1、計算機(jī)控制系統(tǒng),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,3,8.1 嵌入式系統(tǒng) 8.1.1 概述 8.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù) 8.1.3 實時操作系統(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)計實例 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常用編程語言 8.2.4 PLC應(yīng)用實例 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

2、版社,4,嵌入式產(chǎn)品一覽,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,5,8.1.1 概述,1. 嵌入式系統(tǒng)定義和分類,電氣工程師協(xié)會（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。”,一般定義：,“以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)?！?北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,6,嵌入式系統(tǒng)的幾個重要的特點：,小型系統(tǒng)內(nèi)核； 專用性較強； 系統(tǒng)精簡，以減少控制系統(tǒng)成本，利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全； 采用高實時性的操作系統(tǒng)，且軟件要固化存儲； 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

3、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)的分類,硬件方面： 芯片級嵌入（含程序或算法的處理器） 模塊級嵌入（系統(tǒng)中的某個核心模塊） 系統(tǒng)級嵌入 軟件方面（根據(jù)實時性要求）： 非實時系統(tǒng)（例如PDA等） 實時系統(tǒng) 硬實時系統(tǒng)若系統(tǒng)在指定的時間內(nèi)未能實現(xiàn)某個確定的任務(wù)，就會引起系統(tǒng)崩潰或?qū)е轮旅e誤（如導(dǎo)彈飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)）。 軟實時系統(tǒng)在該類系統(tǒng)中雖然響應(yīng)時間同樣重要，但是超時卻不會導(dǎo)致致命錯誤，這也意味著偶爾超過時間限制是可以容忍的（如消費類產(chǎn)品） 。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,8,2. 嵌入式處理器,(1) 嵌入式微控制器(Mico Controller

4、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、定時器/計時器、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，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)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP) 專用于信號處理方面的處理器，其

5、可進(jìn)行向量運算、指針線性尋址等運算量很大的數(shù)據(jù)處理，具有很高編譯效率和指令執(zhí)行速度 (4)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip, SOC) 在一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其最大的特點是實現(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,9,3. 開發(fā)設(shè)計工具,硬件設(shè)計工具 系統(tǒng)級設(shè)計方面采用的硬件設(shè)計工具有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)計方面的設(shè)計工具有Protel、PADs 的Power PCB & Tool Kit和Mentor的Expedition &

6、 Tool Kit。 可編程邏輯器件設(shè)計工具還有Mentor FPGA Advantage & ModelSim、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,10,3. 開發(fā)設(shè)計工具,軟件開發(fā)平臺 高級語言編譯器（Compiler Tools）。 實時在線仿真系統(tǒng)ICE（In Circuit Emulator）。 源程序模擬器（Simulator）。 實時多任務(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

7、術(shù)支持和售后服務(wù)，但價格昂貴而且都針對特定的硬件平臺。如WindRiver公司的VxWorks、Palm Computing掌上電腦公司的Palm OS等。 免費的RTOS主要有Linux和C/OS等。盡管這些資源帶有源碼，但理解、消化并運用在某應(yīng)用系統(tǒng)上也是一項艱苦的工作，相應(yīng)的調(diào)試工具是沒有免費的。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,11,4. 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢,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,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）

8、 人們攜帶方便。 可靠性（汽車VCD跳動問題） 能夠在一般環(huán)境條件下或者是苛刻的環(huán)境條件下運行。 高速度（飛機(jī)剎車系統(tǒng)） 能夠迅速地完成數(shù)據(jù)計算或數(shù)據(jù)傳輸。 智能性（知識推理、模糊查詢、識別、感知運動） 使人們用起來更習(xí)慣，對人們更有使價值。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,13,8.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(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,14,2 傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù),設(shè)計過程的基本特征是：系統(tǒng)在一開始就被劃分為軟件和硬件兩大部分，軟件和硬件是獨立地進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，通常采用的是“硬件先行”的設(shè)計方法。,問題： (1)軟硬件之間的交互受

9、到很大限制，造成系統(tǒng)集成相對滯后，因此傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果往往是設(shè)計質(zhì)量差、設(shè)計修改難，同時研制周期不能得到有效保障。 (2) 隨著設(shè)計復(fù)雜程度的提高，軟硬件設(shè)計中的一些錯誤將會使開發(fā)過程付出昂貴的代價。 (3)“硬件先行”的做法常常需要由軟件來補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。,圖8-3 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,15,3. 軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù),(1) 軟硬件協(xié)同設(shè)計定義： 在硬件和軟件設(shè)計中，通過并發(fā)和交互設(shè)計來滿足系統(tǒng)級的目標(biāo)要求。 (2) 軟硬件協(xié)同設(shè)計基本需求： 采用統(tǒng)一的軟硬件描述方式軟硬件支持統(tǒng)一的設(shè)計和分析工具或

