计算机控制系统与技术课程设计报告书

课程设计报告(2010-2011第二学期)名称：电脑控制系统题目：嵌入式处理器技术及其应用开发计算机控制系统课程设计任务书一、目的和要求1、通过本课程的设计和教学，加深学生对课程内容的理解和掌握；2.结合工程问题，培养和提高学生查阅文献、相关资料和整理资料的能力；3.结合工程问题培养和锻炼学生独立分析、思考和解决问题的能力；4.要求学生能够根据工程问题和实际应用方案的要求，运用所学课程的基本理论和设计方法，对方案进行总体设计和分析评价；5、报告原则上要求按照相应的工程技术规定进行设计、绘图、分析和撰写。二、主要内容1、数字控制算法分析与设计；2.现代控制理论算法分析与设计3.模糊控制理论算法分析与设计4、过程数字控制系统分析与设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置的硬件电路及软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案分析与设计；9、数据通信接口电路软硬件方案设计及性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟工艺参数的检测及数字化处理方法；12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术及安全可靠性措施分析与设计14、计算机控制系统误差控制技术分析与设计15.计算机控制系统容错技术分析与设计16.工程过程建模方法分析3.进度计划序列号设计内容完成时间评论1选择课程设计主题并查阅相关文献2根据所选主题设计文献资料的研究3讨论设计并修改设计方案4撰写课程设计报告5课程设计防御4、对设计结果的要求1.选题国外申请发展概况；2、课程设计的主要内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及复习、分析等；3.课程设计总结或结论与参考资料；4、设计报告规范要求完整。五、考试方式《计算机控制系统》课程设计的评价标准如下：1.撰写课程设计报告；2、设计过程中的独立工作能力和表现；3.答辩时回答问题。成绩分为优、良、中、及格、不及格五个等级。一、目的和要求1、通过本课程的设计和教学，加深学生对课程内容的理解和掌握；2.结合工程问题，培养和提高学生查阅文献、相关资料和整理资料的能力；3.结合工程问题培养和锻炼学生独立分析、思考和解决问题的能力；4.要求学生能够根据工程问题和实际应用方案的要求，运用所学课程的基本理论和设计方法，对方案进行总体设计和分析评价；5、报告原则上要求按照相应的工程技术规定进行设计、绘图、分析和撰写。2.设计文字1嵌入式处理器技术嵌入式处理器是在计算机以外的设备中提供附加功能的计算机芯片，通常用于控制和监视领域。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制和辅助系统运行的硬件单元。范围极其广泛，从最初的4位处理器、仍在大规模应用的8位微控制器，到广受青睐的最新32位和64位嵌入式CPU。目前，全球具有嵌入式功能的处理器有1000多种，流行的架构包括MCU、MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体厂商都在量产嵌入式处理器，公司自主设计处理器已成为未来嵌入式领域的一大趋势。各种品种，速度越来越快，性能越来越强，价格越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000MIPS，封装范围从8针到144针。根据嵌入式处理器的特点，可以分为事务密集型和计算密集型两种。根据任务的特点，可分为一般型和特殊型。按操作数据宽度可分为5种。基于操作数据宽度的嵌入式处理器分类48位16位32位64位嵌入式处理器TMS10008048/516801/05Z8809668200ARMRISC内核MIPS32位MIPS64位普遍的处理器400440408085Z8065028086/80286Z800080386/8048668000奔腾二/三由于不同的运行速度和吞吐量水平，嵌入式处理器具有不同的应用。嵌入式系统处理器的各种等级产品嵌入式微处理器应用产品4电脑、遥控器、充电器、随身听、玩具……8位电机控制器、机器、空调...16位相机、录像机、多媒体...32位PDA、路由器、工作站、GPS...64位高性能服务器、工作站...嵌入式处理器按其面向应用的特点可分为以下四种：嵌入式微处理器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMPU）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）嵌入式片上系统1.1处理器分类1.1.1嵌入式微处理器（EmbeddedMicrocontrollerUnit，EMPU）嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，微处理器组装在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用相关的主板功能，可大大减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器的功能与标准微处理器基本相同，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。与工控计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，但必须在电路板上包括ROM、RAM、总线接口、各种外围设备等器件，从而降低了计算机的可靠性。系统很差，技术性也很差。