計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嵌入式plc

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)高金源 夏潔北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社2006年11月北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)依審定的教材大綱編寫。主編人：高金源 夏潔出版發(fā)行：清華大學(xué)出版社北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社38.1 嵌入式系統(tǒng)8.1.1 概述8.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)8.1.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 8.1.4 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)8.1.5 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例8.2 可編程控制器（PLC）8.2.1 PLC概述 8.2.2 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理8.2.3 PLC常用編程語(yǔ)言8.2.4 PLC應(yīng)用實(shí)例8.2.5 PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社4嵌入式產(chǎn)品一覽北京航空航

2、天大學(xué) 清華大學(xué)出版社58.1.1 概述1. 嵌入式系統(tǒng)定義和分類電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）定義 ：“嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器甚至工廠操作的裝置?！币话愣x：“以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！北本┖娇蘸教齑髮W(xué) 清華大學(xué)出版社6嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要的特點(diǎn)： 小型系統(tǒng)內(nèi)核；專用性較強(qiáng)；系統(tǒng)精簡(jiǎn)，以減少控制系統(tǒng)成本，利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全；采用高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，且軟件要固化存儲(chǔ)；使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)，使軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化；嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的工具和環(huán)境。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社7嵌入式系統(tǒng)的

3、分類 硬件方面：芯片級(jí)嵌入（含程序或算法的處理器）模塊級(jí)嵌入（系統(tǒng)中的某個(gè)核心模塊）系統(tǒng)級(jí)嵌入軟件方面（根據(jù)實(shí)時(shí)性要求）：非實(shí)時(shí)系統(tǒng)（例如PDA等）實(shí)時(shí)系統(tǒng)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)若系統(tǒng)在指定的時(shí)間內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)某個(gè)確定的任務(wù)，就會(huì)引起系統(tǒng)崩潰或?qū)е轮旅e(cuò)誤（如導(dǎo)彈飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)）。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)在該類系統(tǒng)中雖然響應(yīng)時(shí)間同樣重要，但是超時(shí)卻不會(huì)導(dǎo)致致命錯(cuò)誤，這也意味著偶爾超過時(shí)間限制是可以容忍的（如消費(fèi)類產(chǎn)品） 。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社82. 嵌入式處理器(1) 嵌入式微控制器(Mico Controller Unit, MCU)典型代表是單片機(jī)。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、總線、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器

4、、I/O、串行口、A/D、D/A等各種必要的功能和外設(shè)，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)，且體積小、功耗成本低，比較適合控制。 (2) 嵌入式微處理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。只保留與嵌入式應(yīng)用密切相關(guān)的功能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要類型有ARM 、 PowerPC系列等。 (3) 數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP) 專用于信號(hào)處理方面的處理器，其可進(jìn)行向量運(yùn)算、指針線性尋址等運(yùn)算量很大的數(shù)據(jù)處理，具有很高編譯效率和指令執(zhí)行速度(4)嵌入式片

5、上系統(tǒng)(System On Chip, SOC)在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，直接在處理器內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社93. 開發(fā)設(shè)計(jì)工具硬件設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方面采用的硬件設(shè)計(jì)工具有Cadence的SPW和System View。模擬電路系統(tǒng)采用的仿真工具有Pspice和EWB。印刷電路設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)工具有Protel、PADs 的Power PCB & Tool Kit和Mentor的Expedition & Tool Kit。可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具還有Mentor FPGA Advantage & ModelSim、

6、Xilinx Foundation ISE & Tool Kit以及各種綜合和仿真工具等等。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社103. 開發(fā)設(shè)計(jì)工具軟件開發(fā)平臺(tái) 高級(jí)語(yǔ)言編譯器（Compiler Tools）。實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICE（In Circuit Emulator）。源程序模擬器（Simulator）。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）。商用型RTOS的功能穩(wěn)定可靠，具有比較完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價(jià)格昂貴而且都針對(duì)特定的硬件平臺(tái)。如WindRiver公司的VxWorks、Palm Computing掌上電

