（电路与系统专业论文）dvd伺服系统控制软件的设计与实现.pdf

【摘要】本论文介绍了新一代d v d 伺服系统的设计原理和构成框图，重点论 述了在该d v d 伺服系统中，基于嵌入式微控制器控制软件的设计。本文作者在控 制软件的设计中采用了实时多任务的处理方法，提高了软件的实时性，改变了传统 的基于微控制器控制软件的设计方法，将控制软件分为系统软件和应用软件两大 部分。论文中详细介绍了系统软件中的多任务处理、中断处理、资源管理、系统 引导等程序以及应用软件中的系统管理任务、数据处理任务、伺服处理任务等程 序的设计。在该d v d 伺服系统中采用的嵌入式微控制器是以8 0 5 1 内核为核心的 微控制器8 0 c 5 2 ，控制软件源程序采用硬件描述c 语言( c 51 ) 编写，具有可移植 性强、易维护的优点。 【关键词】d v d 伺服系统实时多任务控制软件 【a b s t r a c t1 i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g nt h e o r y a n ds t r u c t u r ec h a r to fan e w g e n e r a t i o no fd v d s c r v os y s t e mi si n t r o d u c e d t h ed e s i g no fac o n t r o ls o f t w a r eb a s e d o ne m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ri se m p h a t i cd i s c u s s e d t h em e t h o do fr e a lt i m em u l t i t a s k i n gp r o c e s s i n gi sa d o p t e di n t h ec o n t r o ls o f t w a r e t h ee f f i c i e n c yo fs o f t w a r ei s i m p r o v e d t h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o do fc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e ri sc h a n g e d t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sd i v i d e dt w op a r t s ，o n ei s s y s t e m s o r e w a r e ，t h eo t h e ri sa p p f i e a t i o ns o f t w a r e t h ed e s i g n so ft h e s ep r o g r a m si n c l u d i n g m u l t i - t a s k i n gp r o c e s s i n g ，i n t e r r u p tp r o c e s s i n g ，r e s o u r c em a n a g e m e n t ，s y s t e ms t a r t u pi n s y s t e m s o f t w a r ea n ds y s t e mm a n a g e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，s e r v o p r o c e s s i n g i n a p p l i c a t i o ns o f t w a r e a r ed e t a i l e dd i s s e r t a t e d t h em i c m c o n t r o l l e re m b e d d e di nt h ed v d s e r v os y s t e mi s8 0 c 5 2 t h es o u r c ep r o g r a mi sp r o g r a m m e di nc l a n g u a g e ( c 5 1 ) t h e c o n t r o ls o f t w a r