嵌入式微处理器及其内存、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板机，如STD-BUS、PC104等。近年来，德国和日本的一些公司已经开发了“火柴盒”型名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。研华也推出了类似的模块化系统SOM（SystemOnModule）。嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM等系列。嵌入式微处理器可分为两类：CISC和RISC。大多数熟悉的台式电脑都使用CISC微处理器，例如Intel的X86。RISC架构有两大主流：SiliconGraphics的MIPS技术和ARM的AdvancedRISCMachines技术。此外日立（Hitachi）也拥有自己的一套RISC技术SuperH。1.1.2嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义就是将整个计算机系统集成到一个单片机中。嵌入式微控制器一般以一定的微处理器内核为核心，芯片集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、WatchDog、I/O、串口、PWM输出、A等各种必要的功能和外设如/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等。为了满足不同的应用需求，一般一个系列的单片机都有多种衍生产品，每个衍生产品的处理器内核都是一样的，而不同的是内存和外设的配置和封装。这样，单片机就可以最大程度地匹配应用需求，功能不多也不多，从而降低功耗和成本。与嵌入式微处理器相比，单片机最大的特点是单片，体积大大减小，从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统行业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合控制，所以称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多。比较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。另外还有很多半通用系列如：MCU8XC930/931、C540、C541支持USB接口；支持I2C、CAN-Bus、LCD和许多特殊的MCU和兼容系列。目前，MCU约占嵌入式系统市场份额的70%。特别值得一提的是，近年来提供X86微处理器的知名厂商AMD将嵌入式处理器称为Am186CC/CH/CU微控制器，而摩托罗拉则将基于PowerPC的PPC505和PPC555列为微控制器行列。TI还将其TMS320C2XXX系列DSP作为MCU进行推广。1.1.3嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）DSP处理器专门设计了系统结构和指令，使其适合执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度快。在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，DSP正在大量进入嵌入式领域。嵌入式DSP处理器有两种开发来源。一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器。TI的TMS320C2000/C5000等属于这一类；将DSP协处理器添加到微控制器或SOC，例如英特尔的MCS-296和英飞凌(Siemens)的TriCore。另一个推动嵌入式DSP处理器发展的因素是嵌入式系统的智能化，例如各种具有智能逻辑的消费类产品、生物识别终端、具有加解密算法的键盘、ADSL接入、实时语音压缩系统、虚拟现实显示等这种智能算法一般计算量很大，尤其是向量运算、指针线性寻址等，而这些都是DSP处理器的强项。嵌入式DSP处理器的代表产品是德州仪器的TMS320系列和摩托罗拉的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、用于移动通信的C5000系列，以及更高性能的C6000和C8000系列。DSP56000已经发展成DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。此外，飞利浦今年还推出了基于可复位嵌入式DSP结构的低成本、低功耗技术的REALDSP处理器。它的特点是双哈佛结构和双乘法/累加单元。应用目标是大众消费。类产品。1.1.4嵌入式片上系统随着EDI的普及和VLSI设计的普及，以及半导体技术的飞速发展，在硅片上实现更复杂系统的时代已经到来，那就是片上系统（SOC）。各种通用处理器内核将被用作SOC设计公司的标准库，与许多其他嵌入式系统外设一样，它们将成为VLSI设计中的标准器件，以标准VHDL等语言描述，并存储在器件库中.用户只需要定义自己的整个应用系统，仿真通过后，就可以将设计图交给半导体厂打样。这样，除了个别设备无法集成外，整个嵌入式系统的大部分都可以集成到一个或多个芯片中，应用系统电路板会变得非常简单，这对于减小体积和功耗以及提高可靠性。.SOC可分为通用类和专用类。通用系列包括英飞凌（西门子）的TriCore、摩托罗拉的M-Core、部分ARM系列器件、埃施朗与摩托罗拉联合开发的Neuron芯片等。一般用户不知道。具有代表性的产品是飞利浦的SmartXA，它将一个XA单芯片内核和一个支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可以加载JAVA或C语言的专用SOC，可用于互联网安全等公共互联网。