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光機電一體化設備的嵌入式控制技術(shù)應用研究
隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的不斷迸步，不同學(xué)科問(wèn)的交叉與滲透日益增多，且不斷發(fā)展。在工程領(lǐng)域。由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展及其向機械工業(yè)技術(shù)的不斷滲透，形成了所謂的機電一體化技術(shù)。
從而使機械工業(yè)的技術(shù)結構、產(chǎn)品結構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化。在機電一體化技術(shù)領(lǐng)域中引入嵌入式系統技術(shù)，將更加促進(jìn)機電一體化技術(shù)的發(fā)展。機電一體化設備的嵌入式控制技術(shù)是嵌入式系統技術(shù)與機電一體化技術(shù)的結合，即將嵌入式系統技術(shù)應用于機電一體化中.具體的說(shuō)就是把嵌入式系統開(kāi)發(fā)和設計的相關(guān)理論、技術(shù)引入到機電一體化系統的開(kāi)發(fā)和設計中，建立以嵌入式微處理器(或微控制器)為核心，以高性能、高可靠性的硬件和軟件為保障的機電一體化設備嵌入式控制系統，在滿(mǎn)足被控機械對象的復雜控制要求的同時(shí)滿(mǎn)足現代工業(yè)對于設備智能化、網(wǎng)絡(luò )化的需求.本文研究了機電一體化嵌入式控制技術(shù)的相關(guān)設計方法和應用，在此基礎上，研制了針對光機電一體化設備的新型電控系統，并將該電控系統應用到數碼印刷一體機中。
在內容安排上，本文首先介紹了機電一體化技術(shù)及其發(fā)展狀況，闡述嵌入式系統技術(shù)及其相關(guān)的知識，描述了且前嵌入式系統在機電一體化設備中的一些應用。隨后，本文對機電一體化設備嵌入式控制系統的結構進(jìn)行了分析，給出了機電一體化嵌入式控制系統的分層整體框架;分析了機電一體化嵌入式控制系統的設計的一些特點(diǎn);重點(diǎn)研究了一種基于分層和模塊化的機電一體化嵌入式控制系統設計方法，并對其中的基于可重用的軟件模塊設計方法的設計思想和設計流程作了詳細分析。
然后，在上面介紹的機電一體化嵌入式控制系統整體框架基礎上，對機電一體化設備的特點(diǎn)和需求進(jìn)行了詳細分析，應用以ARM+DSP為處理核心的硬件模塊設計方法和基于可重用的軟件模塊設計方法，設計了一種針對光機電一體化設備的新型智能電控系統。
本文最后介紹將新型智能電控系統應用于實(shí)際設備上的詳細過(guò)程。首先分析了一種現代辦公設備：數碼印刷一體機的技術(shù)特點(diǎn)，以及目前國內外在這方面的技術(shù)進(jìn)展：然后對數碼印刷一體機進(jìn)行硬件和軟件的需求分析;詳細介紹了將新型智能電控系統應用在數碼印刷一體機上的實(shí)現過(guò)程;最后總結了新型電控系統設計和應用中的關(guān)鍵技術(shù)：抗干擾技術(shù)。
由于新型電控系統在設計之初就采取模塊化的設計，所以在應用過(guò)程中，只需要對模塊進(jìn)行增減，非常方便。應用了新型電控系統的數碼印刷一體機工作穩定可靠，性能先進(jìn)，現已大批量投入實(shí)用。
關(guān)鍵詞： 機電一體化。嵌入式控制技術(shù)，ARM，設計方法，數碼印刷一體機，抗干擾技術(shù)
1、緒論
1.1引言
機電一體化(Mecha垃onics)技術(shù)是微電子技術(shù)向傳統機械工程滲透而形成的融合機械工程、電氣工程、計算機科學(xué)、信息技術(shù)等為一體的新興綜合技術(shù)。
以機電一體化技術(shù)為代表的現代制造技術(shù)，極大地推動(dòng)了經(jīng)濟、社會(huì )的發(fā)展進(jìn)步，改變了人們的傳統觀(guān)念。二十一世紀的機電一體化技術(shù)，日益向小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，而這正是嵌入式系統技術(shù)的優(yōu)勢所在.嵌入式系統(Embedded System)技術(shù)最早出現于二十世紀七八十年代，起初是為了將通用計算機引入到某些特定的對象系統中，如船舶自動(dòng)駕駛、工業(yè)生產(chǎn)檢測系統等。后來(lái)由于半導體技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步，嵌入式系統技術(shù)獲得蓬勃發(fā)展，在工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò )通信、消費類(lèi)電子、信息家電等領(lǐng)域獲得廣泛應用，現已被認為是二十一世紀最有生命力的新技術(shù)之一。嵌入式系統雖然發(fā)端于通用計算機系統，但實(shí)際上現在各種各樣的嵌入式系統數量已遠遠超過(guò)通用計算機系統。據統計，全球每年生產(chǎn)的CPU的數量大概在二十億顆左右，其中大部分是為各種專(zhuān)用性很強的嵌入式系統設計和制造的。
