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光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)應(yīng)用研究
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷迸步，不同學(xué)科問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(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)技術(shù)的不斷滲透，形成了所謂的機(jī)電一體化技術(shù)。
從而使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化。在機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域中引入嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，將更加促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)的結(jié)合，即將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電一體化中.具體的說就是把嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計的相關(guān)理論、技術(shù)引入到機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)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(jī)電一體化設(shè)備嵌入式控制系統(tǒng)，在滿足被控機(jī)械對象的復(fù)雜控制要求的同時滿足現(xiàn)代工業(yè)對于設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)化的需求.本文研究了機(jī)電一體化嵌入式控制技術(shù)的相關(guān)設(shè)計方法和應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，研制了針對光機(jī)電一體化設(shè)備的新型電控系統(tǒng)，并將該電控系統(tǒng)應(yīng)用到數(shù)碼印刷一體機(jī)中。
在內(nèi)容安排上，本文首先介紹了機(jī)電一體化技術(shù)及其發(fā)展?fàn)顩r，闡述嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其相關(guān)的知識，描述了且前嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電一體化設(shè)備中的一些應(yīng)用。隨后，本文對機(jī)電一體化設(shè)備嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出了機(jī)電一體化嵌入式控制系統(tǒng)的分層整體框架;分析了機(jī)電一體化嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)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(jī)電一體化嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計方法，并對其中的基于可重用的軟件模塊設(shè)計方法的設(shè)計思想和設(shè)計流程作了詳細(xì)分析。
然后，在上面介紹的機(jī)電一體化嵌入式控制系統(tǒng)整體框架基礎(chǔ)上，對機(jī)電一體化設(shè)備的特點(diǎn)和需求進(jìn)行了詳細(xì)分析，應(yīng)用以ARM+DSP為處理核心的硬件模塊設(shè)計方法和基于可重用的軟件模塊設(shè)計方法，設(shè)計了一種針對光機(jī)電一體化設(shè)備的新型智能電控系統(tǒng)。
本文最后介紹將新型智能電控系統(tǒng)應(yīng)用于實際設(shè)備上的詳細(xì)過程。首先分析了一種現(xiàn)代辦公設(shè)備：數(shù)碼印刷一體機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，以及目前國內(nèi)外在這方面的技術(shù)進(jìn)展：然后對數(shù)碼印刷一體機(jī)進(jìn)行硬件和軟件的需求分析;詳細(xì)介紹了將新型智能電控系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)碼印刷一體機(jī)上的實現(xiàn)過程;最后總結(jié)了新型電控系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)：抗干擾技術(shù)。
由于新型電控系統(tǒng)在設(shè)計之初就采取模塊化的設(shè)計，所以在應(yīng)用過程中，只需要對模塊進(jìn)行增減，非常方便。應(yīng)用了新型電控系統(tǒng)的數(shù)碼印刷一體機(jī)工作穩(wěn)定可靠，性能先進(jìn)，現(xiàn)已大批量投入實用。
關(guān)鍵詞： 機(jī)電一體化。嵌入式控制技術(shù)，ARM，設(shè)計方法，數(shù)碼印刷一體機(jī)，抗干擾技術(shù)
1、緒論
1.1引言
機(jī)電一體化(Mecha垃onics)技術(shù)是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械工程滲透而形成的融合機(jī)械工程、電氣工程、計算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)等為一體的新興綜合技術(shù)。
以機(jī)電一體化技術(shù)為代表的現(xiàn)代制造技術(shù)，極大地推動了經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展進(jìn)步，改變了人們的傳統(tǒng)觀念。二十一世紀(jì)的機(jī)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(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢所在.嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)技術(shù)最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)七八十年代，起初是為了將通用計算機(jī)引入到某些特定的對象系統(tǒng)中，如船舶自動駕駛、工業(yè)生產(chǎn)檢測系統(tǒng)等。后來由于半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)獲得蓬勃發(fā)展，在工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)類電子、信息家電等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有生命力的新技術(shù)之一。嵌入式系統(tǒng)雖然發(fā)端于通用計算機(jī)系統(tǒng)，但實際上現(xiàn)在各種各樣的嵌入式系統(tǒng)數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用計算機(jī)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，全球每年生產(chǎn)的CPU的數(shù)量大概在二十億顆左右，其中大部分是為各種專用性很強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和制造的。
