Ch10 第十章 机械电子系统中的微处理器

机械工业出版社机械电子工程原理第十章机械电子系统中的微处理器2微处理器进行控制和信息处理的优势1）可存贮、可编程控制。程序是一系列操作的逻辑顺序，而这些工作都是确定的、可重复的，因而用程序实现数学运算、逻辑运算、控制和信号处理是一种理想的方式。2）数字处理。微处理器中的信息被转换为二进制数据，这使得微处理器不会受到模拟噪声的干扰，并且可以根据不同的要求采用不同的处理方法。3）工作速度快。尽管微处理器只能按一定的顺序执行指令，但它运行速度非常快，能够在很短的时间内执行许多操作。3微处理器进行控制和信息处理的优势4）设计的灵活性：现在的硬件发展水平使系统设计具有很大的灵活性，而更重要的是微处理器指令系统的功能越来越丰富，使软件设计具有更大的灵活性，通过改变程序就可以改变同一个硬件所能实现的功能。5）集成化：随着超大规模集成电路技术水平的不断提高，可以在同一片硅片上集成许多硬件，甚至可以在一个硅片中集成一个完整的微处理器系统。6）费用：可接受的费用是微处理器获得应用的一个极为重要的商业因素。410.1嵌入式微处理器系统典型的机械电子系统中常见的一类微处理器系统是嵌入式微处理器系统，简称嵌入式系统。“嵌入”指的是在机械电子系统中微处理器从属于另一个大得多的生产过程或系统。除了嵌入式实时控制以外，微处理器系统的另一类广泛应用是数据处理。在这类应用场合中，微处理器与外围设备组合成通用计算机系统，如个人计算机和工作站。5微处理器系统在嵌入式实时控制和数据处理应用中的对比运算速度高，从而提高了用户的效率；响应时间通常的要求并不很高。较宽的工作范围、较低的成本，对外部信息有很高的响应速度处理器与键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机的接口以及与其它计算机的通讯接口，主要采用数字式与传感器和执行机构之间有数字式和模拟式两种界面形式输入/输出(I/O)用小容量的永久性只读存储器(ROM)存贮初始化程序，大容量的读/写存储器(RAM)存贮数据和用户程序，并能从磁盘等设备装入数据和用户程序用永久性只读存储器(ROM)存贮程序，用读/写存储器(RAM)存贮数据，存贮容量均不大存储器数据处理应用嵌入式实时控制应用性能运算速度高，从而提高了用户的效率；响应时间通常的要求并不很高。较宽的工作范围、较低的成本，对外部信息有很高的响应速度处理器与键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机的接口以及与其它计算机的通讯接口，主要采用数字式与传感器和执行机构之间有数字式和模拟式两种界面形式输入/输出(I/O)用小容量的永久性只读存储器(ROM)存贮初始化程序，大容量的读/写存储器(RAM)存贮数据和用户程序，并能从磁盘等设备装入数据和用户程序用永久性只读存储器(ROM)存贮程序，用读/写存储器(RAM)存贮数据，存贮容量均不大存储器数据处理应用嵌入式实时控制应用性能6嵌入式系统对存储器的要求存储器指的是能直接被微处理器访问的那部分存储器，而不是指磁带、磁盘等外部存贮介质。在对存储器的要求上，嵌入式系统与通用计算机系统有着重大的差别，这主要是由于嵌入式系统通常运行固定的程序，而通用计算机系统则必须能够反复调用各种各样的不同程序。对永久性存储器来说，信息一旦写入后不会因系统掉电而丢失，这类存储器一般用作ROM；而对非永久性存储器来说，系统掉电后信息即消失，此类存储器一般用作RAM。在嵌入式系统中，应用程序通常很小，只需少量的ROM。在一些大型的嵌入式系统中（如通信控制器），则需要数百KB的ROM（用于存贮控制程序）和相当数量的RAM（用来存贮通信数据）7人-机界面和机-机界面计算机系统基本的输入输出设备是键盘和显示单元，而影响系统工作的控制活动主要是人的操作。因此计算机需要一个与操作者协调的人-机界面来提高工作效率。标准键盘通常被认为是低效率的人-机界面，为提高效率导致了鼠标器的应用，可以与可视化窗口与下拉式菜单配合使用。嵌入式系统的主要数据来源是安装在它所控制的机器或设备上的传感器。系统的输出信号驱动执行器以控制机器或设备。因此在嵌入式系统中最基本的界面是一个机-机界面。8实时多任务系统通用计算机系统接受并执行从键盘输入的命令。而嵌入式系统除了接受键入命令以外，也可以使用一种称为实时多任务系统的操作系统，它是由系统外部的中断信号所驱动，从而调用并执行特定的程序来为所要求完成的任务而服务。系统也可能具有内部的调度机制，使它能够控制若干个独立程序的执行，从而产生一个多任务系统。因此一个实时多任务执行系统提供了一系列服务，在这基础上，才能从相互之间或与外设之间有复杂联系的各项任务中建立起系统。在嵌入式系统中，操作系统和应用程序一起贮留在程序存储器中，而在通用计算机系统中，操作系统和应用程序通常是分别从磁盘装入存储器的。9微处理器的工作性能指标对嵌入式系统来说，一个很重要的性能指标是它的响应时间。“实时”一词通常用来描述那些在规定时间内对外部信息做出响应并实现某种功能的系统。当从传感器收到数据信息后，处理器必需在一定的时间内向执行机构输出控制信号，这种控制系统称为硬实时系统，因为时间界限是系统正常工作的严格条件。而对通用计算机系统来说，对于操作者输入命令的响应时间并不是很苛刻的。而当系统达到时间界限时并不会产生灾难性故障，只是工作性能有所下降的系统被称为软实时系统。10嵌入式系统的发展历史自从1971年Intel公司推出第一款微处理器4004之后，嵌入式系统开始出现。经历了30多年的发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到各类自动控制和智能设备之中。据统计，嵌入式微处理器占据了微处理器产量的94%。嵌入式系统每年的工业产值已经超过了1万亿美元。11嵌入式系统的定义嵌入式系统至今仍没有统一的定义。一般认为，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可配置、可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。