10、技術(shù)，允許在一個集成環(huán)境中仿真及評估系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，支持系統(tǒng)任務(wù)在軟件和硬件設(shè)計之間的相互移植； 采用交互式軟硬件劃分技術(shù)允許進(jìn)行多個不同的軟硬件劃分設(shè)計仿真和比較，劃分應(yīng)用可以最大滿足設(shè)計標(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)計過程中各階段的評估，支持逐步開發(fā)以及對硬件和軟件的綜合； 驗證方法必須正確，以確保系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到目標(biāo)要求。,優(yōu)勢：協(xié)同設(shè)計要貫穿整個設(shè)計周期，且使設(shè)計修改容易，研制周期可以得到有效保障；軟硬件交互設(shè)計變得簡單。,圖8-4 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計流程,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)計的基本步驟, 描述將系統(tǒng)行

11、為的功能進(jìn)行明確、提取并列表； 劃分即對硬件/軟件的功能進(jìn)行分配； 評估進(jìn)行性能評估或?qū)C合后系統(tǒng)依據(jù)指令級評價參數(shù)做出評估，若不滿足要求，則需要回到； 驗證是為保證系統(tǒng)可以按照設(shè)計要求正常工作，而達(dá)到合理置信度的過程。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可能采取不同的驗證方法，但都必須經(jīng)過性能與功能的協(xié)同仿真。 實現(xiàn)通過綜合后的硬件的物理實現(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,17,8.1.3 實時操作系統(tǒng),1實時操作系統(tǒng)定義及特點 實時操作系統(tǒng)RTOS是指能支持實時控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)，它可以在固定的時間內(nèi)對一個或多個由外設(shè)發(fā)出的信號做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。 實時操作系統(tǒng)的主要特征：規(guī)模小

12、、中斷被屏蔽的時間很短、中斷處理時間短且任務(wù)切換很快。 常見的實時操作系統(tǒng) 商用的RTOS：VxWorks、pSOS、Palm OS等； 免費的RTOS：Linux和C/OS等 嵌入式實時操作系統(tǒng)的精華在于向開發(fā)人員提供一個實時多任務(wù)內(nèi)核。開發(fā)人員將具體一項應(yīng)用工作分解成若干個獨立的任務(wù)，將各任務(wù)要做的事、任務(wù)間的關(guān)系向?qū)崟r多任務(wù)內(nèi)核交代清楚，讓實時多任務(wù)內(nèi)核去管理這些任務(wù)，開發(fā)過程就完成了。 嵌入式實時操作系統(tǒng)沒有文件管理，一般不需要內(nèi)存管理，它具有的是實時操作系統(tǒng)中最重要的內(nèi)容，即多任務(wù)實時調(diào)度和任務(wù)的定時、同步操作，具有很短的任務(wù)切換時間和實時響應(yīng)速度。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社

13、,18,VxWorks,VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(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，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。 VxWorks所具有的顯著特點是： 可靠性、實時性和可裁減性。 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,19,pSOS,pSOS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)是一個模塊化、高性能的實

14、時操作系統(tǒng)。 開發(fā)者可以利用它來實現(xiàn)從簡單的單個獨立設(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,20,Palm OS,Palm OS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品。 Palm OS在PDA市場上占有很大的市場份額。獲得了IBM、Oracle、Nokia和Sony等國際知名公司的支持，同時有很多的軟件開發(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,21,2 實時操作系統(tǒng)的一些重要概念, 任務(wù)（或稱

15、“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 每個任務(wù)都是整個應(yīng)用的某一部分，每個任務(wù)被賦予一定的優(yōu)先級， 有它自己的一套CPU寄存器和自己的棧空間。,圖8-5 實時系統(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, 實時內(nèi)核,實時內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，為每個任務(wù)分配CPU時間，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)先級更高的任務(wù)。,實時內(nèi)核,可剝奪型（占先式）,不可剝奪型（非占先式）,內(nèi)核運用某種算法決定讓

16、哪個任務(wù)運行后，就將CPU控制權(quán)完全交給這個任務(wù)，直到該任務(wù)主動將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(priority),任務(wù)按照其重要性被賦予優(yōu)先級。 靜態(tài)優(yōu)先級 應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)優(yōu)先級不變。 在這種系統(tǒng)中，諸任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。 動態(tài)優(yōu)先級 應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的。,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，它決定該輪到哪個任務(wù)運行了。 調(diào)度是基于優(yōu)先級的。 CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。 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

