課程設計報告(2010-2011第二學期)名稱：電腦控制系統題目：嵌入式處理器技術及其應用開發計算機控制系統課程設計任務書一、目的和要求1、通過本課程的設計和教學，加深學生對課程內容的理解和掌握；2.結合工程問題，培養和提高學生查閱文獻、相關資料和整理資料的能力；3.結合工程問題培養和鍛煉學生獨立分析、思考和解決問題的能力；4.要求學生能夠根據工程問題和實際應用方案的要求，運用所學課程的基本理論和設計方法，對方案進行總體設計和分析評價；5、報告原則上要求按照相應的工程技術規定進行設計、繪圖、分析和撰寫。二、主要內容1、數字控制算法分析與設計；2.現代控制理論算法分析與設計3.模糊控制理論算法分析與設計4、過程數字控制系統分析與設計；5、微機硬件應用接口電路設計；6、微機應用裝置的硬件電路及軟件方案設計；7、數字控制系統I/O通道方案設計與實現；8、PLC應用控制方案分析與設計；9、數據通信接口電路軟硬件方案設計及性能分析；10、現場總線控制技術應用方案設計；11、數控系統中模擬工藝參數的檢測及數字化處理方法；12、基于嵌入式處理器技術的應用方案設計13、計算機控制系統抗干擾技術及安全可靠性措施分析與設計14、計算機控制系統誤差控制技術分析與設計15.計算機控制系統容錯技術分析與設計16.工程過程建模方法分析3.進度計劃序列號設計內容完成時間評論1選擇課程設計主題并查閱相關文獻2根據所選主題設計文獻資料的研究3討論設計并修改設計方案4撰寫課程設計報告5課程設計防御4、對設計結果的要求1.選題國外申請發展概況；2、課程設計的主要內容，包括設計方案、硬件電路和軟件流程，以及復習、分析等；3.課程設計總結或結論與參考資料；4、設計報告規范要求完整。五、考試方式《計算機控制系統》課程設計的評價標準如下：1.撰寫課程設計報告；2、設計過程中的獨立工作能力和表現；3.答辯時回答問題。成績分為優、良、中、及格、不及格五個等級。一、目的和要求1、通過本課程的設計和教學，加深學生對課程內容的理解和掌握；2.結合工程問題，培養和提高學生查閱文獻、相關資料和整理資料的能力；3.結合工程問題培養和鍛煉學生獨立分析、思考和解決問題的能力；4.要求學生能夠根據工程問題和實際應用方案的要求，運用所學課程的基本理論和設計方法，對方案進行總體設計和分析評價；5、報告原則上要求按照相應的工程技術規定進行設計、繪圖、分析和撰寫。2.設計文字1嵌入式處理器技術嵌入式處理器是在計算機以外的設備中提供附加功能的計算機芯片，通常用于控制和監視領域。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是控制和輔助系統運行的硬件單元。范圍極其廣泛，從最初的4位處理器、仍在大規模應用的8位微控制器，到廣受青睞的最新32位和64位嵌入式CPU。目前，全球具有嵌入式功能的處理器有1000多種，流行的架構包括MCU、MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體廠商都在量產嵌入式處理器，公司自主設計處理器已成為未來嵌入式領域的一大趨勢。各種品種，速度越來越快，性能越來越強，價格越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝范圍從8針到144針。根據嵌入式處理器的特點，可以分為事務密集型和計算密集型兩種。根據任務的特點，可分為一般型和特殊型。按操作數據寬度可分為5種。基于操作數據寬度的嵌入式處理器分類48位16位32位64位嵌入式處理器TMS10008048/516801/05Z8809668200ARMRISC內核MIPS32位MIPS64位普遍的處理器400440408085Z8065028086/80286Z800080386/8048668000奔騰二/三由于不同的運行速度和吞吐量水平，嵌入式處理器具有不同的應用。嵌入式系統處理器的各種等級產品嵌入式微處理器應用產品4電腦、遙控器、充電器、隨身聽、玩具……8位電機控制器、機器、空調...16位相機、錄像機、多媒體...32位PDA、路由器、工作站、GPS...64位高性能服務器、工作站...嵌入式處理器按其面向應用的特點可分為以下四種：嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMPU）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）嵌入式DSP處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系統1.1處理器分類1.1.1嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMPU）嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，微處理器組裝在專門設計的電路板上，只保留與嵌入式應用相關的主板功能，可大大減小系統體積和功耗。