eh o l d ss u c h v i r t u e 船e a s ym i g r a t i o na n de a s ys e r v i c i n g k e y w o r d d v d s e r v os y s t e mr e a lt i m em u l t i - t a s k i n gc o n t r o ls o f t w a r e 独创性( 或创新性) 声明 r 五d s 3 6 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进 j 的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：塞滏叠日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 采牵率 围丝鉴 日期 五口0 a i 多歹0 绪论 绪论 d v d 是存储高质量图像和声音的大容量光盘。问世之初，它是d g i t a v i d e o d i s c 的略称。由于用途的多样化，今天的d v d 已成为高新格式光擞的一个吲定名。 d v d 系统包括d v d 盘片和读写d v d 的驱动器，d v d 系统土要柯三大类：1 、 只读型d v d ( d v d r o m ) ；2 、一次写入多次读出型d v d ( d v d r ) ；3 、可重 写型d v d ( d v d r a m ) 。最早设计推出d v d r o m 盘片主要是应用在数字影 像方面。从制定它标准的几大公司就可以看出米，东芝、松夏、华纳兄弟、s o n y 、 飞利浦等都是以家用电子或影视器材为主的公司。它们要将d v d 用在最能为它 们赚取丰厚利润的电影上。一经推出，d v d 便显现出它在电影存储方面不可替代 的优势，首先它利用数字方式存储，在画面上，它采用m p e gi i 解压缩标准，比 以往的v h s ( 视频信号) 或v c d ( 采用m p e gi 解压缩标准) 要清晰的多。v h s 和我们目前常用的v c d ( m p e gi 压缩标准) 的解析度最多能达到2 4 0 线，而m p e g i i 轻而易举的将其提升至5 0 0 1 0 0 0 线，几乎可以和电影相媲美，远非现在的v c d 效果能比，同时它与l d 相比也有过之而无不及。d v d 的画面已经彻底的消除了 马赛克、锯齿等现象，取而代之的是一个一个很微小的点。在音效上，所有的d v d 电影都提供了杜比数码环绕立体声效果，即d o l b ya c 35 1 声道效果。杜比a c 3 是一种全数字化音频编码技术，它提供6 个完全独立的声道，除了5 个全频 带的声道外，还有一个效果声道，用来表现如爆炸声等特殊效果，故称其为5 1 声道。在a c 3 的帮助下，不但可以听到分离度相当高的声音，还可以明显的感 觉到电影那身临其境的三维效果。此时的音效比c d 音效还要略胜一筹。由于d v d 存储容量大，数据传输率高，还要兼容c d 、v c d 等光盘，困此d v d 播放机内 部伺服系统直接决定了整个d v d 播放机的性能。目前国外都在不断研发和推出 新的d v d 伺服系统，如索尼公司最新推出的璐明( l u m i e r e ) d v d 伺服系统。 我国国内目前在d v d 伺服系统的研发上比较落后，还没有自主开发的产品。这 不仅妨碍了我国厂家对d v d 播放机中的核心技术的进一步掌握，也直接影响了 d v d 播放机的成本。 深圳新宏愉数码技术公司凭借着其与美国c i r r u sl o g i c 、c c u b e 等公司在 数字视频领域的长期合作，开展了一系列有关数字视频产品的研发工作。其中， 与美国c i r r u sl o g i c 公司联合开发的全数字d v d 伺服系统，力图改变我国在 d v d 伺服系统研发上的落后局面推出自己的d v d 伺服产品。该项目与目前大 部分的d v d 伺服系统不同采用了大量的数字处理技术，将伺服通道与数字处 理通道分离，极大的提高了伺服系统的稳定性，处于国内外先进水平。在该项目 的研发中，宏愉工程研发部主要是对硬件电路、c l c r 3 7 1 0s c p 软件和微控制器 软件进行设计。 在该项目的研发中，本文作者的主要工作是进行微控制器软件的设计。