7、腦公司的Palm OS等。免費(fèi)的RTOS主要有Linux和C/OS等。盡管這些資源帶有源碼，但理解、消化并運(yùn)用在某應(yīng)用系統(tǒng)上也是一項(xiàng)艱苦的工作，相應(yīng)的調(diào)試工具是沒有免費(fèi)的。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社114. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社12嵌入式技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 芯片方面是可編程片上系統(tǒng)。 宏觀方面使嵌入式系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、小型、可靠、快速、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。經(jīng)濟(jì)性 很便宜，讓更多的人能買得起。小型化（筆記本、PDA） 人們攜帶方便。可靠性（汽車VCD跳動(dòng)問題） 能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運(yùn)行。 高速度（飛機(jī)剎車系統(tǒng)）能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸。

8、 智能性（知識(shí)推理、模糊查詢、識(shí)別、感知運(yùn)動(dòng)） 使人們用起來更習(xí)慣，對(duì)人們更有使價(jià)值。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社138.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)1硬件體系結(jié)構(gòu)圖8-2 嵌入式系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的功能部件北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社142 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)過程的基本特征是：系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分，軟件和硬件是獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，通常采用的是“硬件先行”的設(shè)計(jì)方法。 問題：(1)軟硬件之間的交互受到很大限制，造成系統(tǒng)集成相對(duì)滯后，因此傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果往往是設(shè)計(jì)質(zhì)量差、設(shè)計(jì)修改難，同時(shí)研制周期不能得到有效保障。(2) 隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計(jì)中的一些錯(cuò)誤

9、將會(huì)使開發(fā)過程付出昂貴的代價(jià)。(3)“硬件先行”的做法常常需要由軟件來補(bǔ)償由于硬件選擇的不適合造成系統(tǒng)的缺陷，從而增加軟件的代價(jià)。 圖8-3 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社153. 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)(1) 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)定義：在硬件和軟件設(shè)計(jì)中，通過并發(fā)和交互設(shè)計(jì)來滿足系統(tǒng)級(jí)的目標(biāo)要求。(2) 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本需求： 采用統(tǒng)一的軟硬件描述方式軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和分析工具或技術(shù)，允許在一個(gè)集成環(huán)境中仿真及評(píng)估系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，支持系統(tǒng)任務(wù)在軟件和硬件設(shè)計(jì)之間的相互移植； 采用交互式軟硬件劃分技術(shù)允許進(jìn)行多個(gè)不同的軟硬件劃分設(shè)計(jì)仿真和比較，劃分應(yīng)用可以最大滿足設(shè)計(jì)

10、標(biāo)準(zhǔn)（功能和性能目標(biāo)）要求； 具有完整的軟硬件模型基礎(chǔ)可以支持設(shè)計(jì)過程中各階段的評(píng)估，支持逐步開發(fā)以及對(duì)硬件和軟件的綜合； 驗(yàn)證方法必須正確，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)要求。優(yōu)勢(shì)：協(xié)同設(shè)計(jì)要貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)周期，且使設(shè)計(jì)修改容易，研制周期可以得到有效保障；軟硬件交互設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。圖8-4 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社16(3) 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本步驟 描述將系統(tǒng)行為的功能進(jìn)行明確、提取并列表； 劃分即對(duì)硬件/軟件的功能進(jìn)行分配； 評(píng)估進(jìn)行性能評(píng)估或?qū)C合后系統(tǒng)依據(jù)指令級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)做出評(píng)估，若不滿足要求，則需要回到； 驗(yàn)證是為保證系統(tǒng)可以按照設(shè)計(jì)要求正常工作，而達(dá)到合理

