以实时操作系统为中心的嵌入式系统平台化设计研究

摘要

嵌入式系统正朝着复杂化、大规模化和智能化的方向发展,对功能、性能、功耗和成本等方面提出了更多的要求和约束。如何在不同的要求和约束之间取得平衡是未来嵌入式系统设计所必须面对的挑战。平台化设计(Platform-BasedDesign)是应对这一挑战,在嵌入式系统诸多要求和约束中取得平衡的有效方法之一。平台化设计是一种系统级的设计方法,既包括软件平台化也包括硬件平台化,其核心一方面是强调软硬件的可复用性和可编程性从而实现对不同应用的灵活性,另一方面是强调硬/软件协同设计从而实现设计的优化。针对实时和中小型嵌入式系统,以实时操作系统(Real-TimeOperatingSystem,RTOS)为中心的平台化设计是一种更为合适的选择。本文对以实时操作系统为中心的嵌入式系统平台化设计进行了详细研究,围绕开放实时嵌入式系统软件平台TOPPERS(ToyobashiOPenPlatformofEmbeddedReal-timeSystem)提出并实现了一个面向中小型嵌入式系统软硬件全可编程的快速原型开发平台,具体应用在工业测量仪器仪表、移动机器人和运动控制等领域中。适当放宽成本和功耗约束后,改进和扩展后的平台也适用于高端嵌入式系统。本文工作主要贡献如下。
　　实时操作系统作为本文中平台化设计的核心和基础,其功能、性能、可扩展性等因素对整个平台都有着极为重要影响。本文从定性和定量两方面对目前主要的、具有代表性的开源实时操作系统进行了详细评价,分析比较了各自的优缺点,提出了一系列评价指标以及相应的测量方法,为实时操作系统的设计、选型和应用提供了理论和实验依据。通过评价比较,本文选择了TOPPERS作为平台化设计核心和基础,同时介绍了对其不足之处所做的改进。
　　本文具体研究了面向中小型嵌入式系统的平台化设计,针对该类系统的特点,提出并实现了一个软硬件全可编程快速原型开发平台。该平台硬件上基于处理器-可编程逻辑混合架构,软件上以TOPPERS为核心,提出并应用了以实时操作系统为中心的硬/软件协同设计方法,构建了相应的硬/软协同仿真环境。相关评价实验和在工业测量仪器仪表领域的实际应用显示该平台充分发挥了硬软件全可编程的特点和硬/软件协同设计的优势,在成本、功能和性能之间取得了较好的平衡。
　　本文将平台化设计与所实现的基础平台具体应用于移动机器人领域,提出了一种新型混合实时移动机器人平台(HybridReal-timeMobileRobotPlatform,HRMRP),实时、异构和组件化是其主要特点。该平台在结构上包含三层,数据层负责外设接口和硬件加速,实时控制层负责实时控制,高性能层负责高级复杂的功能。HRMRP在硬件上进一步提升了核心器件的性能,在软件上针对移动机器人的特点设计了更多的中间件并引入了机器人分布式系统框架ROS(RobotOperatingSystem),从而实现了一个更加完整的应用平台。
　　最后针对更复杂的高端嵌入式系统,提出了相应的扩展和改进方法,研究了片上异构多核环境下平台化设计的若干关键问题。在适当放松成本和功耗约束的基础上,整个平台在功能、性能和灵活性上获得大幅度提升。本文实现了多核环境下实时操作系统与通用操作系统的共同运行,并借助硬件机制有效隔离两者,从而在获得通用操作系统所带来更加丰富功能的同时又保障了实时操作系统的实时性和可靠性。

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英文摘要

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1 绪论

研究背景1.1

嵌入式系统发展及其平台化设计趋势1.2

以实时操作系统为中心的嵌入式系统平台化设计1.3

国内外主要实时操作系统软件平台1.4

论文组织结构1.5

2 平台化设计中实时操作系统定性定量分析与评价

概述2.1

评价原则2.2

实时内核TOPPERS/ASP的体系结构与特点2.3

实时内核定性分析2.4

实时内核定量评价实验2.5

评价总结2.6

本章小结2.7

3 中小型嵌入式系统平台化设计研究

概述3.1

平台化设计流程与平台架构选择3.2

混合硬件架构平台设计3.3

核心软件平台设计3.4

以实时操作系统为中心的硬/软件协同设计方法3.5

系统评价实验3.6

具体应用平台实例-工业测量仪器仪表平台3.7

本章小结3.8

4 移动机器人系统平台化设计与应用研究

概述4.1

设计目标和特点4.2

层次化体系结构设计4.3

移动机器人节点软硬件架构设计4.4

平台化设计空间探索流程4.5

基于视觉传感器的轨迹追踪系统应用4.6

本章小结4.7

5 片上异构多核环境下的平台化设计研究

概述5.1

多核全可编程片上系统平台与平台架构改进5.2

面向多核系统的实时操作系统研究5.3

实时操作系统与通用操作系统共同运行机制5.4

多直流电机运动控制系统应用5.5

本章小结5.6

6 总结与展望

工作总结6.1

主要创新点6.2

未来展望6.3

致谢

参考文献

附录1：攻读博士学位期间发表论文目录

附录2：公开发表的学术论文与博士学位论文的关系