在该 d v d 伺服系统控制软件的设计与实现 软件的设计中，本文作者采用了实时多任务的处理方法，将软件划分为系统软件 和应用软件两部分，提高了软件的实时性和可移植性。 本论文的任务是：完成d v d 伺服系统微控制器软件的设计。 全文；分以下血章： 第一章伺服系统的设计 主要介绍该方案d v d 伺服系统的设计原理和构成框图，并对方案中的伺服控 制芯片c lc r 3 7 1 0 进行介绍。 第二章嵌入式微控制器及其软件开发思想 主要介绍嵌入式系统、嵌入式微控制器的概念及其发展与现状基于嵌入式 微控制器软件的设计与开发思想，以及该方案d v d 伺服系统中选用的微控制器 及其接口电路。 第三章基于微控制器的系统软件的设计 主要介绍在d v d 伺服系统中，基于以8 0 5 l 内核为核心的微控制器具有实时 性多任务的系统软件的设计。 第四章基于微控制器的应用软件的设计 主要介绍在d v d 伺服系统中，基于以8 0 5 1 内核为核心的微控制器控制软件 的主体部分一应用软件的设计。 第五章软件的调试与研制体会 主要介绍在d v d 伺服系统控制软件的调试过程中遇到的一些问题及解决方 法。 第一章d v d 伺服系统的设计 第一章d y d 伺服系统的设计 本章中概述了数字光盘存储系统介绍了该d v d 伺服系统的设计原理和构成 框图，详细介绍了伺服系统中伺服控制芯片c l c r 3 7 1 0 的内部结构。 1 1 数字光盘存储系统概述 图1 1 所示为数字光盘存储系统中读写信号处理系统的结构框图： 原始 信号 还原 信号 + 光盘( 信道) ( o ) t 盈堰m 翌怄 图1 - 1 读写信号处理系统的结构框图 1 1 1 信源编码和解码 在数字光盘存储系统中，信源编码的作用是将连续的模拟信号通过取样、量化 和编码三个环节变换成离散的数字信号。保真度和传输效率( 带宽或数据传输率) 是信源编码的核心问题。但这两方面是一对矛盾，因为在模拟信号数字化时，要 减少失真就必须提高取样频率和量化等级，以减小取样环节引入的频谱折叠噪声 及量化环节引入的量化噪声。但是取样频率和量化比特的提高，意味着数据传输 率的增加。这个问题在视频领域显得尤为突出。因此人们通常采用高效率编码( 压 缩编码) 技术来解决这一矛盾。所谓高效率编码( 压缩编码) 是将传输存储的数 字音视频信号所需的比特率( 单位时间的比特b i t 数) 减小的编码技术。根据香农 理论，信号的平均信息量h 与信道容量c 的关系为：当h c 时，失真非常大。因此应采用容量c 接近于信号的平均信息量h 的 信道进行传输。通常采用两种途径来实现高效编码：条途径是将信号中的冗余 信息消除，以减小h ，从而实现在不降低信号质量的前提下，降低对c 的要求： 另一条途径是利用人的视、听觉系统的特性，在视听觉感觉不到或感觉甚微( 可 容忍) 的前提下降低信号质量以降低对c 的要求。在d v d 系统中主要采用的信 源编码标准为m p e gi i 编码标准。 信源解码是信源编码的反变换。 1 1 2 信道编码调制和解调，解码 信道编码调制的作用是实现信道匹配，即将数字信号转换成适合于存储介质 上存储的物理表达方式。信道编码的主要目的是提高系统的可靠性，即降低系统 误码及提高信噪比。信道编码调制的方式主要由存储介质的特性决定。在c d 类 4d v d 伺服系统控制软件的设计与实现 光盘中，采用的c i r c 编码及e f m 调制：d v d 则采用r s p c 编码及e f m p l u s 调 制。 信道解码是信道编码的反变换，其作用是克服存储介质或信道的原始误码给 纪录信号带来的恶化影响，将信息数据更精确的还原。 1 、检错纠错编码 光盘系统必须采用适当的误码控制措施以防止在光盘生产、存放及使用中产生 的误码。根据不同种类的光盘及其所存储信息的类型，而采用不同的措施，具体 有两类： 1 ) 错误检验码e d c ( e r r o rd e f e c t i o nc o d e ) ：采用循环冗余检验码c r c c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c kc o d e ) 检验读出数据是否有错。其检错原理是用一定的数 ( 称为生成多项式) 除信息位，将余数用作检验位。重放时再用该数除一次， 如不存在误码就能除尽，即余数为零；如有误码就除不尽，即余数不为零。c r c c 只能检错不能纠错。