以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為中心的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、嵌入式系統(tǒng)正朝著復(fù)雜化、大規(guī)模化和智能化的方向發(fā)展,對(duì)功能、性能、功耗和成本等方面提出了更多的要求和約束。如何在不同的要求和約束之間取得平衡是未來嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。平臺(tái)化設(shè)計(jì)(Platform-BasedDesign)是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),在嵌入式系統(tǒng)諸多要求和約束中取得平衡的有效方法之一。平臺(tái)化設(shè)計(jì)是一種系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方法,既包括軟件平臺(tái)化也包括硬件平臺(tái)化,其核心一方面是強(qiáng)調(diào)軟硬件的可復(fù)用性和可編程性從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用的靈活性,

2、另一方面是強(qiáng)調(diào)硬/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。針對(duì)實(shí)時(shí)和中小型嵌入式系統(tǒng),以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem,RTOS)為中心的平臺(tái)化設(shè)計(jì)是一種更為合適的選擇。本文對(duì)以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為中心的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究,圍繞開放實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)TOPPERS(ToyobashiOPenPlatformofEmbeddedReal-timeSystem)提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向中小型嵌入式系統(tǒng)軟硬件

3、全可編程的快速原型開發(fā)平臺(tái),具體應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量?jī)x器儀表、移動(dòng)機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域中。適當(dāng)放寬成本和功耗約束后,改進(jìn)和擴(kuò)展后的平臺(tái)也適用于高端嵌入式系統(tǒng)。本文工作主要貢獻(xiàn)如下。
　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為本文中平臺(tái)化設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ),其功能、性能、可擴(kuò)展性等因素對(duì)整個(gè)平臺(tái)都有著極為重要影響。本文從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)目前主要的、具有代表性的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)價(jià),分析比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)以及相應(yīng)的測(cè)量方法,為實(shí)

4、時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型和應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過評(píng)價(jià)比較,本文選擇了TOPPERS作為平臺(tái)化設(shè)計(jì)核心和基礎(chǔ),同時(shí)介紹了對(duì)其不足之處所做的改進(jìn)。
　　本文具體研究了面向中小型嵌入式系統(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì),針對(duì)該類系統(tǒng)的特點(diǎn),提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟硬件全可編程快速原型開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)硬件上基于處理器-可編程邏輯混合架構(gòu),軟件上以TOPPERS為核心,提出并應(yīng)用了以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為中心的硬/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方法,構(gòu)建了相應(yīng)的硬/軟協(xié)同仿真環(huán)境。相

5、關(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和在工業(yè)測(cè)量?jī)x器儀表領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用顯示該平臺(tái)充分發(fā)揮了硬軟件全可編程的特點(diǎn)和硬/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),在成本、功能和性能之間取得了較好的平衡。
　　本文將平臺(tái)化設(shè)計(jì)與所實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)平臺(tái)具體應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域,提出了一種新型混合實(shí)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)(HybridReal-timeMobileRobotPlatform,HRMRP),實(shí)時(shí)、異構(gòu)和組件化是其主要特點(diǎn)。該平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上包含三層,數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)外設(shè)接口和硬件加速,實(shí)時(shí)控制層

6、負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制,高性能層負(fù)責(zé)高級(jí)復(fù)雜的功能。HRMRP在硬件上進(jìn)一步提升了核心器件的性能,在軟件上針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了更多的中間件并引入了機(jī)器人分布式系統(tǒng)框架ROS(RobotOperatingSystem),從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加完整的應(yīng)用平臺(tái)。
　　最后針對(duì)更復(fù)雜的高端嵌入式系統(tǒng),提出了相應(yīng)的擴(kuò)展和改進(jìn)方法,研究了片上異構(gòu)多核環(huán)境下平臺(tái)化設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題。在適當(dāng)放松成本和功耗約束的基礎(chǔ)上,整個(gè)平臺(tái)在功能、性能和靈活性上獲得大