面向机电设备智能化的复杂嵌入式系统研究与实现

摘要

随着嵌入式技术的广泛发展与应用，嵌入式系统的设计需求越来越多样化，这包括实时性、专用性、低功耗技术等；另一方面，对嵌入式系统的功能要求也越来越全面。但是嵌入式系统的一个很重要的特点就是其专用性，这不仅仅体现在系统应用程序的专用性，而且体现在处理器的功能方面。一种结构的处理器芯片往往在某一方面有很好的性能，但是当用在其它应用系统的时候就显得不够高效。而现在复杂嵌入式系统的需求在很大程度上是一种综合的需求，可能既存在高速数据处理需求，又存在实时性很高的控制需求，这种需求与嵌入式系统面向特定应用的特性是相矛盾的。 这一问题有两种可能的解决方法，一种解决方法就是开发功能更强大，结构更复杂的处理器芯片，但这种方法受着计算机体系结构等方面的制约。另外一种方法就是同时使用多个不同体系结构的处理器芯片，使它们协同工作，对应不同的应用使用不同的芯片，以便达到高性能和多功能的良好结合。这一设计方法将引发硬件处理器芯片选择和软件操作系统实现两个方面的研究工作。 本论文基于上述第二种方法，提出了一种面向机电设备智能化的复杂嵌入式系统研究与实现方案。该方案在同一个系统中同时使用多个不同体系结构的处理器芯片，使它们协同工作以满足复杂嵌入式应用需求。本论文以一个工业现场数据采集与监控系统为例展示了上述解决方案。 该监控系统由控制子系统和数据采集与处理子系统组成，其中控制子系统硬件上采用ARM体系结构处理器S3C4-4BOX，软件采用RTEMS实时操作系统；数据采集与处理子系统则采用DSP处理器TMS320VC5509作为硬件平台并采用uC/OS操作系统作为软件平台。其中一个控制子系统可以同时控制多个处理子系统以完成复杂的工作。两者之间采用HPI口以满足高速数据传输的需求。 这种解决方案的优点在于，可以将复杂的系统分解成几个子系统分别进行开发，加快开发进程，同时兼顾了异构处理器各自的优势，使得系统的性能和功能达到优化组合。对于类似于本文提出的工程项目，可采用这一方案高效完成工作。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2嵌入式系统概述

1.2.1嵌入式系统综述

1.2.2嵌入式系统的发展过程

1.2.3嵌入式系统的发展趋势

1.3研究意义

1.4论文的组织

第二章问题抽象及关键技术研究

2.1问题的提出

2.2解决方案

2.3涉及到的关键技术研究

2.3.1多CPU硬件平台技术

2.3.2功能划分技术

2.3.3多CPU通讯技术

2.4本章小结

第三章系统总体设计

3.1总体方案设计及功能描述

3.2系统控制子系统设计

3.3数据采集处理子系统设计

3.4通信方案的设计

3.5本章小结

第四章系统控制子系统设计与实现

4.1 ARM体系结构简介

4.2 RTEMS操作系统介绍

4.2.1 RTEMS与其他嵌入式操作系统的比较

4.2.2 RTEMS特点介绍

4.3 S3C44B0X的BootLoader设计

4.3.1 BootLoader的工作方式

4.3.2程序文件组织

4.3.3汇编语言部分功能实现

4.3.4 C语言部分功能实现

4.4基于S3C44B0X的BSP实现

4.4.1开发步骤

4.4.2启动代码实现

4.4.3配置链接器命令脚本

4.4.4 RTEMS执行映像生成过程

4.5本章小结

第五章数据采集处理子系统设计与实现

5.1 DSP芯片TMS320VC5509介绍

5.1.1 DSP芯片的基本结构

5.1.2 TMS320VC5509的基本特征

5.2 μC/OS操作系统介绍

5.2.1 μC/OS体协结构

5.3 TMS320VC5509的BootLoader开发

5.3.1 Bootloader的基本原理与模式

5.3.2并行启动模式设计依据

5.3.3 16位并行EPROM方式的Boot表

5.3.4 16位并行EPROM工作方式Boot表的生成

5.4移植μC/OS到TMS320VC5509

5.4.1 OS_CPU.H的编写

5.4.2 OS_CPU_C.C的编写

5.4.3 OS_CPU_A.S的编写

5.5本章小结

第六章通信系统设计与实现

6.1通信方案设计

6.2初始化时相关的重要寄存器设置

6.3基本数据读写操作

6.4 HPI接口设备驱动程序设计

6.4.1 HPI接口设备数据结构及其系统接口定义

6.4.2读取HPI接口数据

6.5本章小结

第七章系统测试与验证

7.1测试方案

7.2系统测试

7.3本章小结

第八章结论与展望

参考文献

致谢