為滿足嵌入式應用的特殊要求，雖然嵌入式微處理器的功能與標準微處理器基本相同，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面做了各種增強。與工控計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點，但必須在電路板上包括ROM、RAM、總線接口、各種外圍設備等器件，從而降低了計算機的可靠性。系統很差，技術性也很差。嵌入式微處理器及其內存、總線、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板機，如STD-BUS、PC104等。近年來，德國和日本的一些公司已經開發了“火柴盒”型名片大小的嵌入式計算機系列OEM產品。研華也推出了類似的模塊化系統SOM（SystemOnModule）。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM等系列。嵌入式微處理器可分為兩類：CISC和RISC。大多數熟悉的臺式電腦都使用CISC微處理器，例如Intel的X86。RISC架構有兩大主流：SiliconGraphics的MIPS技術和ARM的AdvancedRISCMachines技術。此外日立（Hitachi）也擁有自己的一套RISC技術SuperH。1.1.2嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義就是將整個計算機系統集成到一個單片機中。嵌入式微控制器一般以一定的微處理器內核為核心，芯片集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、WatchDog、I/O、串口、PWM輸出、A等各種必要的功能和外設如/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等。為了滿足不同的應用需求，一般一個系列的單片機都有多種衍生產品，每個衍生產品的處理器內核都是一樣的，而不同的是內存和外設的配置和封裝。這樣，單片機就可以最大程度地匹配應用需求，功能不多也不多，從而降低功耗和成本。與嵌入式微處理器相比，單片機最大的特點是單片，體積大大減小，從而降低了功耗和成本，提高了可靠性。微控制器是目前嵌入式系統行業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合控制，所以稱為微控制器。嵌入式微控制器目前的品種和數量最多。比較有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有很多半通用系列如：MCU8XC930/931、C540、C541支持USB接口；支持I2C、CAN-Bus、LCD和許多特殊的MCU和兼容系列。目前，MCU約占嵌入式系統市場份額的70%。特別值得一提的是，近年來提供X86微處理器的知名廠商AMD將嵌入式處理器稱為Am186CC/CH/CU微控制器，而摩托羅拉則將基于PowerPC的PPC505和PPC555列為微控制器行列。TI還將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU進行推廣。1.1.3嵌入式DSP處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）DSP處理器專門設計了系統結構和指令，使其適合執行DSP算法，編譯效率高，指令執行速度快。在數字濾波、FFT、頻譜分析等方面，DSP正在大量進入嵌入式領域。嵌入式DSP處理器有兩種開發來源。一是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設成為嵌入式DSP處理器。TI的TMS320C2000/C5000等屬于這一類；將DSP協處理器添加到微控制器或SOC，例如英特爾的MCS-296和英飛凌(Siemens)的TriCore。