17、優(yōu)先 優(yōu)先級法 輪轉(zhuǎn)法 多級隊列法 多級反饋隊列 多數(shù)實時內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(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 信號量（Semaphore）機(jī)制 代碼臨界區(qū)（Critical Section）臨界資源 指處理時不可分割的代碼。 任務(wù)間通信(Inter task com) 可預(yù)測性（Predictability）,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,26,實時操作系統(tǒng)的評價指標(biāo),實時系統(tǒng)是面向具體應(yīng)用，對外來事件在限定時間內(nèi)能做出反應(yīng)的系統(tǒng)。限定時間的范圍很廣，可從微秒級（如信號處理）到分級（如聯(lián)機(jī)查

18、詢系統(tǒng)）。 實時系統(tǒng)中主要用三個指標(biāo)來衡量其實時性： 系統(tǒng)響應(yīng)時間（System response Time）：從系統(tǒng)發(fā)出處理要求，到系統(tǒng)給出應(yīng)答信號的過程所用的時間。 任務(wù)切換時間（Context-switching time）：指任務(wù)之間切換所使用的時間。 中斷延遲（Interrupt latency）：指從計算機(jī)接收到中斷信號到操作系統(tǒng)做出響應(yīng)，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的過程所用時間。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,27,3實時操作系統(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

19、算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。 如果開發(fā)機(jī)就是運行機(jī)，則稱為本地編譯。 “宿主機(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)境來對目標(biāo)機(jī)將要運行的程序進(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內(nèi)核的支持下進(jìn)行實時分析和調(diào)度。 最后由目標(biāo)機(jī)在特定的環(huán)境下運行。,圖8-6 宿主機(jī)/目標(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,28,4 C/OS-II實時操作系統(tǒng),(1) C/OS-II的特點 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語言寫成，可移植性好。 C/O

20、S-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)先級的可剝奪型，可以管理64個任務(wù)（目前的版本保留8個給系統(tǒng)，應(yīng)用程序最多可以有56個任務(wù)）。每個任務(wù)有特定的優(yōu)先級，用一個數(shù)字來標(biāo)識，優(yōu)先級越高，數(shù)字越小。任務(wù)切換采用查表法，切換速度快。實時性是可知的、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，已經(jīng)有上千個應(yīng)用，是一個被實踐證實為好用的內(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是可剝奪型實時多任務(wù)內(nèi)核。 這種內(nèi)核在任何時刻都運行就緒了的

21、最高優(yōu)先級的任務(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)行多級鎖定，最大鎖定層數(shù)不能超過255。 當(dāng)一個任務(wù)鎖定了系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度時，C/OS基于優(yōu)先級的實時運行方式不復(fù)存在，優(yōu)先級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）、其他所有任務(wù)（最低）。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,30,8.1.4 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā),嵌入式設(shè)計具有一個生命周期，即可以將嵌入式項目設(shè)計分為7個具體階段： 產(chǎn)品定義； 軟件與硬

22、件的劃分； 迭代與實現(xiàn)； 詳細(xì)的硬件與軟件設(shè)計； 硬件與軟件集成； 產(chǎn)品測試與發(fā)布； 持續(xù)維護(hù)與升級。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,31,1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)步驟,設(shè)計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（選擇過程和軟硬件劃分階段） 概要設(shè)計文檔（軟硬件初步設(shè)計階段） 詳細(xì)設(shè)計文檔（軟硬件詳細(xì)設(shè)計階段） 測試需求文檔（模塊測試及聯(lián)調(diào)準(zhǔn)備階段） 系統(tǒng)測試報告（測試小組） 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,32,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)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和總體方案設(shè)計 (3) 選擇開發(fā)平臺 (4) 應(yīng)

23、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)上驗證軟件 (6) 在目標(biāo)系統(tǒng)上驗證軟件,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,33,2 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，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)庫的集成開發(fā)環(huán)境是必不可少的。 ARM SDT是ARM Software Development Toolkit的簡寫，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

24、于ARM的嵌入式硬件平臺體系結(jié)構(gòu),北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,34,3 基于C/OS-II建立實時操作系統(tǒng),在建立實時操作系統(tǒng)之前，需要將C/OS-II移植到自己的硬件平臺上，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”是指使一個實時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上運行。 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、對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型、聲明幾個用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏； 在OS_CPU_C

25、.C中用C語言編寫6個與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)； 在OS_CPU_A.ASM中改寫4個與處理器相關(guān)的匯編語言函數(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)的簡單文件系統(tǒng)。 (4) 外設(shè)驅(qū)動程序 外設(shè)驅(qū)動函數(shù)可以對系統(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)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)

