嵌入式系統(tǒng)設計實例課件

ARM原理及應用第九講嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實例本節(jié)提要12嵌入式數控系統(tǒng)設計實例ARMMP3設計實例嵌入式系統(tǒng)設計流程產品定義：需求分析軟硬件劃分迭代與實現(xiàn)詳細的硬件與軟件設計系統(tǒng)測試系統(tǒng)維護與升級嵌入式系統(tǒng)的軟硬件劃分原則性能原則性價比原則資源利用率原則軟硬件協(xié)同設計硬件工程師考慮的問題硬件開發(fā)的投入及時間以縮小電路規(guī)模，抑制功耗為目的的設計會降低通用性和可維護性。2.軟件工程師考慮的問題較多的源代碼可以確保軟件的可維護性嵌入式系統(tǒng)詳細設計選擇處理器處理器的性能必須足夠執(zhí)行任務和支持產品生命周期支持軟件創(chuàng)建、調試、系統(tǒng)集成、代碼調整和優(yōu)化功能的軟件開發(fā)人員擁有處理器或處理器系列產品的開發(fā)經驗選擇操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)支持的微處理器操作系統(tǒng)的性能操作系統(tǒng)的軟件組件、中間件和設備驅動程序操作系統(tǒng)的調試工具、開發(fā)環(huán)境、在線仿真器（ICE）、編譯器、匯編器、連接器、調試器以及模擬器等。5.操作系統(tǒng)的標準兼容性6.操作系統(tǒng)的技術支持程度7.操作系統(tǒng)是提供源代碼還是目標代碼8.操作系統(tǒng)的許可使用情況開發(fā)平臺：操作系統(tǒng)相關的開發(fā)平臺相關外設的選擇FLASH，PROM(容量，boot速度)，RAM（容量，速度）成本、功耗、產品上市時間詳細的硬件與軟件設計流程硬件設計流程芯片選型-關鍵電路試驗-原理圖繪制-原理圖評審-印制板-樣板試制-硬件功能測試-硬件穩(wěn)定性測試軟件設計流程軟件代碼編制準備-軟件代碼編制-軟件單元代碼走讀-代碼單元測試-單元代碼修改-單元代碼回歸測試嵌入式數控系統(tǒng)設計實例需求分析—(數控系統(tǒng)需求分析)架構設計—(數控系統(tǒng)架構分析)詳細設計—(數控系統(tǒng)的詳細設計)系統(tǒng)測試—(數控系統(tǒng)的測試)數控系統(tǒng)是一種自動閱讀輸入載體上事先給定的數據，并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件的控制系統(tǒng).它的工作原理是通過各種輸入方式，接受加工零件的各種數據信息，經過譯碼、處理、插補，生成各坐標軸的參考位置，把各軸的參考位置送到軸控制器中，驅動軸的運動，使各個坐標軸能精確地運動到所要求的位置。需求分析——功能需求功能需求—數控系統(tǒng)控制裝置PLC人機界面軸冷卻主軸….反饋速度位置輸入輸出速度位置指令狀態(tài)反饋開/關CNC機床M功能PLC功能機床控制器CNC機床控制模型需求分析輸入輸出輸入/輸出/通訊功能字符圖形顯示功能程序編制功能數據處理插補功能進給功能主軸速度功能刀具功能補償功能輔助功能報警自診斷功能需求分析－數控系統(tǒng)的功能非功能需求物理環(huán)境－車間，工作環(huán)境惡劣用戶－一般是車間操作員，操作水平有高有低質量保證－－用在工業(yè)控制環(huán)境質量要求高，同時現(xiàn)在市場競爭激烈，如果質量不好很難在市場上站住腳非功能需求－數控系統(tǒng)QOS數控系統(tǒng)響應性高，主要是對突發(fā)事件的反應（如撞刀，急停）數控系統(tǒng)具有可確定性。因為可確定性主要是確保條件/事件出現(xiàn)和由此引起的動作開始/結束的時間在一個準確的時間間隔內。在CNC系統(tǒng)中，條件/事件是由操作員的指令（緊急停止，移動x軸等）或是機床的狀態(tài)（如刀具破損等）引起的。實際上，需要滿足時間約束的情況主要是和系統(tǒng)安全（如對突發(fā)事件的反應等）以及切削精度（更高的精度影響插補周期）有關，因此數控系統(tǒng)具有硬實時任務。硬實時任務指必須滿足最后期限的限制，否則會給系統(tǒng)帶來不希望的破壞或者致命的錯誤。性能高－需要進行許多復雜的運算可靠性－可靠性要高，在加工過程中不出現(xiàn)問題，至少一個月之內不能死機，出現(xiàn)故障，安全程度高非功能需求－QOS如果已有的系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)了相似的功能,重用該結構是個很好的選擇如果這是個全新的項目,考慮這些功能是否能用一個處理器實現(xiàn).