另一個推動嵌入式DSP處理器發展的因素是嵌入式系統的智能化，例如各種具有智能邏輯的消費類產品、生物識別終端、具有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓縮系統、虛擬現實顯示等這種智能算法一般計算量很大，尤其是向量運算、指針線性尋址等，而這些都是DSP處理器的強項。嵌入式DSP處理器的代表產品是德州儀器的TMS320系列和摩托羅拉的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、用于移動通信的C5000系列，以及更高性能的C6000和C8000系列。DSP56000已經發展成DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。此外，飛利浦今年還推出了基于可復位嵌入式DSP結構的低成本、低功耗技術的REALDSP處理器。它的特點是雙哈佛結構和雙乘法/累加單元。應用目標是大眾消費。類產品。1.1.4嵌入式片上系統隨著EDI的普及和VLSI設計的普及，以及半導體技術的飛速發展，在硅片上實現更復雜系統的時代已經到來，那就是片上系統（SOC）。各種通用處理器內核將被用作SOC設計公司的標準庫，與許多其他嵌入式系統外設一樣，它們將成為VLSI設計中的標準器件，以標準VHDL等語言描述，并存儲在器件庫中.用戶只需要定義自己的整個應用系統，仿真通過后，就可以將設計圖交給半導體廠打樣。這樣，除了個別設備無法集成外，整個嵌入式系統的大部分都可以集成到一個或多個芯片中，應用系統電路板會變得非常簡單，這對于減小體積和功耗以及提高可靠性。.SOC可分為通用類和專用類。通用系列包括英飛凌（西門子）的TriCore、摩托羅拉的M-Core、部分ARM系列器件、埃施朗與摩托羅拉聯合開發的Neuron芯片等。一般用戶不知道。具有代表性的產品是飛利浦的SmartXA，它將一個XA單芯片內核和一個支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可以加載JAVA或C語言的專用SOC，可用于互聯網安全等公共互聯網。2嵌入式處理器架構傳統的復雜指令集計算機（ComplexInstructionSetComputer，CISC）結構有其先天不足，即隨著計算機技術的發展，不斷引入新的復雜指令集。會變得越來越復雜。但是，在CISC指令集中的各種指令中，使用頻率差別很大，大約在20%左右。顯然，這種結構是不合理的。基于上述不合理性，1979年，加州大學伯克利分校提出了精簡指令集計算機（RiducedInstructionSetComputer，RISC）的概念。RISC并不是簡單地減少指令，而是專注于如何使計算機的結構更加簡單合理，從而提高運算速度。RISC結構優先使用最常用的簡單指令，避免復雜指令；指令長度固定，減少指令格式和尋址方式；主要采用控制邏輯，不采用或采用微碼控制等措施達到上述目的。雖然RISC和CISC都試圖在架構、操作、軟件、硬件、編譯時間和運行時間等許多因素之間取得平衡，但為了提高效率，它們采取了不同的方法，因此在許多方面都有很大的差異，其中最主要的是：①指揮系統RISC的設計者專注于經常使用的指令，盡量使它們簡單高效，并且經常將指令組合用于不太常用的功能。因此，在CISC機器上實現特殊功能時，效果可能會更低。但可以通過使用流水線技術和超標量技術來改進和補償。CISC命令系統比較豐富，有專門的命令來完成特定的功能。因此，在CISC機器上處理特殊任務效率更高。②記憶操作RISC對內存操作有限制，簡化了控制；而CISC機器有很多內存操作指令，直接操作。③程序RISC匯編語言程序一般需要較大的存儲空間，實現特殊功能時程序復雜難于設計；CISC匯編語言編程相對簡單，科學計算和復雜運算的編程相對簡單高效。④中斷RISC機器可以在指令執行的適當位置響應中斷；CISC機器在指令執行結束后響應中斷。⑤中央處理器RISC機的CPU單元電路少，因此占地面積小，功耗低；而CISC機的CPU包含豐富的電路單元，功能強大、面積大、功耗高。⑥設計周期RISC微處理器結構簡單，布局緊湊，設計周期短，易于采用最新技術；CISC微處理器結構復雜，設計周期長。⑦用戶使用RISC微處理器結構簡單，指令規則，性能易于掌握，易學易用；CISC微處理器結構復雜，功能強大，特殊功能易于實現。⑧應用范圍由于RISC指令系統的確定與具體的應用領域有關，RISC機器更適合專用機器；而CISC機器更適合通用機器。當然，與CISC架構相比，RISC架構雖然具有以上優勢，但絕不能認為RISC架構可以替代CISC架構。其實RISC和CISC各有優勢，界限不是那么明顯。