11、置信度的過程。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可能采取不同的驗(yàn)證方法，但都必須經(jīng)過性能與功能的協(xié)同仿真。 實(shí)現(xiàn)通過綜合后的硬件的物理實(shí)現(xiàn)和通過編譯后的軟件執(zhí)行。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社178.1.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)定義及特點(diǎn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS是指能支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它可以在固定的時(shí)間內(nèi)對(duì)一個(gè)或多個(gè)由外設(shè)發(fā)出的信號(hào)做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主要特征：規(guī)模小、中斷被屏蔽的時(shí)間很短、中斷處理時(shí)間短且任務(wù)切換很快。常見的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)商用的RTOS：VxWorks、pSOS、Palm OS等；免費(fèi)的RTOS：Linux和C/OS等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的精華在于向開發(fā)人員提供一個(gè)

12、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。開發(fā)人員將具體一項(xiàng)應(yīng)用工作分解成若干個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，將各任務(wù)要做的事、任務(wù)間的關(guān)系向?qū)崟r(shí)多任務(wù)內(nèi)核交代清楚，讓實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核去管理這些任務(wù)，開發(fā)過程就完成了。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)沒有文件管理，一般不需要內(nèi)存管理，它具有的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中最重要的內(nèi)容，即多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度和任務(wù)的定時(shí)、同步操作，具有很短的任務(wù)切換時(shí)間和實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社18VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式RTOS，具有高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點(diǎn)是：

13、 可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性。它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。3-2北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社19pSOSpSOS原屬ISI公司的產(chǎn)品，但I(xiàn)SI已經(jīng)被WinRiver公司兼并，現(xiàn)在pSOS屬于WindRiver公司的產(chǎn)品。該系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。開發(fā)者可以利用它來實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的單個(gè)獨(dú)立設(shè)備到復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化的多處理器系統(tǒng)功能。3-2北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社20Palm OSPalm OS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商 旗下的Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品。Palm O

14、S在PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。獲得了IBM、Oracle、Nokia和Sony等國(guó)際知名公司的支持，同時(shí)有很多的軟件開發(fā)者為其開發(fā)軟件應(yīng)用程序，還有相當(dāng)多的硬件開發(fā)人員為其開發(fā)外圍擴(kuò)展設(shè)備，例如GPS系統(tǒng)、數(shù)碼攝像頭、錄音系統(tǒng)等。 3-2北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社212 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一些重要概念 任務(wù)（或稱“線程”）及其任務(wù)工作狀態(tài)指擁有所有CPU資源的程序分段，線程為調(diào)度的基本單位每個(gè)任務(wù)都是整個(gè)應(yīng)用的某一部分，每個(gè)任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級(jí)， 有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間。圖8-5 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)狀態(tài)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社22 實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)時(shí)內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)

15、任務(wù)，為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并負(fù)責(zé)任務(wù)間的通信。提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。（non-preemptive）（preemptive）內(nèi)核可以剝奪正在運(yùn)行著的任務(wù)的CPU使用權(quán)，并將該使用權(quán)交給進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。 實(shí)時(shí)內(nèi)核可剝奪型（占先式）不可剝奪型（非占先式）內(nèi)核運(yùn)用某種算法決定讓哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行后，就將CPU控制權(quán)完全交給這個(gè)任務(wù)，直到該任務(wù)主動(dòng)將CPU控制權(quán)還回來。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社23 任務(wù)優(yōu)先級(jí)(priority) 任務(wù)按照其重要性被賦予優(yōu)先級(jí)。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級(jí)不變。在這種系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時(shí)間約束在程序編譯時(shí)是已知的。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)

16、應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是可變的。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社24為內(nèi)核的主要職責(zé)之一，它決定該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。調(diào)度是基于優(yōu)先級(jí)的。 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。調(diào)度的基本方式有：可剝奪型和不可剝奪型基本調(diào)度算法先來先服務(wù) 最短周期優(yōu)先優(yōu)先級(jí)法 輪轉(zhuǎn)法多級(jí)隊(duì)列法 多級(jí)反饋隊(duì)列 多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的多種方法的復(fù)合。 調(diào)度（dispatcher）北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社25 其他重要概念互斥（Mutex）機(jī)制 信號(hào)量（Semaphore）機(jī)制 代碼臨界區(qū)（Critical Section）臨界資源指處理時(shí)不可分割的代碼。任務(wù)間通信(Inter