單個處理器最容易實現(xiàn)和調試的如果該應用需要用多個處理器,最好選用能夠滿足需求的最少處理器實現(xiàn)在多處理器設計中,把控制和管理用一個處理器實現(xiàn),這樣簡化了操作.系統(tǒng)中其他處理器處理系統(tǒng)中的工作負載.按照這種方式設計的多處理器系統(tǒng),可以從一個小的系統(tǒng)擴充為一個大的系統(tǒng),通過增加處理器.因此客戶可以從簡單的處理器入手,隨著系統(tǒng)負載的增加而增加需求分析——識別處理器平臺的特殊需求(該平臺是否需要實時操作系統(tǒng)的支持)對該硬件和軟件平臺的使用情況?支持該硬件和軟件平臺公司的財務狀況如何?(當然不能選擇不能提供硬件/軟件平臺支持的公司的產品提供該平臺公司的發(fā)展目標是什么?(當然不希望選擇的平臺沒有一個清晰的升級途徑)該平臺是否有合適的開發(fā)工具可以使用該平臺開發(fā)的開發(fā)人員有多少?對開發(fā)人員培訓的費用是多少預留性能(例如,不能選用一個CPU資源使用80%,預留未來增加的空間該平臺需要完善嗎?一個良好的平臺比一個需要完善的平臺要便宜得多平臺的設備驅動程序(是否能夠提供用戶開發(fā)的設備驅動程序)平臺支持那些通訊協(xié)議(如.平臺平臺是否支持TCP/IP,HTTP,UDP等)挑選操作系統(tǒng)和硬件(a)(b)(c)網絡接口HMI專用通道機床…..PLC控制裝置數控系統(tǒng)機床…..PLC控制裝置CNC單元PC機床…..控制軟件軸伺服軸伺服軸伺服軸伺服軸伺服軸伺服PCPC網絡接口HMI網絡接口HMI選擇處理器—數控系統(tǒng)處理器現(xiàn)在可用的數控系統(tǒng)有單個CPU,兩個CPU,三個CPU高檔數控一般采用兩個CPU實現(xiàn)，更有甚者采用三個CPU，我們這個項目為中低檔數控，單個處理器可以實現(xiàn)Arm7的性能滿足系統(tǒng)的需要，同時由于需要IO的實現(xiàn)，以及伺服電機的控制，所以采用ARM7+FPGA的結構。ARM芯片價格低廉。選擇處理器—數控系統(tǒng)處理器操作系統(tǒng)平臺的選取通用操作系統(tǒng)(windowunix/linux)本質上是不可預測的，導致實時處理的不可靠性（即使是相對較慢，計算簡單的任務）。通用系統(tǒng)都是多任務系統(tǒng)，意味著它們允許計算機同時運行幾個進程。它們通過分時技術允許多個任務并發(fā)，在所有活動任務間分配資源。分時的一個直接后果是實時精度不能保證，很多時候，程序員使用軟件中斷滿足任務的最后期限，這就是強迫操作系統(tǒng)在一個給定的時間響應中斷并提供服務，然而由于中斷的分辨率很低（如linux是100hz），這個方法只在任務實時性較低的情況下使用（也就是說任務的速率比中斷的速率還要低）。還有就是對操作系統(tǒng)底層的修改，如提高中斷頻率，改變任務的優(yōu)先級等方法可以提高一些操作系統(tǒng)的實時精度，但是這樣的改變對操作系統(tǒng)的性能有一定的損壞。實時操作系統(tǒng)專用實時系統(tǒng)VxWorks，WindowCEQNX，REAL/IX等。RTOS費用很高，開放源碼的實時系統(tǒng)rtai,rtlinuxucosDOS，許多控制系統(tǒng)包括數控系統(tǒng)仍然使用DOS。DOS之所以能夠保證系統(tǒng)的實時性，只是因為它不是多任務系統(tǒng)——它每次只執(zhí)行一個任務。DOS只專注于一個任務，這樣可以保證任務的實時性。操作系統(tǒng)平臺的選取ucosII的理由ucosII是個實時多任務操作系統(tǒng)是個開放源碼－－降低開發(fā)費用，如果選擇專業(yè)操作系統(tǒng)，費用高有強有力的支持（這一點是選擇這個系統(tǒng)很重要的原因）操作系統(tǒng)平臺的選取數控系統(tǒng)設計數控系統(tǒng)設計與開發(fā)定義系統(tǒng)總體結構定義軟件總體結構軟硬件協(xié)同設計定義軟件模塊任務設計數控系統(tǒng)設計－定義系統(tǒng)結構數控系統(tǒng)總體結構采用處理器設計模式系統(tǒng)采用單一處理器結構ARM系統(tǒng)ARM+FPGA實現(xiàn)整個硬件系統(tǒng)數控系統(tǒng)設計－定義軟件總體結構數控系統(tǒng)軟件總體結構軟件采用任務設計模式和功能協(xié)調模式相結合的軟件結構任務內部采用有限狀態(tài)機的設計模式數控系統(tǒng)設計－軟硬件協(xié)同設計軟硬件協(xié)同設計一旦軟件結構確定了，硬件和軟件工作組在一起工作確定軟件和相關的功能。這個過程是指軟件和硬件工作組一起工作定義最終系統(tǒng)結構.這是一個迭代的過程，系統(tǒng)結構的改變有時會改變軟件和硬件的結構.