǎn)生任務(wù)
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｖｏＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｖｏＴａｓｋＳｔｋ[５１１],４);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＤｉｓｃＷｒＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)0,
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