機電一體化嵌入式控制技術(shù)即是機電一體化技術(shù)與嵌入式系統技術(shù)的結合，是將嵌入式系統技術(shù)應用于機電一體化設備的控制當中。具體的說(shuō)就是把嵌入式系統開(kāi)發(fā)和設計的相關(guān)理論、技術(shù)引入到機電一體化系統的開(kāi)發(fā)和設計中，建立以嵌入式微處理器(或微控制器)為核心，以高性能、高可靠性的硬件和軟件為保障的嵌入式系統，在滿(mǎn)足被控機械對象的復雜控制要求的同時(shí)滿(mǎn)足現代工業(yè)對于設備智能化、網(wǎng)絡(luò )化的需求.其實(shí)在社會(huì )生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，數控機床、工業(yè)機器人、自動(dòng)化辦公設備、智能玩具等使用嵌入式系統技術(shù)的先進(jìn)設備正在迅速改變傳統的工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生活方式。而上述設各都可以看作是機電一體化技術(shù)和嵌入式系統技術(shù)相結合的產(chǎn)物。
1.2機電一體化技術(shù)及其發(fā)展概況
1.2.1機電一體化
機電一體化是指在機構的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來(lái)所構成的系統的總稱(chēng)。機電一體化是現代工程技術(shù)的前沿，它是一個(gè)多門(mén)基礎應用學(xué)科共同產(chǎn)生的新的工程技術(shù)學(xué)科。它的技術(shù)基礎是現代的機械制造技術(shù)和電子控制技術(shù)，以及迅猛發(fā)展的電腦軟件技術(shù)。它的應用所生產(chǎn)的產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛出現在全世界。d,N體內微血管手術(shù)機器人，大到航天飛機，空間站。它已經(jīng)從機械工程的附屬學(xué)科，獨立成為了前沿科學(xué)。它代表了～個(gè)國家科學(xué)技術(shù)的整體發(fā)展水平的一個(gè)方面。“機電一體化的基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，綜合運用機械技術(shù)(包含氣動(dòng)和液壓技術(shù))、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據系統功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統最優(yōu)化的系統工程技術(shù)。
因此，“機電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面.只不過(guò)，機電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動(dòng)檢測、自動(dòng)處理信息、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調節與控制自動(dòng)診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區別。
1.2.2機電一體化的發(fā)展狀況
機電一體化的發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段。20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱(chēng)為初級階段。在這一時(shí)期，人們自覺(jué)或不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機械產(chǎn)品的性能.特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結合，這些機電結合的技術(shù)，戰后轉為民用，對戰后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時(shí)研制和開(kāi)發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。
由于當時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術(shù)與電子技術(shù)的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品也無(wú)法大量推廣。
20世紀70年代～90年代為第二階段，可稱(chēng)為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎。這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：(甄nechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認;②機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展;③各國均開(kāi)始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。. 。