機(jī)電一體化嵌入式控制技術(shù)即是機(jī)電一體化技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合，是將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電一體化設(shè)備的控制當(dāng)中。具體的說就是把嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計的相關(guān)理論、技術(shù)引入到機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)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(tǒng)，在滿足被控機(jī)械對象的復(fù)雜控制要求的同時滿足現(xiàn)代工業(yè)對于設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)化的需求.其實在社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動化辦公設(shè)備、智能玩具等使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的先進(jìn)設(shè)備正在迅速改變傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和社會生活方式。而上述設(shè)各都可以看作是機(jī)電一體化技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。
1.2機(jī)電一體化技術(shù)及其發(fā)展概況
1.2.1機(jī)電一體化
機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化是現(xiàn)代工程技術(shù)的前沿，它是一個多門基礎(chǔ)應(yīng)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(chǔ)是現(xiàn)代的機(jī)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(yīng)用所生產(chǎn)的產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛出現(xiàn)在全世界。d,N體內(nèi)微血管手術(shù)機(jī)器人，大到航天飛機(jī)，空間站。它已經(jīng)從機(jī)械工程的附屬學(xué)科，獨(dú)立成為了前沿科學(xué)。它代表了～個國家科學(xué)技術(shù)的整體發(fā)展水平的一個方面。“機(jī)電一體化的基本特征可概括為：機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)(包含氣動和液壓技術(shù))、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)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(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值，并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。
因此，“機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面.只不過，機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機(jī)械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機(jī)電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等。即機(jī)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(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。
1.2.2機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r
機(jī)電一體化的發(fā)展大體可以分為3個階段。20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺或不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能.特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。
由于當(dāng)時電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。
20世紀(jì)70年代～90年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個時期的特點(diǎn)是：(甄nechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn);②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展;③各國均開始對機(jī)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(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支;另一方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計、分析和集成方法，機(jī)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，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(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系.我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列入“863計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)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(dāng)差距。
1.3嵌入式系統(tǒng)及其技術(shù)研究現(xiàn)狀
自從上世紀(jì)七十年代最初的基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)深入到當(dāng)今世界的每個角落。人們現(xiàn)在已經(jīng)習(xí)慣了依賴個人電腦，如果沒有了電腦，大概會讓人覺得無所適從。可要是世界上沒有了嵌入式系統(tǒng)，這個世界馬上會陷入一片混亂!試想一下，世界上所有含有嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備都停止工作，會是什么樣子?在家里，我們會發(fā)現(xiàn)電視機(jī)、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(jī)都開始罷工l在街上，汽車無法發(fā)動，我們只有步行，可是紅綠燈完全失效，整個城市的交通迅速癱瘓f天上的飛機(jī)沒有導(dǎo)航設(shè)備，怎么還能飛行?所以雖然我們看不見嵌入式系統(tǒng)，但是嵌入式系統(tǒng)確實無處不在!那么究竟什么是嵌入式系統(tǒng)?
1.3.1嵌入式系統(tǒng)的定義
由于嵌入式系統(tǒng)無處不在，不同的嵌入式系統(tǒng)針對目標(biāo)不一樣，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的專用性非常強(qiáng)。比如微波爐中的嵌入式系統(tǒng)和火星車上的嵌入式系統(tǒng)，兩者除了都包含一個嵌入式微處理器之外，幾乎沒有任何相同點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)烈的多樣性和專用性導(dǎo)致很難給嵌入式系統(tǒng)下～個全面并且準(zhǔn)確的定義，通常我們只是從某一個方面對嵌入式系統(tǒng)下一個定義，從另外一個方面來看，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(tǒng)是控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置。嵌入式系統(tǒng)是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。
前一種定義是IEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義，主要是從應(yīng)用的角度對嵌入式系統(tǒng)作了一個比較籠統(tǒng)的總結(jié)。按照這種定義，嵌入式系統(tǒng)包括了軟件和硬件，甚至連機(jī)械部件等附屬裝置也屬于嵌入式系統(tǒng)的一部分。
第二種定義是國內(nèi)目前普遍被認(rèn)同的定義，主要從技術(shù)的角度出發(fā)，限定了嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)涵�？梢詮囊韵聨讉�方面來理解國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義：
木嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢.可以這樣裂解上述三個方面的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，他具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。
木嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對軟硬件進(jìn)行參見，滿足應(yīng)用系統(tǒng)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(chǔ)，然后在其上開發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。
同時還應(yīng)該看到，嵌入式系統(tǒng)本身還是一個外延極廣的名詞。凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫做嵌入式系統(tǒng)，而且有時很難給它下一個準(zhǔn)確的定義。上面介紹的兩種定義是目前國內(nèi)外比較通用的說法，隨著嵌入式系統(tǒng)學(xué)科研究的進(jìn)步，以后也可能會發(fā)展出更準(zhǔn)確更全面的定義。
1.3.2嵌入式處理器
從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)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1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU、MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都開始大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA，品種越來越多，性能越來越強(qiáng)，價格越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到數(shù)GB，處理速度最快可以達(dá)到2000MIPS，封裝從幾個引腳到幾百個引腳不等。
從分類上來講，嵌入式處理器可以分成下面幾類：
1、嵌入式微處理器(Microprocessor Unit，MPU)
嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)。和工業(yè)控制計算機(jī)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、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)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、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，成為單板計算機(jī)。如STD—BUS、PCI04等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機(jī)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是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位，現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛。圖1.1就是Intel公司基于StrongARM結(jié)構(gòu)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單片機(jī)，顧名思義，就是將整個計算機(jī)系統(tǒng)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(nèi)核威核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EEPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時，計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)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(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。
嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)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(shù)目眾多的ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。
圖1.2所示LPC213x，是Phitips公司2005年推出的基于ARM7TDMI--S結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)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(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分離元件事先。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)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(yùn)算的速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用.至80年代中期，隨著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(yīng)運(yùn)而生，其存儲容量和運(yùn)算速度都得到了成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期，DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計算機(jī)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(yīng)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(yīng)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(tǒng)(System On Chip)
隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代己經(jīng)來臨，這就是System On chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、VerilogHDL等語言描述，存儲在中間件庫中。用戶只需定義出整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠佳、提高設(shè)計生產(chǎn)效率非常有利。
由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數(shù)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(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，促使集成電路向高速、高集成度、低功耗的系統(tǒng)集成方向發(fā)展，SOPC是現(xiàn)代電子技術(shù)和電子系統(tǒng)設(shè)計的匯聚點(diǎn)和發(fā)展方向。
它將傳統(tǒng)的EDA技術(shù)、計算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等技術(shù)融為一體，在結(jié)構(gòu)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，用戶可以利用SOPC平臺自行設(shè)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(tǒng)設(shè)計進(jìn)入一個全新的模式。
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Nios嵌入式處理器已經(jīng)成為軟核式SOPC的標(biāo)準(zhǔn)。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個低功耗同類最佳嵌入式收發(fā)器，工作速率高達(dá)6.375 Gbps。