26、，其中包括基于Unicode的漢字字庫、基本繪圖函數(shù)、典型的控鍵。 (6) 系統(tǒng)消息隊列 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)用程序的每個任務(wù)都有自己的信息響應(yīng)隊列和消息循環(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,37,4 建立與調(diào)試用戶應(yīng)用程序,在嵌入式硬件平臺的基礎(chǔ)上，有了前面基于C/OS-II建立的實時操作系統(tǒng)，用戶就可以在相應(yīng)的操作系統(tǒng)平臺上使

27、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)的啟動過程 (2) 實現(xiàn)消息循環(huán) (3) 任務(wù)對應(yīng)資源分配及其任務(wù)的創(chuàng)建 (4) 任務(wù)的實現(xiàn),北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,38,8.1.5 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計實例,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,39,2 智能滴灌控制器,(1) 智能滴灌控制器的硬件設(shè)計,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)。,(2) 智能滴灌控制器的

28、軟件設(shè)計,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,41,8.1 嵌入式系統(tǒng) 8.1.1 概述 8.1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù) 8.1.3 實時操作系統(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)計實例 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常用編程語言 8.2.4 PLC應(yīng)用實例 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,42,8.2.1 可編程控制器(PLC)概述,自動控制系統(tǒng)包括： 連續(xù)量的運動控制 連續(xù)量的過程控制 斷續(xù)量的控制系統(tǒng) (離散量，順序

29、控制為主流) 時間順序控制系統(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（美國際電工委員會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)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，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?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，并易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,44,1可編程控制器的發(fā)展,1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司根據(jù)美國通用汽車公

30、司招標(biāo)的要求，研制出世界上第一臺可編程邏輯控制器 (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CPU，而且在一臺PLC中配置多個微處理器，進(jìn)行多道處理。同時開發(fā)大量內(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、運動控制功能、數(shù)據(jù)處理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能

31、的多功能控制器。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,45,1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)自動化三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。 發(fā)展趨勢： 向體積更小、速度更快、功能更強和價格更低的微小型方面發(fā)展，以占領(lǐng)小型、分散和簡單功能的工業(yè)控制市場。 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PLC、I/O框架相連；向上與工業(yè)計算機(jī)、以太網(wǎng)、MAP（制造業(yè)自動化通信協(xié)議）網(wǎng)等相連構(gòu)成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。,北京航空航天大學(xué) 清華

32、大學(xué)出版社,46,2. PLC的特點,(1) 功能齊全： 多種控制功能； 輸入/輸出接口功能； 數(shù)據(jù)存儲與處理功能； 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。 (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)用場合：,開關(guān)邏輯控制 （如自動電梯的控制、傳輸皮帶的控制等）； 閉環(huán)過程控制 （如鍋爐運行控制，自動焊機(jī)控制、連軋機(jī)的速度

33、和位置控制等）； 機(jī)械加工的數(shù)字控制； 機(jī)器人控制； 多級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,48,8.2.2 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,49,1. 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點數(shù)將PLC分類,微型PLC I/O點數(shù)一般為幾十點，整體單元結(jié)構(gòu)。 小型PLC 點數(shù)至多可達(dá)256點，整體單元結(jié)構(gòu)或模塊化結(jié)構(gòu)。 中型PLC 點數(shù)可達(dá)5121024，模塊化結(jié)構(gòu)。 大型PLC 點數(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,51,PLC原理結(jié)構(gòu)

34、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,52,PLC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,53,2. 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,54,PLC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開始，經(jīng)過順序掃描又回到該點的過程。 一個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,55,PLC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,56,8.2.3 PLC常用編程語言,1. 梯形圖語言

35、LD (Ladder Diagram) 2. 語句表IL（Instruction List） 3. 結(jié)構(gòu)化文本語言ST（Structured Text） 4. 順序功能圖SFC (Sequential Function Chart) 5. 功能模塊圖FBD(Function Block Diagram,1992年國際電工委員會IEC頒布了IEC61131-3控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)，IEC61131-3定義了以下五種編程語言：,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,57,8.2.4 PLC應(yīng)用實例,1. 交通信號控制的時序系統(tǒng),圖8-26 交通信號燈控制時序圖,北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)出版社,58,PL

36、C外部輸入輸出信號接線圖,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,60,2. 物料混合裝置的批量控制系統(tǒng),工作過程如下： 加料階段： 按動啟動按鈕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，攪拌電動機(jī)M開始運轉(zhuǎn)和攪拌；當(dāng)液位到達(dá)LS2時，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，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，攪拌電動機(jī)繼續(xù)運轉(zhuǎn)半小時，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，攪拌電動機(jī)繼續(xù)運轉(zhuǎn)，直到液位下降到LS3才停止運轉(zhuǎn)，同時關(guān)閉電磁閥YV3。 停止階段： 按動停止按鈕PT，電磁閥YV3再打開60s