數控系統(tǒng)設計－定義軟件模塊定義軟件模塊確定系統(tǒng)需要支持的所有功能.基于實現(xiàn)的工作類型分組.把執(zhí)行同一功能的模塊歸為一個任務.例如人機界面，譯碼，插補，伺服等.數控系統(tǒng)設計－數控系統(tǒng)任務模塊數控系統(tǒng)任務模塊人機界面－顯示，操作，控制功能譯碼模塊－把數控代碼翻譯成可識別的結構插補模塊－把數據點細化伺服模塊－生成脈沖指令控制電機總控模塊－協(xié)調各個模塊之間的關系邏輯模塊－處理IO口數控系統(tǒng)設計－數控系統(tǒng)任務模塊OSTaskCreate(Frame_Task,(void*)0,(OS_STK*)&Frame_Task_Stack[STACKSIZE-1],CNC_Frame_Task_Pri);//1OSTaskCreate(Interp_Task,(void*)0,(OS_STK*)&Interp_Task_Stack[STACKSIZE-1],CNC_Interp_Task_Pri);//1OSTaskCreate(Decode_Task,(void*)0,(OS_STK*)&Decode_Task_Stack[STACKSIZE-1],CNC_Decode_Task_Pri);//1OSTaskCreate(Display_Task,(void*)0,(OS_STK*)&Display_Task_Stack[STACKSIZE-1],CNC_Display_Task_Pri);//1OSTaskCreate(Logic_Task,(void*)0,(OS_STK*)&Logic_Task_Stack[STACKSIZE-1],CNC_Logic_Task_Pri);//1數控系統(tǒng)設計－任務設計數控系統(tǒng)任務設計指南不要引入很多狀態(tài)使設計復雜化.不要使用太少的狀態(tài)使設計復雜化.使數據結構定義簡單.處理存儲越界的情況.考慮所有定義的場景.確保所有分配的資源在結束時釋放.考慮使用層次狀態(tài)機簡化狀態(tài)機設計.數控系統(tǒng)設計－任務設計選擇任務類型單個狀態(tài)機多個任務選擇狀態(tài)機簡單狀態(tài)機數控系統(tǒng)設計－任務設計分配優(yōu)先級，由于采用ucos操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先權可搶占的調度方式采用靜態(tài)固定分配，優(yōu)先級與周期成反比，周期越短優(yōu)先級越高。非周期性任務則按照重要性分配，重要性越高優(yōu)先級越高系統(tǒng)的優(yōu)先級分配情況如下：伺服最高，插補次之，邏輯處理次之，譯碼次之，人機界面最低數控系統(tǒng)設計－任務之間通訊任務間通訊ucos-II提供郵箱，消息隊列，全局變量，共享內存的方式提供任務間通訊各種通訊方式的比較郵箱消息隊列全局變量共享內存共享內存是最快的通訊方式數控系統(tǒng)設計－共享內存OSMemCreate（）創(chuàng)建內存voidinitCNCMem(void){ INT8Uerr; pCNCMem=OSMemCreate(CNCMemPart,CNCMemSize,CNCblkSize,&err); if(pCNCMem==NULL){ Uart_Printf("FailedtoCreateCNCMessagequote"); }}OSMemGet（）獲得內存voidinitManual_data(void){INT8Uerr; manual_data=(MANUALDATA*)OSMemGet(pCNCMem,&err);}//endinitManual_data數控系統(tǒng)設計－共享內存任務1任務2任務3全局變量表局部變量表局部變量表TM4TM3TM1TM2數控系統(tǒng)設計－共享內存局部變量表數據結構全局變量表數據結構GIFitem1nameGIF_nvarGIF_sizeGIF_timeGIF_lockGIF_dirtGIF_firstGIF_lastGIFitem3GIFitem2GIFitemnnextGIF_typeGIF_tsGIF_nextGIF_spot到下一個元素gdata_spotqdata_spotldata_typeditem2ditemn…..ldata_typegdata_spotditem1litemnitemVarCopyToGsizetimegptrliterm1litem2…..itemPCopyToGqitem[n]itemVarCopyFromGitemPCopyFromG存放數據的內存區(qū)數據項nvarname數控系統(tǒng)設計－同步方法：關中斷/開中斷