1.3.3嵌入式操作系統(tǒng)
在一個嵌入式系統(tǒng)中，如果這個系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要管理的任務(wù)、資源比較多，這時就顯現(xiàn)出了引入嵌入式操作系統(tǒng)的必要性。嵌入式操作系統(tǒng)可以用來對內(nèi)存，任務(wù)和對周邊的資源進(jìn)行有效的管理和統(tǒng)一的控制。本節(jié)講述了一些嵌入式操作系統(tǒng)的概念。
一、前/后臺系統(tǒng)m。
對于不復(fù)雜的小型嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可稱為前/后臺系統(tǒng)(foreground/background)或超循環(huán)系統(tǒng)(super-loops)。應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)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.時間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作(critical operation)一定是靠中斷服務(wù)來保證的。因為中斷服務(wù)提供的信息一直要等到后臺程序運(yùn)行到該處理這個信息時，才能得到處理。這種系統(tǒng)在處理信息的及時性上，實際體現(xiàn)出來的性能比需求要低一些。處理信息的及時性，稱作任務(wù)級響應(yīng)時間。
最壞情況下的任務(wù)級響應(yīng)時間取決于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。因為循環(huán)的執(zhí)行時間不是常數(shù)，程序經(jīng)過某一特定部分的準(zhǔn)確時間也是不能確定的。進(jìn)而，如果程序修改了，循環(huán)的時序也會受到影響。
前/后臺系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)的早期，以及許多比較簡單，或者對于代碼空間要求非常嚴(yán)格的嵌入式系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。同時也具備了一個現(xiàn)代操作系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)，比如任務(wù)的調(diào)度，資源的分配，但是前/后臺系統(tǒng)并不是嚴(yán)格意義上的嵌入式操作系統(tǒng)。前/后臺系統(tǒng)的缺點(diǎn)不容忽視：多任務(wù)處理能力差;在現(xiàn)在越來越復(fù)雜，可供調(diào)配的資源越來越多的嵌入式系統(tǒng)中無法充分發(fā)揮系統(tǒng)性能。’
二、嵌入式實時操作系統(tǒng)。
由于前，后臺系統(tǒng)的種種弊端，從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得開發(fā)人員可以進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率。1981年，Ready System開發(fā)出世界上第一個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核(V1Rx32)。這個實對內(nèi)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)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(nèi)存管理等功能。90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時內(nèi)核逐漸發(fā)展為多任務(wù)實時操作系統(tǒng)(RrOS).實時操作系統(tǒng)(Real--Time Operating System)是嵌入式操作系統(tǒng)目前最主要的組成部分。根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性，實時是指物理進(jìn)程的真實時間。實時操作系統(tǒng)具有實時性，能從硬件方面支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。其中實時性是第一要求，需要調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務(wù)，其次才著眼于提高嵌入式系統(tǒng)的使用效率。實時操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是通過任務(wù)調(diào)度來來滿足對于重要事件在規(guī)定的時間內(nèi)做出正確的響應(yīng)。
Stankovic在1988年給出了實時系統(tǒng)的定義，“實時系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，即系統(tǒng)執(zhí)行的正確性不僅取決于計算的邏輯結(jié)果，而且還取決于結(jié)果的產(chǎn)生時間。”
實時系統(tǒng)又可以分為“硬實時系統(tǒng)”和“軟實時系統(tǒng)”。硬實時和軟實時的區(qū)別就是在于對外界的事件作出反應(yīng)的時間。硬實時系統(tǒng)必須是對及時的事件作出反應(yīng)，絕對不能錯過時間處理的時限。硬實時系統(tǒng)中如果出現(xiàn)了這樣的情況就意味著巨大的損失和災(zāi)難。比如說航天飛機(jī)的控制系統(tǒng)，如果出現(xiàn)故障，其后果不堪想象。
軟實時系統(tǒng)是指，如果在系統(tǒng)負(fù)荷較重的時候，允許發(fā)生錯過時限的情況而且不會造成太大的危害.比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。
硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)實現(xiàn)的區(qū)別主要是在選擇調(diào)度算法上。對于軟實時系統(tǒng)，選擇基于優(yōu)先級調(diào)度的算法足以滿足軟實時系統(tǒng)的需求，而且可以提供高速的響應(yīng)和大的系統(tǒng)吞吐量;而對硬實時系統(tǒng)來說，需要使用的算法就應(yīng)該是調(diào)度方式簡單，反應(yīng)速度快的實時調(diào)度算法。個商業(yè)的RTOS必須具有以下兩個評價指標(biāo)：中斷響應(yīng)時間，指從中斷發(fā)生到相應(yīng)的IS臌中斷服務(wù)程序)運(yùn)行的時間間隔。中斷響應(yīng)時間與應(yīng)用程序相匹配，而且是可預(yù)測的。如果同一時間有多個中斷發(fā)生，則中斷響應(yīng)時間的數(shù)量級要增加。臨界情況執(zhí)行時間(Worst-Case Execution Time，’WCET)表示每個系統(tǒng)任務(wù)調(diào)用的時間，它是可預(yù)測的，而且系統(tǒng)的每個任務(wù)都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)。
三、嵌入式分時操作系統(tǒng)。
與實時操作系統(tǒng)相對應(yīng)的，有分時操作系統(tǒng)。分時操作系統(tǒng)按照相等的時間片調(diào)度進(jìn)程輪流運(yùn)行。分時操作系統(tǒng)由調(diào)度程序自動計算進(jìn)程的優(yōu)先級，而不是由用戶控制進(jìn)程的優(yōu)先級。在分時操作系統(tǒng)中，軟件的執(zhí)行在時間上的要求并不嚴(yán)格，時間上的錯誤，一般不會造成災(zāi)難性的后果。分時系統(tǒng)的強(qiáng)項在于多任務(wù)的管理。例如uCLinux作為從傳統(tǒng)UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展出來的嵌入式操作系統(tǒng)，其任務(wù)調(diào)度的思想就是基于分時操作系統(tǒng)的，實時性較差。
從上述分類可以看出，目前嵌入式操作系統(tǒng)主要有兩大類：嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式分時操作系統(tǒng)。其中實時系統(tǒng)又分為兩類：硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng).
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