現代CPU經常使用CISC的外圍，并加入了RISC的一些特性，比如超長指令集CPU，它結合了RISC和CISC的優點，成為CPU未來的發展方向之一。1.2.1微處理器的典型核心架構嵌入式微處理器是用于在計算機以外的設備中提供附加功能的計算機芯片，通常用于控制和移動。這些芯片大多兼顧控制和計算，具有指令豐富、外設齊全的特點，屬于事務密集型處理器。ARM處理器RICS類處理器的代表技術是ARM（AdvancedRISCMachines）技術。即使是公司的名稱，也是一類微處理器的總稱，或者是一種技術的名稱。目前應用最廣泛的是ARM7系列內核、ARM9系列內核、ARM10系列內核。事實上，ARM7系列是針對現代微控制器的，而ARM9系列、ARM10系列和ARM11系列主要針對手持應用和多媒體解決方案而設計。ARM7處理器的計算能力約為0.9MIPS/MHZ。由于可以使用更高的主頻和更合理的流水線結構，其處理能力比嵌入式控制器更加突出。在ARM710T-ARM740T處理器中，有一個數據緩存DCACHE和一個指令緩存ICACHE，大大提高了處理器的綜合能力。所有ARM處理器均采用ARMV4T結構，分為3級流水線，提高了處理器指令流的執行速度。三級流水線結構的處理器執行的指令分為三個指令階段：取指、解碼和執行。取指階段從內存中取出指令，解碼階段分析指令將使用的寄存器，執行階段從寄存器組中讀取寄存器移位和ALU操作，并將寄存器寫回寄存器組。在正常操作期間，如果正在執行一條指令，則對其后續指令進行解碼，并取出第三條指令。從上面的過程可以看出，程序計數器指針（PC）并不指向當前正在執行的指令，而是指向正在取的指令。3級流水線指令的執行過程如圖所示。拿來解碼實施拿來解碼實施拿來解碼實施三階段流水線指令的執行過程ARM7型處理器采用Neumann結構，只有一個32位數據通道，指令和數量通過這個通道傳輸。處理器的核心架構如下圖所示。由于指令和數據在同一通道上訪問，因此此類處理器的平均執行周期為1.9。指令可以分為兩類：ARM指令和Thumb指令。數據可以分為3種訪問格式，即8bit、16bit和32bit。需要注意的是，16bit和32bit的數據需要分別對齊，所以在C語言條件下對移植會有一定的影響。1.2.2微控制器的典型核心架構嵌入式單片機最大的特點就是單片，體積大大減小，從而降低了成本和功耗，大大提高了可靠性。由于嵌入式單片機價格低廉，功能強大，品種非常豐富，市場占有率高。嵌入式微控制器的典型代表是單片機。現代單片微控制器通常具有以下全部或部分特性：它可以在處理器所在的集成電路（IC）上包含ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、看門狗、定時器、串口、A/D等必要的功能和外部設備。在同一個IC上可以有一些程序和數據存儲器。提供可直接訪問I2C引腳的編程器。可以為嵌入式系統中常用的控制操作提供專用指令，例如位操作。目前最典型的就是以51為核心的8051系列8位單片機和以MSP430為代表的16位單片機。近日，ATMEL公司推出的AVR單片機集成了FPGA等器件，具有極高的性價比，必將推動單片機市場的發展。51系列微控制器51系列單片機的總線寬度為8位，其運算核心一次只能處理一個字節的數據。盡管可以使用通用寄存器執行16位寬的操作，但需要額外的機器周期。51單片機的機器周期是其使用的晶振振蕩周期的12倍。在振蕩器頻率為12MHz的條件下，考慮單片機循環指令的執行時間，可以計算出來，每秒最大可執行指令為一條1M在同等價格的條件下，這種內核所包含的資源比較豐富，所以51系列單片機非常適合以較低的成本組成更大的系統，這是其他單片機無法比擬的。其系統框圖如下圖所示。其片上資源主要包括：4KB可重寫程序存儲器；128B數據存儲器；32條可編程控制線；2個16位計數器；5個中斷源；全雙工串口。51系列微控制器系統框圖為了提高51核單片機的市場競爭力，設計者在51核的基礎上進行了改進，增加了一些資源，提高了系統的適應性，生產出了52核。具體區別如下：RAM空間增加。AT89C51有128B的RAM，稱為DATA存儲區。AT89C52的RAM擴展為256B，其中高128B位于從80H開始的地址空間，稱為IDATA存儲區，但對IDATA區的訪問只能采用間接尋址方式。部分FLASH變大。AT89C51有4KB的部分FLASH存儲器，而AT89C52將部分FLASH存儲器翻了一番，達到8KB。中斷源增加。在AT89C52中，P1.0和P1.1也可以分別作為定時器/計數器T2外部計數輸入（P1.0/T2）和（P1.1/T2EX），也就是說P1.0也可以作為用作定時器/計數器T2外部計數輸入，輸出50%占空比的時鐘脈沖端口，P1.1也可用作定時器/計數器T2捕捉/重載觸發和方向控制端口。