c d r o m 光盘存储系统中存储数字数据类信息时( 存于 模式1 扇区) 采用了c r c c ，使误码率降至1 0 一。 2 ) 错误校验码e c c ( e r r o rc o r r e c t i o nc o d e ) ，又称纠错码：采用里德所罗门码 r s ( r e e d s o l o m o nc o d e ) 。光盘存储系统中所采用的r s 码有两类：里德所 罗门乘积码r s p c ( r e e d s o l o m o np r o d u c t l i k ec o d e ) 和交叉交织里德所罗门 码c i r c ( c r o s si n t e r l e a v e dr e e d s o l o m o nc o d e ) 。 c i r c 纠错码综合了交织、延时交织、交叉交织及r s 码等纠错技术，不仅能 纠正随机误码，还对突发误码有特强的纠错能力。c d 类光盘系统采用c i r c 纠错码可使误码率降至1 0 4 。 r s p c 纠错码能降低纠错码与用户数据的比例，即纠错冗余( 从c i r c 的2 5 降至r s p c 的1 3 ) 。使得在光头输出信号的信噪比较低时，仍能使纠错后的 系统误码率维持在同一水平，这就为d v d 系统采用更小的信迹间距( 0 7 4 u m ) 和更短的纪录坑长( 最小坑长为o 4 u r n ) 提供了可能。d v d 光盘系统采用r s p c 纠错码可使误码率降至1 0 。2 。 2 、e f m e f m - p l u s 调制 e f m 是8 - - - 1 4 ( e i g h tt o f o u r t e e nm o d u l a t i o n ) 的简称。光盘存储系统中，采 用e f m 调制的目的是使待存储的数据转换成适合于在介质上存储的物理表达形 式，即将一字节8 b i t 数据转换成1 4 b i t 通道码，变换时从2 “种码型中选出2 8 种码 型，选出的码型应满足：在通道码相邻的两个1 间必须有2 个以上1 0 个以下的0 ( 保证通道码相邻两个1 之间至少有2 个0 的原因是因为凹坑平台的分辨率受读 出激光器波长及聚焦透镜的数值孔径n a 的限制，如凹坑平台的长度太短，它们 的边缘检出就会有困难；而保证不超过1 0 个0 的原因是：为了使经过e f m 调制 的信号与e f m 调制中的同步信号进行区分，e f m 中同步信号采用1 l 1 1 t 码型 第一章d v d 伺服系统的设计 ( ( 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 ) 2 4 b i t ) 。因而e f m 遵循3 t 一】1 t 规则即两个1 之阃 的宽度存在3 t 、4 t 、：1 0 t ( 前8 种为e f m 调制信号) 、1 1 t ( 1 1 t 为同步信号) 等 九种可能选择( t 为1 b i t 通道位所占的时间e f m 码中的l 代表信号的阶跃，即从凹 坑 平台或平台 凹坑，0 代表没有凹坑或平台的阶跃变化) 。 e f m p l u s 调制为增强型e f m 调制。 1 1 _ 3 格式化编码与解码 d v d 伺服系统主要是对记录在d v d l 7 c d 光盘上的信息进行读取并解码。光盘存 储系统是按照一定的格式来存储信息的。从宏观到微观看，信息的存储格式有两 个层面，即：物理层面：逻辑层面。 l 、物理格式 在物理层面上，信息的的存储格式有可细分为以下几个层次： 1 ) 盘片的物理结构规格：盘片的内经、外经、单双面及结构等方面的规定。 2 ) 扫描方式：在光盘上存储信息，主要有两种扫描方式：( 1 ) c a v 方式( 剐 c o n s t a n ta n g u l a tv e l o c i t y ，恒角速) ：( 2 ) c l v 方式( 即c o n s t a n tl i n e a r v e l o c t y ，恒线速) 。两种方式都是从盘片的最内侧开始纪录信息，形成螺旋形 信迹。 3 ) 盘区的划分：光盘的信号面大致可划分为三个区：】、导入区( l e a d i na r e a ) ； 2 、节目区( 用户数据区) ；3 、导出区( l e a d o u ta r e a ) 。三个区统称为信息区 ( i n f o r m a t i o na r e a ) 。 