17、task com) 可預(yù)測(cè)性（Predictability） 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社26實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是面向具體應(yīng)用，對(duì)外來事件在限定時(shí)間內(nèi)能做出反應(yīng)的系統(tǒng)。限定時(shí)間的范圍很廣，可從微秒級(jí)（如信號(hào)處理）到分級(jí)（如聯(lián)機(jī)查詢系統(tǒng)）。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中主要用三個(gè)指標(biāo)來衡量其實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（System response Time）：從系統(tǒng)發(fā)出處理要求，到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的過程所用的時(shí)間。任務(wù)切換時(shí)間（Context-switching time）：指任務(wù)之間切換所使用的時(shí)間。中斷延遲（Interrupt latency）：指從計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)做出響應(yīng)，并完成切換

18、轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的過程所用時(shí)間。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社273實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和編譯技術(shù)嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，在設(shè)計(jì)完成后，需要一套專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。如果開發(fā)機(jī)就是運(yùn)行機(jī)，則稱為本地編譯?！八拗鳈C(jī)/目標(biāo)機(jī)”方式：利用宿主機(jī)豐富的資源和良好的開發(fā)環(huán)境來對(duì)目標(biāo)機(jī)將要運(yùn)行的程序進(jìn)行開發(fā)和仿真調(diào)試，通過串行口或網(wǎng)絡(luò)接口將交叉匯編生成的目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)機(jī)上，并利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序或?qū)崟r(shí)內(nèi)核的支持下進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和調(diào)度。最后由目標(biāo)機(jī)在特定的環(huán)境下運(yùn)行。圖8-6 宿主機(jī)/目

19、標(biāo)機(jī)的開發(fā)方式北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社284 C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(1) C/OS-II的特點(diǎn) 有源代碼，有范例，且源代碼中有詳細(xì)的注解。 源代碼的90%以上用C語(yǔ)言寫成，可移植性好。C/OS-II可裁減、可固化，最小內(nèi)核的ROM可以小到2KB以下。 多任務(wù)。C/OS-II內(nèi)核屬于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型，可以管理64個(gè)任務(wù)（目前的版本保留8個(gè)給系統(tǒng)，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)）。每個(gè)任務(wù)有特定的優(yōu)先級(jí)，用一個(gè)數(shù)字來標(biāo)識(shí)，優(yōu)先級(jí)越高，數(shù)字越小。任務(wù)切換采用查表法，切換速度快。實(shí)時(shí)性是可知的、有保證的。 中斷管理。中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。 穩(wěn)定性與可靠性有保證。C/OS自1992年以來

20、，已經(jīng)有上千個(gè)應(yīng)用，是一個(gè)被實(shí)踐證實(shí)為好用的內(nèi)核。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社29(2) C/OS-II的任務(wù)調(diào)度機(jī)制C/OS是可剝奪型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。這種內(nèi)核在任何時(shí)刻都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。C/OS調(diào)度工作的內(nèi)容是進(jìn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的尋找和任務(wù)的切換。C/OS還提供了調(diào)度的鎖定和解鎖機(jī)制使某個(gè)任務(wù)就可以短期禁止內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，從而占有CPU。由于調(diào)度鎖定采用的是累加方式，內(nèi)核允許任務(wù)進(jìn)行多級(jí)鎖定，最大鎖定層數(shù)不能超過255。當(dāng)一個(gè)任務(wù)鎖定了系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度時(shí)，C/OS基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)運(yùn)行方式不復(fù)存在，優(yōu)先級(jí)由高到低的次序被改為：各種中斷任務(wù)（最高）、鎖定調(diào)度的任務(wù)（其次）、其他