OS_ENTER_CRITICAL();dostuffOS_EXIT_CRITICAL();信號量voidOSSemPend(OS_EVENT*pevent,INT16Utimeout,INT8U*err);INT8UOSSemPost(OS_EVENT*pevent);互斥量voidOSMutexPend(OS_EVENT*pevent,INT16Utimeout,INT8U*err);INT8UOSMutexPost(OS_EVENT*pevent);全局變量boolXXXflag=0If(xxxflag==0){if(xxxflag==1){Dostuff;dostuff;xxxflag=1;xxxflag=0}}數控系統(tǒng)設計－同步優(yōu)先級逆轉一般是在兩個任務訪問共享數據時出現(xiàn)，為了保證數據的一致性，這兩個訪問必須串行，如果優(yōu)先級高的任務首先獲得訪問權，則優(yōu)先級的順序保持一致，如果優(yōu)先級低的任務首先獲得訪問權，這時優(yōu)先級高的任務請求訪問，則優(yōu)先級高的任務必須等到優(yōu)先級低的任務完成訪問為止解決方法優(yōu)先級繼承優(yōu)先級上界數控系統(tǒng)設計－執(zhí)行時間的測量時間測量主要目的是測量單個任務的執(zhí)行時間評估系統(tǒng)的整個實時性能精確的實時調度分析優(yōu)化代碼調試時間錯誤數控系統(tǒng)設計－執(zhí)行時間的測量方法：秒表DateTimeprof和gprof軟件分析儀定時器/定時器時間片邏輯分析儀數控系統(tǒng)設計－執(zhí)行時間的測量數控系統(tǒng)設計－clock＃include“time.h”O(jiān)S_EXTvolatileINT32UOSTime;/*Currentvalueofsystemtime(inticks)*/INT32Ustart,finish;doubletotlastart=OSTime;Dostufffinish=OSTime;total=(double)(finish-start)/(double)CLK_TCKUart_printf(“Total=%f\n”,total”);數控系統(tǒng)開發(fā)－周期任務的實現(xiàn)ucos－II的任務是個無限循環(huán)不是周期任務Voidtask(void*prio){for(;;){Dostuff}}