因此，除了AAT89C51的定時器/計數器T0和定時器/計數器T1功能外，AT89C52還增加了定時器/計數器T2。定時器/計數器T2的控制位和狀態位分別位于T2CON和T2MOD中，定時器/計數器T2在16位捕捉模式或自動重載模式下的捕捉/重載寄存器組為（TCAO2H， RCAP2L）。DSP的典型核心架構DSP處理器，也稱為數字信號處理器，是一種特別適用于數字信號處理的微處理器。它強調運行處理的實時性。因此，它除了具有普通微處理器強調的高速運算和控制功能外，主要針對實時數字信號處理，在處理器結構、指令系統和數據流方面具有突出的特點。主要表現在：①DSP芯片均采用改進的哈佛結構、總線分離的哈佛結構或超哈佛結構，比傳統的諾依曼結構具有更高的指令執行速度。②采用多級流水線結構，增加單位時間內執行的指令數。有不同類型的獨立總線和輔助寄存器，提高了數據和指令流的處理效率；C5000系列C5000系列DSP處理器均為16位定點DPS，包括原有的C5X系列、以高性價比為目標的C54X系列和以高速低功耗為目標的C55X系列處理器。目前，雖然C5X還在生產中，但C54X和C55X已經成為主流。TMS320C54X系列DSP處理器（簡稱C54X）采用改進的哈佛結構，具有專用的硬件邏輯CPU、片上存儲器、片上外設和高度專業化的指令集，具有高度的操作靈活性和運行速度，適用于遠程通信和其他實時嵌入式應用程序。此外，具有C54XCPU外圍結構和用戶定制存儲器的衍生器件也得到了廣泛應用。TMS320C54xDSP的硬件框圖2嵌入式處理器的應用嵌入式處理器的應用領域非常廣泛，是現代計算機技術改造傳統產業、提高諸多領域技術水平的有力工具。可以說嵌入式處理器無處不在。其主要應用領域包括智能產品（智能電表、智能及信息家電）、工業自動化（測控設備、數控機床、數據采集與處理）、辦公自動化（通用計算機中的智能接口）、電網安全、電網設備檢測、石油化工、商業應用（電子秤、POS機、條碼識別機）、安防（消防、防盜、防漏電等報警系統）、網絡通信（路由器、網關、手機、PDA、無線傳感器網絡）、汽車電子和航空航天（汽車防盜報警器、自行車和飛機黑匣子）到軍事等領域，如下圖所示。飛行導航控制飛行導航控制軍事電子信息家電智能玩具通信設備移動儲存工控設備工業過程控制智能儀表汽車電子網絡設備傳感器網絡電子商務嵌入式處理器的應用工業領域航空航天控制軍事國防領域消費電子領域嵌入式處理器的應用領域嵌入式處理器在工業自動化、國防、交通運輸和航空航天等眾多行業中得到廣泛應用和變革。神舟飛船、長征系列火箭系統以及導彈制導系統中都有很多嵌入式處理器，高端汽車中也有幾十個嵌入式處理器。在日常生活中，人們基本都在各種電子設備中嵌入了處理器，但不一定知道。事實上，幾乎所有有點“智能”的添加物（自動洗衣機、電腦電飯煲）都使用嵌入式處理器，具有廣泛的適應性和多樣性。3嵌入式處理器的發展3.132位處理器的興起市場的發展加速了觀念的轉變，觀念的轉變促進了市場的發展。8位MCU市場逐漸趨于穩定，32位MPU和SoC代表了嵌入式技術的發展方向。32位處理器應用范圍擴大的驅動因素主要包括以下兩個方面。①手機、數碼相機、MP3播放器、PDA、游戲機等手持設備以及各種信息家電等對性能有更高要求的多媒體和通信設備的推出，推動了32位處理器的應用。在這些應用中，龐大的多媒體數據必然需要更大的存儲空間，而很多32位微控制器可以使用同步SDRAM，這樣可以大大降低使用更大容量數據存儲器的成本。而8位微控制器一般只能使用成本較高的SRAM作為數據存儲器。除了處理應用程序控制功能外，還有一些應用程序需要支持Internet訪問。在MCU運行TCP/IP或其他通信協議的情況下，要求系統建立在RTOS上必然成為現實要求，8位單片機無能為力。此外，電視、汽車音響、電子玩具等越來越多的傳統應用也在與時俱進，提出了數字化和“硬件軟化”的要求，對計算性能和內存容量的要求非常大。大多數8位微控制器可以提供的范圍。②由于IT技術發展的推動，隨著高端32位CPU價格的不斷下降和開發環境的成熟，32位嵌入式處理器越來越擠壓原本由8位處理器主導的應用空間。位微控制器。隨著32位處理器在全球的普及，32位RISC嵌入式處理器開始成為高端嵌入式應用和設計的主流。另外，隨著第三方開發工具支持的不斷增加，開發工具的價格也在逐漸下降。另一方面，技術供應商也在不斷提高開發工具的靈活性和智能化，這使得開發環境不斷改善。3.2處理器IP（知識產權）為了滿足多核和SoC設計的需要，一些廠商