21、所有任務(wù)（最低）。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社308.1.4 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式設(shè)計(jì)具有一個(gè)生命周期，即可以將嵌入式項(xiàng)目設(shè)計(jì)分為7個(gè)具體階段：產(chǎn)品定義；軟件與硬件的劃分；迭代與實(shí)現(xiàn)；詳細(xì)的硬件與軟件設(shè)計(jì)；硬件與軟件集成；產(chǎn)品測(cè)試與發(fā)布；持續(xù)維護(hù)與升級(jí)。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社311 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)步驟設(shè)計(jì)過程中的文檔管理包括：需求分析文檔（產(chǎn)品定義階段）總體方案設(shè)計(jì)（選擇過程和軟硬件劃分階段）概要設(shè)計(jì)文檔（軟硬件初步設(shè)計(jì)階段）詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔（軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段）測(cè)試需求文檔（模塊測(cè)試及聯(lián)調(diào)準(zhǔn)備階段）系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告（測(cè)試小組）使用說明文檔/源程序注釋北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社3

22、2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)步驟： (1) 確定嵌入式系統(tǒng)的要求(2) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和總體方案設(shè)計(jì)(3) 選擇開發(fā)平臺(tái)(4) 應(yīng)用編碼并按照代碼優(yōu)化原則優(yōu)化代碼(5) 在主機(jī)系統(tǒng)上驗(yàn)證軟件(6) 在目標(biāo)系統(tǒng)上驗(yàn)證軟件北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社332 一類ARM SDT仿真開發(fā)環(huán)境當(dāng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，選擇一套含有編輯軟件、編譯軟件、匯編軟件、連接軟件、調(diào)試軟件、工程管理及函數(shù)庫(kù)的集成開發(fā)環(huán)境是必不可少的。ARM SDT是ARM Software Development Toolkit的簡(jiǎn)寫，是ARM公司為方便用戶在ARM芯片上進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)而推出的一整套集成開發(fā)工具。ARM SDT由一套

23、完備的應(yīng)用程序構(gòu)成，并附帶支持文檔和例子，可以用于編寫和調(diào)試ARM系列的RISC處理器應(yīng)用程序。圖8-7 基于ARM的嵌入式硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社343 基于C/OS-II建立實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在建立實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之前，需要將C/OS-II移植到自己的硬件平臺(tái)上，然后再擴(kuò)展得到RTOS的體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的文件系統(tǒng)、外設(shè)及驅(qū)動(dòng)程序、引進(jìn)圖形用戶接口等，得到自己的RTOS。(1) C/OS-II的移植“移植”是指使一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠在某個(gè)微處理器平臺(tái)上運(yùn)行。C/OS-II移植到S3C44B0X要做的工作：在OS_CPU.H中設(shè)置與處理器和編譯器相關(guān)的代碼、對(duì)具體

24、處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類型、聲明幾個(gè)用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；在OS_CPU_C.C中用C語(yǔ)言編寫6個(gè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)；在OS_CPU_A.ASM中改寫4個(gè)與處理器相關(guān)的匯編語(yǔ)言函數(shù)。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社35(2）基于C/OS-II擴(kuò)展RTOS的體系結(jié)構(gòu)圖8-10 基于COS-II擴(kuò)展RTOS的體系結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社36(3) 建立文件系統(tǒng)針對(duì)嵌入式的應(yīng)用，參考FAT16的文件系統(tǒng)，可以利用與文件系統(tǒng)相關(guān)的API 函數(shù)，來建立相應(yīng)的簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)。(4) 外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序外設(shè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)可以對(duì)系統(tǒng)提供訪問外圍設(shè)備的接口。(5) 圖形用戶接口（GUI）可以為人機(jī)

25、交互建立起圖形用戶接口，即為圖形用戶界面應(yīng)用建立相應(yīng)的API函數(shù)，其中包括基于Unicode的漢字字庫(kù)、基本繪圖函數(shù)、典型的控鍵。(6) 系統(tǒng)消息隊(duì)列在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，各任務(wù)之間通常是通過消息來傳遞信息和同步的。用戶應(yīng)用程序的每個(gè)任務(wù)都有自己的信息響應(yīng)隊(duì)列和消息循環(huán)。通常，任務(wù)通過等待消息而處于掛起狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)接到消息后，則處于就緒狀態(tài)，然后開始判斷所接收到的消息是否需要處理。如果是，則執(zhí)行相應(yīng)功能的處理函數(shù)。執(zhí)行完相應(yīng)處理函數(shù)后，將刪除所接收到的消息，繼續(xù)掛起等待下一條消息。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社374 建立與調(diào)試用戶應(yīng)用程序在嵌入式硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，有了前面基于C/OS-II建