利用OSTimeTickHook（）函數實現(xiàn)周期性函數,不過只能實現(xiàn)ticks整數倍的周期任務數控系統(tǒng)開發(fā)－周期任務的實現(xiàn)voidtask(void*prio){for(;;){OSTaskSuspend(pri);Dostuff;}}intperiodic=0;OSTimeTickHook（）{ periodic++; if(periodic>=n){//任務周期＝n*ticks OSTaskResume(pri) }}設計原則－－越簡單越好系統(tǒng)詳細設計指南使用查找表和指針函數而不是ifelseorswitch使用固定大小的數組避免動態(tài)分配內存降低系統(tǒng)中的任務數避免任務互相依賴避免多線程設計避免一個大的循環(huán)對經常執(zhí)行的部分進行優(yōu)化使用狀態(tài)機簡化設計在開始對軟件進行優(yōu)化對時間進行測量使用時間標記，避免運行定時器

設計原則－－越簡單越好系統(tǒng)設計指南在設計時要注意內存分析避免使用循環(huán)延時而用系統(tǒng)提供的延時機制降低消息握手次數簡化硬件結構優(yōu)先選用通用的計算平臺而不是特殊的平臺不要使用具有所有權的協(xié)議和操作系統(tǒng)優(yōu)先購買硬件平臺而不是設計優(yōu)先考慮重用設計避免使用異類的硬件和軟件環(huán)境考慮硬件升級降低軟件的努力把配置系統(tǒng)參數減小到最小“0或者1或者n”規(guī)則

設計原則－－查找表boolisServiceAllowed(TerminalTypetype,Serviceservice){boolallowed=false;if(type==PLATINUM){if(service==VOICE||service==HIGH_SPEED_DATA||service==FAX){allowed=true;}}elseif(type==GOLD){if(service==VOICE||service==LOW_SPEED_DATA||service==FAX){allowed=true;}}elseif(type==SILVER){if(service==LOW_SPEED_VOICE||service==LOW_SPEED_FAX){allowed=true;}}returnallowed;}

boolisServiceAllowed(TerminalTypetype,Serviceservice){return(terminalServiceLookup[type][service])}

設計原則－－不使用大循環(huán)任務2任務3任務1使用適當的并行設計方法非搶占－周期或多速率執(zhí)行搶占－實時操作系統(tǒng)不用中斷模擬多任務設計原則－－時間標記

boolincrementLeakyCounter(){booloverflow=false;/*Thiscounterneedstoberesetiftheerrorcounterhasnotbeenincrementedforalongduration.Themainobjectiveistocatchaflurryoferrorsleadingtocounteroverflow*/if((currentTime-lastIncrementTime)>LEAK_PERIOD){counter=0;}lastIncrementTime=currentTime;counter++;if(counter>OVERFLOW_THRESHOLD){overflow=true;}returnoverflow;}數控系統(tǒng)開發(fā)－導致系統(tǒng)崩潰的問題下面的軟件問題導致軟件崩潰:無效的數組索引沒有初始化的指針操作沒有授權的buffer操作非法的棧操作無效的處理器操作無限循環(huán)

嵌入式數控系統(tǒng)原型樣機（2003年）系統(tǒng)應力測試功能干涉測試干涉負載測試應力負載測試系統(tǒng)應力測試系統(tǒng)測試－功能干涉測試干涉測試過程一旦定下功能測試矩陣，需要從矩陣中定下詳細的測試過程。測試過程分為兩類:簡單測試，只涉兩個功能間的干涉負載測試，涉及多個功能間的干涉測試功能干涉測試干涉負載負載測試可以從干涉矩陣中得到.基本上是就不同的功能運行同時同一個負載。這里負載也許意味著通過腳本重復執(zhí)行操作者命令，周期性重啟系統(tǒng)板等上面的矩陣可以是干涉負載測試最好的例子:整天運行自動運行同時MDI命令.運行手動方式下執(zhí)行MDI和自動運行等.干涉負載測試應力負載測試指南過載系統(tǒng).在實際的環(huán)境中進行負載測試.