20世紀90年代后期，開(kāi)始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機電一體化技術(shù)開(kāi)辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學(xué)體系.我國是從20世紀80年代初才開(kāi)始在這方面研究和應用。國務(wù)院成立了機電一體化領(lǐng)導小組并將該技術(shù)列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機電一體化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和由此可能帶來(lái)的影響。許多大專(zhuān)院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應用做了大量的工作，取得了一定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當差距。
1.3嵌入式系統及其技術(shù)研究現狀
自從上世紀七十年代最初的基于單片機的嵌入式系統產(chǎn)生以來(lái)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，嵌入式系統已經(jīng)深入到當今世界的每個(gè)角落。人們現在已經(jīng)習慣了依賴(lài)個(gè)人電腦，如果沒(méi)有了電腦，大概會(huì )讓人覺(jué)得無(wú)所適從�？梢鞘澜缟蠜](méi)有了嵌入式系統，這個(gè)世界馬上會(huì )陷入一片混亂!試想一下，世界上所有含有嵌入式系統的設備都停止工作，會(huì )是什么樣子?在家里，我們會(huì )發(fā)現電視機、DVD不能播放;冰箱溫度混亂，食物很快壞掉;微波爐不能工作，連洗衣機都開(kāi)始罷工l在街上，汽車(chē)無(wú)法發(fā)動(dòng)，我們只有步行，可是紅綠燈完全失效，整個(gè)城市的交通迅速癱瘓f天上的飛機沒(méi)有導航設備，怎么還能飛行?所以雖然我們看不見(jiàn)嵌入式系統，但是嵌入式系統確實(shí)無(wú)處不在!那么究竟什么是嵌入式系統?
1.3.1嵌入式系統的定義
由于嵌入式系統無(wú)處不在，不同的嵌入式系統針對目標不一樣，導致嵌入式系統的專(zhuān)用性非常強。比如微波爐中的嵌入式系統和火星車(chē)上的嵌入式系統，兩者除了都包含一個(gè)嵌入式微處理器之外，幾乎沒(méi)有任何相同點(diǎn)。嵌入式系統強烈的多樣性和專(zhuān)用性導致很難給嵌入式系統下～個(gè)全面并且準確的定義，通常我們只是從某一個(gè)方面對嵌入式系統下一個(gè)定義，從另外一個(gè)方面來(lái)看，有需要下不同的定義。下面介紹兩種比較通用的定義。
嵌入式系統是控制、監視或者輔助設備、機器和車(chē)間運行的裝置。嵌入式系統是：以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎，軟件硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。
前一種定義是IEEE對嵌入式系統的定義，主要是從應用的角度對嵌入式系統作了一個(gè)比較籠統的總結。按照這種定義，嵌入式系統包括了軟件和硬件，甚至連機械部件等附屬裝置也屬于嵌入式系統的一部分。
第二種定義是國內目前普遍被認同的定義，主要從技術(shù)的角度出發(fā)，限定了嵌入式系統的內涵�？梢詮囊韵聨讉�(gè)方面來(lái)理解國內對嵌入式系統的定義：
木嵌入式系統是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會(huì )具有生命力、才更具有優(yōu)勢.可以這樣裂解上述三個(gè)方面的含義，即嵌入式系統是與應用緊密結合的，他具有很強的專(zhuān)用性，必須結合實(shí)際系統需求進(jìn)行合理的裁減利用。
木嵌入式系統是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng )新的知識集成系統。嵌入式系統必須根據應用需求可對軟硬件進(jìn)行參見(jiàn)，滿(mǎn)足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應各種需要的系統，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。
同時(shí)還應該看到，嵌入式系統本身還是一個(gè)外延極廣的名詞。凡是與產(chǎn)品結合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統都可以叫做嵌入式系統，而且有時(shí)很難給它下一個(gè)準確的定義。上面介紹的兩種定義是目前國內外比較通用的說(shuō)法，隨著(zhù)嵌入式系統學(xué)科研究的進(jìn)步，以后也可能會(huì )發(fā)展出更準確更全面的定義。
1.3.2嵌入式處理器
