嵌入式芯片軟件設(shè)計探討
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摘要:隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)作為計算機(jī)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，己深入到社會的方方面面。本文在ARM9硬件平臺的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)操作系統(tǒng)的實(shí)時性，設(shè)計滿足數(shù)控磨床加工需求的軟件系統(tǒng)。
一、嵌入式軟件開發(fā)方式
絕大多數(shù)的Linux或軟件開發(fā)都是以native方式進(jìn)行的，即本機(jī)開發(fā)、調(diào)試，本機(jī)的方式。這種方式通常不適合于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，因?yàn)閷τ谇度胧较到y(tǒng)的開發(fā)，沒有足資源在本機(jī)(即板子上系統(tǒng))運(yùn)行開發(fā)工具和調(diào)試工具。通常的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用交叉編譯調(diào)試的方式。簡單的說，交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼，如在x86的PC機(jī)上生成ARM平臺的可執(zhí)行代碼。
交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機(jī)(即一臺PC機(jī))上，對應(yīng)的開發(fā)板叫做目標(biāo)板。開發(fā)時使用宿主機(jī)上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，(這種可執(zhí)行并不能在宿主機(jī)上執(zhí)行，而只能在目標(biāo)板上執(zhí)行。)然后把可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。交叉開發(fā)技術(shù)己成為嵌入式軟件開發(fā)的主要方式。其開發(fā)步驟如下:在宿主機(jī)平臺上面編寫程序代碼;)使宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)連接，如使用交叉網(wǎng)線;使用交叉編譯器等工具編譯、連接應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行代碼;目標(biāo)機(jī)掛載(mount)宿主機(jī)的方式(或?qū)⒖蓤?zhí)行代碼下載到目標(biāo)機(jī)):開發(fā)人員使用交叉調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試;如果程序調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)異常，則轉(zhuǎn)至第(10)步;調(diào)試程序時發(fā)現(xiàn)錯誤，則利用交叉調(diào)試器定位錯誤;修改錯誤代碼;重復(fù)(3)—(9)步;將目標(biāo)機(jī)程序固化至目標(biāo)機(jī)上。
二、數(shù)控系統(tǒng)軟件任務(wù)研究
控軟件的功能大致可分為兩種，一種是控制功能，另一種是管理功能。其中，管理功能包括信息的輸入功能、輸出輸入輸出的處理功能、顯示功能和診斷功能，控制功能包括譯碼功能、刀具補(bǔ)償功能、速度控制功能、和位置控制功能。
從任務(wù)的特征來看，與通用實(shí)時系統(tǒng)相比，數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：
數(shù)控系統(tǒng)是一個混合任務(wù)系統(tǒng)，其任務(wù)按是否具有實(shí)時性要求和周期性要求可分為:實(shí)時周期性任務(wù)、實(shí)時突發(fā)性任務(wù)和非實(shí)時任務(wù)。實(shí)時周期性任務(wù)是指嚴(yán)格以定長時間間隔定時觸發(fā)，并且在規(guī)定的時間內(nèi)必須完成處理的任務(wù)。在數(shù)控系統(tǒng)中主要指加工過程中的插補(bǔ)控制、位置控制、數(shù)據(jù)采樣等需快速響應(yīng)的機(jī)床邏輯狀態(tài);實(shí)時突發(fā)性任務(wù)的發(fā)生是時間的隨機(jī)函數(shù)，要求有很高的實(shí)時性，它包括機(jī)床緊急停止、系統(tǒng)故障中斷等;非實(shí)時性任務(wù)是指實(shí)時性要求很低的任務(wù)，如:人機(jī)界面監(jiān)控，這類任務(wù)對于機(jī)床運(yùn)行和加工質(zhì)量的影響較小，其主要作用是讓操作者了解機(jī)床運(yùn)行狀況，增強(qiáng)機(jī)床的易操作性。
任務(wù)之間具有相關(guān)性。數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時任務(wù)除了自身的時限要求以外，任務(wù)之間通常也不是完全獨(dú)立的，一般存在時序約束、資源約束等約束關(guān)系。
系統(tǒng)在某一確定時刻的并發(fā)任務(wù)數(shù)量不多，與通用實(shí)時操作系統(tǒng)不同，數(shù)控系統(tǒng)的功能單一，因此調(diào)度程序幾乎不需要處理較大數(shù)量的并發(fā)任務(wù)。三、需求分析
數(shù)控控制系統(tǒng)通過良好的人機(jī)交互界面，完成顯示工作狀態(tài)、操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)定等任務(wù)，主要有以下幾個方面的綜合要求:
系統(tǒng)界面要求:圖形用戶界面可以實(shí)時顯示加工狀態(tài)、當(dāng)前時間、開機(jī)時間、加工時間、各個軸的坐標(biāo)位置，正在運(yùn)行的關(guān)鍵G代碼程序段等信息;
系統(tǒng)功能要求:操作人員可以在符合國際標(biāo)準(zhǔn)的條件下，無需了解嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的專用編程代碼，直接使用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的G代碼和M代碼，即可編制數(shù)控程序;