12嵌入式系统的发展历史阶段根据嵌入式系统软件与硬件的关系，其发展的历程大致可以划分为四个阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统第二阶段是以嵌入式处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。第四阶段是以融合网络通讯功能的嵌入式系统。13嵌入式系统的发展趋势目前通用计算机技术的发展的可以分为软、硬件两个方向。与之相同，嵌入式系统的相关技术也在软、硬件两条道路上飞速前行。嵌入式硬件技术的发展嵌入式硬件技术正在沿着三个方向发展：单片机（SingleChipMicrocomputer,SCM）数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）可编程逻辑器件(ProgrammableLogicalDevice,PLD)14单片机的发展单片机是将中央处理单元(CPU)、ROM、RAM和I/O接口集成到单一芯片上的微型计算机。它具有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MicroControlUnit,MCU)，也可以构成所谓的片上系统(SystemOnchip,SOC)，实现对各种便携式电子产品的控制。目前单片机的发展出现了功能不断拓展和处理器位数不断提高的趋势。32位的处理器主要有四种典型架构：ARM(AdvancedRISCMachines)、PowerPC、MIPS和EIA(EmbeddedIntelArchitecture)。其中最流行的是ARM系列处理器，它凭借着低功耗、高性能、灵活易用的特点，应用已经遍及工业控制、消费类电子产品、网络及无线通讯设备等各领域，在32位RISC微处理器市场中的占有率达到75%。15数字信号处理器DSP的发展DSP芯片主要应用于高密度、大容量、重复的数据处理领域，例如音频或视频信号的压缩编码、加密解密、调制解调、频谱分析等处理运算。由于DSP内部存储器采用了不同于普通处理器普林斯顿结构（冯·诺依曼结构）的改进的哈佛结构，并拥有多总线和流水线结构，硬件乘法器和专用的运算指令，所以DSP可以进行高速的并行运算。目前DSP已经广泛地应用于通信、航空、雷达、家用电器等领域，常见的手机、数字电视、数码相机都离不开DSP。16可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation,EDA）的物质基础。所谓电子设计自动化是在EDA的软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地进行逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑映射和编程下载等。设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述，借助EDA工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。目前主要的可编程逻辑器件有CPLD和FPGA。EDA技术作为一种现代电子系统开发方式，具有软硬件高度关联、高速高可靠性的优点。17嵌入式软件技术的发展嵌入式软件的发展主要体现在嵌入式应用软件和嵌入式操作系统两个方面。嵌入式系统的应用软件具有固化存储、可靠性和正确性要求高等特点，目前的嵌入式应用软件的开发已经逐渐转向应用高级语言，例如C和Java。嵌入式系统应用软件的开发手段和工具的改变，一方面使得嵌入式软件的功能更为丰富，另一方面也使开发的复杂程度和风险大大提高。与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统不单要管理各种硬件资源、处理各种冲突、为各类应用程序提供与硬件无关的系统调用接口，还必需具备通用操作系统不具备的内核体积小、实时性、可裁剪、可移植、高可靠性等特点。1810.2机械电子系统中微处理器的作用一个典型的用于控制的微处理器系统的框图。机械手CPU模拟驱动器数字驱动器模拟传感器数字传感器数字输入数字输出模拟输入模拟输出存储器数字接口通信接口通信电缆显示键盘0123456789ABCDEF19使用微处理器系统控制机械手机器人控制器的首要功能是控制机器人手臂的轴。每一个坐标轴都构成一个独立的控制环，称为独立任务模块或程序模块。机器人轴的运动速度、方向的运算和控制算法使CPU的运算量很大。因此，CPU必须具有足够的性能以满足在应用处理方面和实时性方面的要求，因而采用高性能的16位或32位CPU。在许多应用场合中，还采用高速运算的协处理器来提高CPU的运算能力。机器人的手臂与微处理器系统通过各模拟传感器和数字传感器以及不同的执行器连接起来。20使用微处理器系统控制机械手像机器人这样的系统很少会单独工作，它一般都从属于一个更大的控制系统，这个大控制系统同时控制着相互协作的许多台机器人和控制器。因此本例中的机器人控制器配备有键盘和显示器两个人机界面以及一个用来连接其它机器人和系统的通信接口。尽管这些机器人和系统可能位于不同的地点，但通信网络提供了一个联系手段。通过这个网络，机器人之间能够相互通信，或与掌管全局的中心计算机通信。这种类型的系统称为分布式控制系统，其作用主要在于使通信系统的设计符合实际要求。2110.3嵌入式系统的设计方法无论在机械电子系统中的作用是控制还是信息处理，如果微处理器嵌入的是一个相对较大、较复杂的系统，由于监控变量多，数据量大，计算复杂，显示要求高，那么可以选用PC机。由于PC机具有广阔的硬件支持厂商，而且其软件产品类型多样、品种齐全，软硬件开发环境及有关工具也非常丰富，再加上其良好的用户界面有图形显示功能，因而PC机对于工控领域的吸引力是巨大的。正是在这样的背景下，工业PC机产生了。22工业PC机的局限性标准结构的工业PC机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用场合（例如航空航天产品、智能仪器仪表、医疗设备、通信设备、机电一体化产品等）无法胜任，因而出现了采用基于模块化设计方法的嵌入式系统。23可编程控制器PLC可编程控制器应当说是一种真正的