從硬件方面來(lái)講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統硬件中的最核心的部分.目前，世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結構包括MCU、MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發(fā)展前景，很多半導體制造商都開(kāi)始大規模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經(jīng)成了未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA，品種越來(lái)越多，性能越來(lái)越強，價(jià)格越來(lái)越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到數GB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝從幾個(gè)引腳到幾百個(gè)引腳不等。
從分類(lèi)上來(lái)講，嵌入式處理器可以分成下面幾類(lèi)：
1、嵌入式微處理器(Microprocessor Unit，MPU)
嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專(zhuān)門(mén)設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿(mǎn)足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線(xiàn)接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術(shù)保密性也比較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線(xiàn)、外設等安裝在一塊電路板上，成為單板計算機。如STD—BUS、PCI04等。近年來(lái)，德國、日本的一些公司又開(kāi)發(fā)出類(lèi)似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。嵌入式微處理器主要有Aml86/88、386EX、SC--400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/S仃ongARM系列等。其中ARM/StrongARM是專(zhuān)為手持設備開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位，現在應用非常廣泛。圖1.1就是Intel公司基于StrongARM結構的嵌入式微處理器SA--1100。
2、嵌入式微控制器(Mieroeontroller Unit，MCU)
嵌入式微控制器又稱(chēng)單片機，顧名思義，就是將整個(gè)計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核威核心，芯片內部集成ROM/EEPROM、RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)，計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個(gè)系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。
和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱(chēng)微控制器。
嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS一25l、MCS--96/196，296、C166/167、MC68HC05/ll/12/16、68300、數目眾多的ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場(chǎng)份額。
圖1.2所示LPC213x，是Phitips公司2005年推出的基于A(yíng)RM7TDMI--S結構的32位嵌入式微處理器系列。
3、嵌入式DSP處理器(DigitaI Signal Processor，DSP)
DSP處理器對系統結構和指令進(jìn)行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、頻譜分析等方面dSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。
DSP的理論算法在20世紀70年代就已經(jīng)出現，但是由于專(zhuān)門(mén)的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分離元件事先。MPU較低的處理速度無(wú)法滿(mǎn)足DSP的算法要求，其應用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算的速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用.至80年代中期，隨著(zhù)CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到了成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進(jìn)一步提高，應用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。目前最為廣泛應用的DSP是11的TMS320C20001C5000系列，另外如Intel的MCS--296和Siemens的TfiCore也有各自的應用范圍。圖l-3是1rI公司的16位DSP芯片1MS320C54x系列