4 ) 信迹与信道：信息区是由3 6 0 度一圈的连续螺旋形凹坑一平台序列构成。这 一圈圈的凹坑一平台序列称为信迹( t r a c k ) ，又称为物理光道或光道。在信息 区中，有些信迹存有信息，有些则不存有信息。存有信息的信迹称为信道 ( i n f o r m a t i o nt r a c k ) 。每条信道可以是一条信迹的一部分，也可以是一条完整 的信迹。或多条信迹。 5 ) 信息存储的物理标志单元：帧， 在数字光盘中，存储各类信息的基本单元是帧( f r a m e ) 。d v d c d 类光盘的帧 主要由同步字、子码、数据及校验码组成，一般为2 4 b y t e 。 同步字( s y n c ) ：每帧开头的2 4 b i t 作为一帧数据信号的标志。这2 4 b i t 同步 字无须e f m 调制，其本身就是通道码。 子码( s u b c o d e ) ：提供盘地址信息。 数据( d a t a ) 及校验码：d v d 采用里德一所罗门乘积码r s p c 方式的信道编码 以及e f m - p l u s 调制，数据的信源编码采用m p e gl i 压缩编码；c d 类光盘采用 交叉交织里德一所罗门码c i r c 方式的信道编码及e f m 调制，其中c d d a 是音 频数据c d r o m 是数字数据，c d r o mx a 是多媒体数据，v c d 是m p e gi 音视 频压缩编码数据。 6 d v d 伺服系统控制软件的设计与实现 2 、逻辑格式 光盘存储的逻辑格式是指存储的有序化管理规则目的是解决数据的寻址问 迎。光盘存储的逻辑规则遵循i s o9 6 6 0 标准。数据存储的扇区结构是为了解决 数扒寻址问题而提出的。c d d a 无扇区结构，v c d 、d v d 等则采用了扇区结构。 扇区是光盘信息区中的可寻址单元，所有含有信息的信道都是山扇区构造而 成的一个扇区由9 8 帧( 9 8 x 2 4 = 2 3 5 2b y t e 数据) 组成。 一般扇区由同步头、首标及用户数据构成： 同步头( s y n c ) ：由1 2 个b y t e 组成。 首标( h e a d e r ) ：由4 个b y t e 组成，每个b y t e 分别表示：分m ( o - 7 4 ) 、秒s ( o - 5 9 ) 、 帧f ( o - 9 7 ) ( 3 - b y t em s f ) 及模式( m o d e ) 。 c d r o m ( i s o9 6 6 0 ) 定义了三种模式( m o d e ) 的扇区： 1 ) 模式( m o d e ) 0 ：不向用户开放，在组织信道上的信息时它作匹配用。 2 ) 模式( m o d e ) 1 ：容量为2 0 4 8b y t e ，用于存储对错误非常敏感的数据，误码 率( 1 0 1 2 采用错误检测码e d c 和错误校验码e c c 。 3 ) 模式( m o d e ) 2 ：容量为2 3 3 6b y t e ，用于存储对错误不非常敏感的数据( 如 图像、音频数据) 误码率 0 ，表示 焦点以靠近光头方向偏离信号面，此时u v e o ，且随着z 的增加而增加。当u f e 达到 最大值后，随着z 增加而迅速减小并趋于0 ，这是因为读数光束焦点偏离信号面 远而使得反射到光探测器上的光强因散焦而变得很弱；相反的，当z 0 ，表示焦 点以远离光头方向偏离信号面，此时u r e c o u n t d o w n t i m ei n i tt i m e ； e n a b l et i m e r 0i n t ；开放定时器0 中断 ) u c h a r t i m e r e x p i r e d ( t i m e r _ t + f i m e r _ p ) u l o n gc u r r _ t i m e ； d v d 伺服系统控制软件的设计与实现 d i s a b l et i m e r o i n t ；朦止定时器0 中断 c u r t _ t i m e = s ) s t e mt i m e ；纪录当前系统时间 e n a b l et i m e r oi n t ； 开放定时器0 中断 i f ( ( c u r r t i m e t i m e r a ) 一 s w a t c h ) t i