26、立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用戶就可以在相應(yīng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)上使用操作系統(tǒng)所提供的GUI及API函數(shù)來編制應(yīng)用程序了。(1) 操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程(2) 實(shí)現(xiàn)消息循環(huán)(3) 任務(wù)對(duì)應(yīng)資源分配及其任務(wù)的創(chuàng)建(4) 任務(wù)的實(shí)現(xiàn)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社388.1.5 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1 稅控收款機(jī)圖8-11 稅控收款機(jī)的系統(tǒng)組成框圖 圖8-12 系統(tǒng)任務(wù)的劃分 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社392 智能滴灌控制器(1) 智能滴灌控制器的硬件設(shè)計(jì)圖8-13 智能灌溉控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社40 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，嵌入式控制器使用基于C/OS內(nèi)核的RTOS操作系統(tǒng)。(

27、2) 智能滴灌控制器的軟件設(shè)計(jì)圖8-13 智能滴灌控制器系統(tǒng)軟件主流程 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社418.1 嵌入式系統(tǒng)8.1.1 概述8.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)8.1.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 8.1.4 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)8.1.5 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例8.2 可編程控制器(PLC)8.2.1 PLC概述 8.2.2 PLC結(jié)構(gòu)和工作原理8.2.3 PLC常用編程語(yǔ)言8.2.4 PLC應(yīng)用實(shí)例8.2.5 PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社428.2.1 可編程控制器(PLC)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：連續(xù)量的運(yùn)動(dòng)控制連續(xù)量的過程控制斷續(xù)量的控制系統(tǒng) (離散量，順序控制為主流)時(shí)間

28、順序控制系統(tǒng)邏輯順序控制系統(tǒng)條件順序控制系統(tǒng) 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社43可編程控制器定義（美國(guó)際電工委員會(huì)1985年修訂版） 可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，并易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社441可編程控制器的發(fā)展1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司根據(jù)美國(guó)通用汽車公司招標(biāo)的要求，研制出世界上第一臺(tái)

29、可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 發(fā)展經(jīng)歷 第一代：多用一位機(jī)開發(fā)，只有單一的邏輯控制功能；第二代：換成8位微處理器及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，控制功能得到較大的擴(kuò)展；第三代：大量使用高性能微處理器，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信方面發(fā)展，初步形成了分布式的通信網(wǎng)絡(luò)體系；第四代：全面使用16位、32位高性能微處理器、RISC體系CPU等高級(jí)CPU，而且在一臺(tái)PLC中配置多個(gè)微處理器，進(jìn)行多道處理。同時(shí)開發(fā)大量?jī)?nèi)含微處理器的智能模塊，使第四代PLC產(chǎn)品成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能的多功能控制器。北京航空航天大學(xué) 清華

30、大學(xué)出版社451可編程控制器的發(fā)展(續(xù))PLC及其網(wǎng)絡(luò)已成為工廠企業(yè)首選的工業(yè)控制裝置，并成為CIMS系統(tǒng)不可或缺的基本組成部分。PLC及其網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。發(fā)展趨勢(shì)：向體積更小、速度更快、功能更強(qiáng)和價(jià)格更低的微小型方面發(fā)展，以占領(lǐng)小型、分散和簡(jiǎn)單功能的工業(yè)控制市場(chǎng)。向大型網(wǎng)絡(luò)化化、高速度、高可靠性、好的兼容性和多功能方面發(fā)展，使其向下可將多個(gè)PLC、I/O框架相連；向上與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP（制造業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議）網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社462. PLC的特點(diǎn) (1) 功能齊全：