負載測試時負載隨時間不同而不同.測試同一時間到達的負載。測試具有不同服務時間的負載.

測試負載性能.應力負載測試譯碼任務過載，插補任務過載，伺服任務過載，中斷過載以上任一任務的過載都會引起系統(tǒng)向伺服電機發(fā)送脈沖的間斷，同時顯示刷新太慢。數控系統(tǒng)應力負載測試本節(jié)提要12嵌入式數控系統(tǒng)設計實例ARMMP3設計實例設計實例——基于ARM7MP3Player要實現(xiàn)MP3Player主要有以下兩種方法：1、MCU+USB接口芯片+硬件解碼芯片+海量存儲芯片+音頻DAC+耳機放大器；（實現(xiàn)參考UP-MP3DIY2.00學習板）2、MCU+USB接口芯片+軟件解碼算法+海量存儲芯片+音頻DAC+耳機放大器；（實現(xiàn)參考UP-ARMMP3DIY1.00學習板）前者的MCU可以為MCS-51系列單片機,（如AT89C51SND1）后者為ARM7體系結構的微控制器。（如S3C44B0X）基于ARM的MP3播放器ARM微處理器SDRAMNandFlashNorFlash網卡芯片音頻芯片USB芯片小鍵盤電源系統(tǒng)硬件方案實現(xiàn)

基于S3C44B0X微處理器+軟件解碼算法的MP3Player的硬件方案實現(xiàn)如下：S3C44B0X最小系統(tǒng)：CPU、RAM、ROM和電源、復位、JTAG。擴展部分：音頻DAC、UART、鍵盤、NANDFLASH、USB接口、以太網接口。實現(xiàn)最小系統(tǒng)1、S3C44B0X的結構和特點：S3C44B0X微處理器是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。

⑴帶8KB緩存的2.5V靜態(tài)ARM7TDMICPU核；⑵擴展內存控制器（FP/FDO/SDRAM控制，片選邏輯）；⑶2個通用DMA通道，1個帶外部請求管腳的DMA通道；⑷71個通用I/O口，8個外部中斷資源；⑸帶PLL的片上時鐘發(fā)生器；⑹8個內存Bank共可以尋址256MB存儲空間；⑺UART和IIS總線接口；……

S3C44B0X豐富的內部資源，使得系統(tǒng)硬件設計大大簡化：時鐘和復位電路系統(tǒng)時鐘輸入由6MHz的外部晶陣提供，由內部PLL電路倍頻至66MHz，供給CPU運行。系統(tǒng)復位信號由IMP811T芯片提供，并且設計了RESET按鈕，可以在系統(tǒng)運行過程中隨時復位操作，便于系統(tǒng)調試。系統(tǒng)初始配置和JTAG調試接口：

下面的電路圖中的8個電阻分別為JTAG上拉電阻和系統(tǒng)運行模式初始配置的電阻，右邊的插座為14PinJTAG調試插座，配合仿真器可以下載bootloader代碼和調試應用程序。系統(tǒng)總線和控制信號，RAM的連接：系統(tǒng)中所使用的RAM芯片與處理器的連接方式。以前的PC-133的計算機內存芯片，型號為HY57V641620。ROM的連接：ARM處理器最小系統(tǒng)中的ROM芯片與處理器的連接方式。這里配置容量為2MB的NORFLASH芯片，型號為AM29LV160。系統(tǒng)供電電源：系統(tǒng)中所用到電壓有3種：5v、3.3v和2.5v。其中5v為系統(tǒng)總電源，3.3v電壓供給系統(tǒng)外設接口，2.5v為處理器的內核電壓。最小系統(tǒng)配置完成：到此為止，S3C44B0X的最小系統(tǒng)已經可以運行了，這也是該MP3系統(tǒng)的運行的基礎，我們可以在這個系統(tǒng)上下載到系統(tǒng)的ROM中，運行測試最小系統(tǒng)。我們在對最小系統(tǒng)做到成竹在心之時，后面的MP3Player的實現(xiàn)工作定會達到事半功倍的效果！NandFlash存儲器：

NandFlash存儲器在系統(tǒng)中作為電子硬盤使用，用來存儲MP3歌曲和應用程序。USB通訊接口：U