系統(tǒng)的運(yùn)行要求:操作人員可以根據(jù)需要點(diǎn)擊觸摸屏和鍵盤或機(jī)床面板按鈕，隨時監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài);還可以通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，如電機(jī)的啟停，正反轉(zhuǎn)等等;
異常處理要求:在正常生產(chǎn)條件下，每天運(yùn)行16小時，數(shù)控系統(tǒng)的無故障率P(t)≥99%，這要求其MTBF值(數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障時間，是衡量可靠性的重要指標(biāo))大于3萬時;在硬件不受損壞的情況下，系統(tǒng)軟件要有較強(qiáng)的容錯能力。
未來可能提出的擴(kuò)展要求:如能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的聯(lián)網(wǎng)控制、故障自診斷等、加工仿真、重要數(shù)據(jù)的備份、中英文界面切換等。
把上述提出的直觀需求轉(zhuǎn)化為具體的軟件功能需求，即為:
完成電機(jī)的啟動，制動和換向控制，實(shí)現(xiàn)加工過程中的主軸、近給速度實(shí)時調(diào)整。實(shí)現(xiàn)六軸的高精度聯(lián)動，并通過插補(bǔ)，完成工件的加工、磨削;在能夠滿足一定精度的前提下，實(shí)現(xiàn)自由曲線的粗插補(bǔ)和精插補(bǔ);
圖形用戶界面要求:實(shí)現(xiàn)參數(shù)的圖形菜單輸入，加工過程的仿真，并實(shí)時顯示加工圖形和各軸坐標(biāo)值，用戶可以通過觸摸屏和鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制;實(shí)現(xiàn)伺服信號、開關(guān)量信號、和輔助信號的宏指令控制，且符合G代碼和M代碼功能定義;
實(shí)現(xiàn)各功能電路的PLC控制，包括機(jī)床面板功能實(shí)現(xiàn)、主軸的起停、自動潤滑控制以及過載、超載、碰撞、掉電等緊急情況的處理;
為了方便用戶操作，還應(yīng)提供操作提示和幫助文檔，同時，系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力，即使受到干擾使系統(tǒng)控制失靈或程序運(yùn)行異常時，也能夠從錯誤或故障中恢復(fù)，保證系統(tǒng)的正常工作。
從以上功能需求分析得知，一個功能滿足六軸數(shù)控磨削系統(tǒng)基本需要的系統(tǒng)，必須包括以下幾個模塊:電機(jī)控制、圖形界面、譯碼、PLC、CAN通訊、硬件驅(qū)動等。
四、模塊劃分
模塊劃分的一條原則是盡量降低軟件模塊間的禍合度，高禍合度的系統(tǒng)是很難維護(hù)的。一處的修改引起另一處甚至更多處的變動。藕合度低的軟件可以很容易被重用、維護(hù)和擴(kuò)充。另一條原則是提高軟件的內(nèi)聚性，如果一個軟件的模塊只實(shí)現(xiàn)一個功能，那么該模塊具有高內(nèi)聚性。高內(nèi)聚性的軟件更容易維護(hù)和改進(jìn)。判斷一個模塊是否有高的內(nèi)聚性，是看能否用一個簡單的句子描述它的功能。如果用了一段話或者需要使用類似“和”，“或”等連詞，則說明需要將該模塊細(xì)化。只有高內(nèi)聚性的模塊才可能被重用。遵循上述原則，將系統(tǒng)軟件劃分為如圖1所示的子模塊。
嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應(yīng)用軟件的可移植性。
本系統(tǒng)采用了嵌入式操作系統(tǒng):Linux。系統(tǒng)各模塊在Linux的統(tǒng)一控制管理下有效的協(xié)調(diào)的工作。由圖1可知，本系統(tǒng)軟件主要由以下幾個功能模塊組成:
設(shè)備驅(qū)動模塊、譯碼模塊、圖形界面模塊等。這些模塊在操作系統(tǒng)的管理調(diào)度下協(xié)調(diào)一致的運(yùn)行。
五、軟件初始化及總程序流程
本系統(tǒng)采用s3c2410(ARM9核)作為控制核心，在用戶的應(yīng)用程序之前，需要有一些專門的代碼完成對系統(tǒng)的初始化。由于這類代碼直接面對ARM9處理器內(nèi)核和硬件控制器，一般都使用匯編語言完成。系統(tǒng)上電或復(fù)位后，程序從位于地址0x0的ResetExceptionVector處開始執(zhí)行(這里放置Bootloader的第一條指令:bResetHandler)，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號為ResetHandler處進(jìn)行第一階段的硬件初始化，主要內(nèi)容為:關(guān)看門狗定時器，關(guān)中斷，初始化PLL和時鐘，初始化存儲器系統(tǒng)。執(zhí)行完以上程序后，系統(tǒng)進(jìn)行堆棧和存儲器的初始化。系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯誤類型。一般情況下，管理者堆棧必須設(shè)置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置。如果系統(tǒng)使用了外設(shè)，則需要設(shè)置相關(guān)的寄存器，以確定其刷新頻率、總線寬度等信息。然后是初始化有特殊要求的端口和設(shè)備，初始化應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。最后是調(diào)用主應(yīng)用程序:
數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序初始化流程如圖2所示:
系統(tǒng)初始化以后，程序的大體流程為:首先加載G/M代碼解釋器、初始化參數(shù)，然后創(chuàng)建人機(jī)界面，G/M代碼經(jīng)解釋后，再調(diào)用響應(yīng)的例程完成I/O控制、插補(bǔ)、位置控制等，最后調(diào)用底層硬件的控制例程，完成對電機(jī)的控制。
參考文獻(xiàn)
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