4、嵌入式片上系統(System On Chip)
隨著(zhù)EDI的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現一個(gè)更為復雜的系統的時(shí)代己經(jīng)來(lái)臨，這就是System On chip(SOC)。各種通用處理器內核作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL、VerilogHDL等語(yǔ)言描述，存儲在中間件庫中。用戶(hù)只需定義出整個(gè)應用系統，仿真通過(guò)后就可以將設計圖交給半導體工廠(chǎng)制作樣品。這樣除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對于減小體積和功耗、提高可靠佳、提高設計生產(chǎn)效率非常有利。
由于SOC往往是專(zhuān)用的，所以大部分都不為用戶(hù)所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore、Motorola的M--Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。
5、片上可編程系統(System On Programmable Chip，SOPC)
隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，促使集成電路向高速、高集成度、低功耗的系統集成方向發(fā)展，SOPC是現代電子技術(shù)和電子系統設計的匯聚點(diǎn)和發(fā)展方向。
它將傳統的EDA技術(shù)、計算機系統、嵌入式系統、數字信號處理技術(shù)、數字通信系統以及自動(dòng)控制系統等技術(shù)融為一體，在結構上凝為一片。SOPC綜合了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍FO器件及可編程邏輯，用戶(hù)可以利用SOPC平臺自行設計高速、高性能的DSP處理器或特定功能的CPU處理器，從而使電子系統設計進(jìn)入一個(gè)全新的模式。
目前在SOPC領(lǐng)域，美國ALTERA公司一直處于前沿和領(lǐng)先位置，其N(xiāo)ios嵌入式處理器已經(jīng)成為軟核式SOPC的標準。圖1.4是ALTERA公司2006年3月最新推出的FPGA芯片SWafixⅡGX，支持NiosⅡ軟核處理器，具有20個(gè)低功耗同類(lèi)最佳嵌入式收發(fā)器，工作速率高達6.375 Gbps。
1.3.3嵌入式操作系統
在一個(gè)嵌入式系統中，如果這個(gè)系統比較復雜，需要管理的任務(wù)、資源比較多，這時(shí)就顯現出了引入嵌入式操作系統的必要性。嵌入式操作系統可以用來(lái)對內存，任務(wù)和對周邊的資源進(jìn)行有效的管理和統一的控制。本節講述了一些嵌入式操作系統的概念。
一、前/后臺系統m。
對于不復雜的小型嵌入式系統，這種系統可稱(chēng)為前/后臺系統(foreground/background)或超循環(huán)系統(super-loops)。應用程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數完成相應的操作，這部分可以看成后臺行為(background)。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為(foreground)。后臺也可以叫做任務(wù)級，前臺也叫做中斷級.時(shí)間相關(guān)性很強的關(guān)鍵操作(critical operation)一定是靠中斷服務(wù)來(lái)保證的。因為中斷服務(wù)提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個(gè)信息時(shí)，才能得到處理。這種系統在處理信息的及時(shí)性上，實(shí)際體現出來(lái)的性能比需求要低一些。處理信息的及時(shí)性，稱(chēng)作任務(wù)級響應時(shí)間。
最壞情況下的任務(wù)級響應時(shí)間取決于整個(gè)循環(huán)的執行時(shí)間。因為循環(huán)的執行時(shí)間不是常數，程序經(jīng)過(guò)某一特定部分的準確時(shí)間也是不能確定的。進(jìn)而，如果程序修改了，循環(huán)的時(shí)序也會(huì )受到影響。
前/后臺系統在嵌入式系統技術(shù)出現的早期，以及許多比較簡(jiǎn)單，或者對于代碼空間要求非常嚴格的嵌入式系統中有廣泛的應用。同時(shí)也具備了一個(gè)現代操作系統的初步結構，比如任務(wù)的調度，資源的分配，但是前/后臺系統并不是嚴格意義上的嵌入式操作系統。前/后臺系統的缺點(diǎn)不容忽視：多任務(wù)處理能力差;在現在越來(lái)越復雜，可供調配的資源越來(lái)越多的嵌入式系統中無(wú)法充分發(fā)揮系統性能。’
二、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。