31、多種控制功能；輸入/輸出接口功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能；通信聯(lián)網(wǎng)功能；其他擴(kuò)展功能。(2) 應(yīng)用靈活標(biāo)準(zhǔn)的積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)。(3) 操作維修方便，穩(wěn)定可靠PLC 采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖形式編程與功能助記符編程。PLC 機(jī)具有完善的監(jiān)視和診斷功能。其內(nèi)部工作等狀態(tài)均有醒目的顯示，大多數(shù)模件可以帶電插拔。(4) 模塊智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社47主要應(yīng)用場(chǎng)合： 開關(guān)邏輯控制（如自動(dòng)電梯的控制、傳輸皮帶的控制等）；閉環(huán)過程控制（如鍋爐運(yùn)行控制，自動(dòng)焊機(jī)控制、連軋機(jī)的速度和位置控制等）；機(jī)械加工的數(shù)字控制；機(jī)器人控制；多級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出

32、版社488.2.2 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC的組成和基本結(jié)構(gòu) 2. PLC的工作原理 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社491. PLC的組成和基本結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社50按I/O點(diǎn)數(shù)將PLC分類微型PLCI/O點(diǎn)數(shù)一般為幾十點(diǎn)，整體單元結(jié)構(gòu)。小型PLC點(diǎn)數(shù)至多可達(dá)256點(diǎn)，整體單元結(jié)構(gòu)或模塊化結(jié)構(gòu)。中型PLC點(diǎn)數(shù)可達(dá)5121024，模塊化結(jié)構(gòu)。大型PLC點(diǎn)數(shù)可達(dá)2048甚至更多，模塊化結(jié)構(gòu)。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社51PLC原理結(jié)構(gòu)圖圖8-16 PLC原理框圖 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社52PLC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社532.

33、PLC 的工作原理圖8-18 PLC的等效電路 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社54PLC的工作方式采用巡回掃描的工作方式掃描周期：從掃描過程中的一點(diǎn)開始，經(jīng)過順序掃描又回到該點(diǎn)的過程。一個(gè)掃描周期的工作包括：進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控與自診斷輸入掃描執(zhí)行掃描輸出掃描。北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社55PLC系統(tǒng)工作過程 圖8-19 PLC工作過程 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社568.2.3 PLC常用編程語(yǔ)言1. 梯形圖語(yǔ)言LD (Ladder Diagram) 2. 語(yǔ)句表IL（Instruction List）3. 結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言ST（Structured Text）4. 順序功能圖SFC (S

34、equential Function Chart) 5. 功能模塊圖FBD(Function Block Diagram 1992年國(guó)際電工委員會(huì)IEC頒布了IEC61131-3控制編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，IEC61131-3定義了以下五種編程語(yǔ)言： 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社578.2.4 PLC應(yīng)用實(shí)例1. 交通信號(hào)控制的時(shí)序系統(tǒng)圖8-26 交通信號(hào)燈控制時(shí)序圖 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社58PLC外部輸入輸出信號(hào)接線圖 圖8-27 系統(tǒng)的I/O接線圖 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社59圖8-28 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)梯形圖北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社602. 物料混合裝置的批量控制系統(tǒng)工作過程如下：加料階段：按動(dòng)啟動(dòng)按鈕PS后，進(jìn)料電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器；當(dāng)液位上升到LS3時(shí)，攪拌電動(dòng)機(jī)M開始運(yùn)轉(zhuǎn)和攪拌；當(dāng)液位到達(dá)LS2時(shí)，進(jìn)料電磁閥YV1斷電關(guān)閉，電磁閥YV2通電打開，液體B流入容器；到液位LS1時(shí)，電磁閥YV2關(guān)閉，加料過程結(jié)束。攪拌階段：加料過程結(jié)束后，攪拌電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)半小時(shí)，進(jìn)行物料的充分混合。放料階段：打開混合物料的出料電磁閥YV3，攪拌電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直到液位下降到LS3才停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)關(guān)閉電磁閥YV3。停止階段：按動(dòng)停止按鈕PT，電磁閥YV3再打開60s，