由于前，后臺系統的種種弊端，從80年代早期開(kāi)始，嵌入式系統的程序員開(kāi)始用商業(yè)級的“操作系統”編寫(xiě)嵌入式應用軟件，這使得開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本并提高開(kāi)發(fā)效率。1981年，Ready System開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)商業(yè)嵌入式實(shí)時(shí)內核(V1Rx32)。這個(gè)實(shí)對內核包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務(wù)管理、人物件通信、同步與互斥、中斷支持、內存管理等功能。90年代以后，隨著(zhù)對實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規模不斷上升，實(shí)時(shí)內核逐漸發(fā)展為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(RrOS).實(shí)時(shí)操作系統(Real--Time Operating System)是嵌入式操作系統目前最主要的組成部分。根據操作系統的工作特性，實(shí)時(shí)是指物理進(jìn)程的真實(shí)時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統具有實(shí)時(shí)性，能從硬件方面支持實(shí)時(shí)控制系統工作的操作系統。其中實(shí)時(shí)性是第一要求，需要調度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，其次才著(zhù)眼于提高嵌入式系統的使用效率。實(shí)時(shí)操作系統的重要特點(diǎn)是通過(guò)任務(wù)調度來(lái)來(lái)滿(mǎn)足對于重要事件在規定的時(shí)間內做出正確的響應。
Stankovic在1988年給出了實(shí)時(shí)系統的定義，“實(shí)時(shí)系統是這樣一種系統，即系統執行的正確性不僅取決于計算的邏輯結果，而且還取決于結果的產(chǎn)生時(shí)間。”
實(shí)時(shí)系統又可以分為“硬實(shí)時(shí)系統”和“軟實(shí)時(shí)系統”。硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)的區別就是在于對外界的事件作出反應的時(shí)間。硬實(shí)時(shí)系統必須是對及時(shí)的事件作出反應，絕對不能錯過(guò)時(shí)間處理的時(shí)限。硬實(shí)時(shí)系統中如果出現了這樣的情況就意味著(zhù)巨大的損失和災難。比如說(shuō)航天飛機的控制系統，如果出現故障，其后果不堪想象。
軟實(shí)時(shí)系統是指，如果在系統負荷較重的時(shí)候，允許發(fā)生錯過(guò)時(shí)限的情況而且不會(huì )造成太大的危害.比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。
硬實(shí)時(shí)系統和軟實(shí)時(shí)系統實(shí)現的區別主要是在選擇調度算法上。對于軟實(shí)時(shí)系統，選擇基于優(yōu)先級調度的算法足以滿(mǎn)足軟實(shí)時(shí)系統的需求，而且可以提供高速的響應和大的系統吞吐量;而對硬實(shí)時(shí)系統來(lái)說(shuō)，需要使用的算法就應該是調度方式簡(jiǎn)單，反應速度快的實(shí)時(shí)調度算法。個(gè)商業(yè)的RTOS必須具有以下兩個(gè)評價(jià)指標：中斷響應時(shí)間，指從中斷發(fā)生到相應的IS臌中斷服務(wù)程序)運行的時(shí)間間隔。中斷響應時(shí)間與應用程序相匹配，而且是可預測的。如果同一時(shí)間有多個(gè)中斷發(fā)生，則中斷響應時(shí)間的數量級要增加。臨界情況執行時(shí)間(Worst-Case Execution Time，’WCET)表示每個(gè)系統任務(wù)調用的時(shí)間，它是可預測的，而且系統的每個(gè)任務(wù)都有獨立的數據。
三、嵌入式分時(shí)操作系統。
與實(shí)時(shí)操作系統相對應的，有分時(shí)操作系統。分時(shí)操作系統按照相等的時(shí)間片調度進(jìn)程輪流運行。分時(shí)操作系統由調度程序自動(dòng)計算進(jìn)程的優(yōu)先級，而不是由用戶(hù)控制進(jìn)程的優(yōu)先級。在分時(shí)操作系統中，軟件的執行在時(shí)間上的要求并不嚴格，時(shí)間上的錯誤，一般不會(huì )造成災難性的后果。分時(shí)系統的強項在于多任務(wù)的管理。例如uCLinux作為從傳統UNIX系統結構發(fā)展出來(lái)的嵌入式操作系統，其任務(wù)調度的思想就是基于分時(shí)操作系統的，實(shí)時(shí)性較差。
從上述分類(lèi)可以看出，目前嵌入式操作系統主要有兩大類(lèi)：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和嵌入式分時(shí)操作系統。其中實(shí)時(shí)系統又分為兩類(lèi)：硬實(shí)時(shí)系統和軟實(shí)時(shí)系統.
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