2嵌入式处理器架构传统的复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer，CISC）结构有其先天不足，即随着计算机技术的发展，不断引入新的复杂指令集。会变得越来越复杂。但是，在CISC指令集中的各种指令中，使用频率差别很大，大约在20%左右。显然，这种结构是不合理的。基于上述不合理性，1979年，加州大学伯克利分校提出了精简指令集计算机（RiducedInstructionSetComputer，RISC）的概念。RISC并不是简单地减少指令，而是专注于如何使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度。RISC结构优先使用最常用的简单指令，避免复杂指令；指令长度固定，减少指令格式和寻址方式；主要采用控制逻辑，不采用或采用微码控制等措施达到上述目的。虽然RISC和CISC都试图在架构、操作、软件、硬件、编译时间和运行时间等许多因素之间取得平衡，但为了提高效率，它们采取了不同的方法，因此在许多方面都有很大的差异，其中最主要的是：①指挥系统RISC的设计者专注于经常使用的指令，尽量使它们简单高效，并且经常将指令组合用于不太常用的功能。因此，在CISC机器上实现特殊功能时，效果可能会更低。但可以通过使用流水线技术和超标量技术来改进和补偿。CISC命令系统比较丰富，有专门的命令来完成特定的功能。因此，在CISC机器上处理特殊任务效率更高。②记忆操作RISC对内存操作有限制，简化了控制；而CISC机器有很多内存操作指令，直接操作。③程序RISC汇编语言程序一般需要较大的存储空间，实现特殊功能时程序复杂难于设计；CISC汇编语言编程相对简单，科学计算和复杂运算的编程相对简单高效。④中断RISC机器可以在指令执行的适当位置响应中断；CISC机器在指令执行结束后响应中断。⑤中央处理器RISC机的CPU单元电路少，因此占地面积小，功耗低；而CISC机的CPU包含丰富的电路单元，功能强大、面积大、功耗高。⑥设计周期RISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，易于采用最新技术；CISC微处理器结构复杂，设计周期长。⑦用户使用RISC微处理器结构简单，指令规则，性能易于掌握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，特殊功能易于实现。⑧应用范围由于RISC指令系统的确定与具体的应用领域有关，RISC机器更适合专用机器；而CISC机器更适合通用机器。当然，与CISC架构相比，RISC架构虽然具有以上优势，但绝不能认为RISC架构可以替代CISC架构。其实RISC和CISC各有优势，界限不是那么明显。现代CPU经常使用CISC的外围，并加入了RISC的一些特性，比如超长指令集CPU，它结合了RISC和CISC的优点，成为CPU未来的发展方向之一。1.2.1微处理器的典型核心架构嵌入式微处理器是用于在计算机以外的设备中提供附加功能的计算机芯片，通常用于控制和移动。这些芯片大多兼顾控制和计算，具有指令丰富、外设齐全的特点，属于事务密集型处理器。ARM处理器RICS类处理器的代表技术是ARM（AdvancedRISCMachines）技术。即使是公司的名称，也是一类微处理器的总称，或者是一种技术的名称。目前应用最广泛的是ARM7系列内核、ARM9系列内核、ARM10系列内核。事实上，ARM7系列是针对现代微控制器的，而ARM9系列、ARM10系列和ARM11系列主要针对手持应用和多媒体解决方案而设计。ARM7处理器的计算能力约为0.9MIPS/MHZ。由于可以使用更高的主频和更合理的流水线结构，其处理能力比嵌入式控制器更加突出。在ARM710T-ARM740T处理器中，有一个数据缓存DCACHE和一个指令缓存ICACHE，大大提高了处理器的综合能力。所有ARM处理器均采用ARMV4T结构，分为3级流水线，提高了处理器指令流的执行速度。三级流水线结构的处理器执行的指令分为三个指令阶段：取指、解码和执行。取指阶段从内存中取出指令，解码阶段分析指令将使用的寄存器，执行阶段从寄存器组中读取寄存器移位和ALU操作，并将寄存器写回寄存器组。在正常操作期间，如果正在执行一条指令，则对其后续指令进行解码，并取出第三条指令。从上面的过程可以看出，程序计数器指针（PC）并不指向当前正在执行的指令，而是指向正在取的指令。3级流水线指令的执行过程如图所示。拿来解码实施拿来解码实施拿来解码实施三阶段流水线指令的执行过程ARM7型处理器采用Neumann结构，只有一个32位数据通道，指令和数量通过这个通道传输。处理器的核心架构如下图所示。由于指令和数据在同一通道上访问，因此此类处理器的平均执行周期为1.9。指令可以分为两类：ARM指令和Thumb指令。数据可以分为3种访问格式，即8bit、16bit和32bit。需要注意的是，16bit和32bit的数据需要分别对齐，所以在C语言条件下对移植会有一定的影响。1.2.2微控制器的典型核心架构嵌入式单片机最大的特点就是单片，体积大大减小，从而降低了成本和功耗，大大提高了可靠性。由于嵌入式单片机价格低廉，功能强大，品种非常丰富，市场占有率高。嵌入式微控制器的典型代表是单片机。现代单片微控制器通常具有以下全部或部分特性：它可以在处理器所在的集成电路（IC）上包含ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、看门狗、定时器、串口、A/D等必要的功能和外部设备。在同一个IC上可以有一些程序和数据存储器。提供可直接访问I2C引脚的编程器。可以为嵌入式系统中常用的控制操作提供专用指令，例如位操作。目前最典型的就是以51为核心的8051系列8位单片机和以MSP430为代表的16位单片机。近日，ATMEL公司推出的AVR单片机集成了FPGA等器件，具有极高的性价比，必将推动单片机市场的发展。51系列微控制器51系列单片机的总线宽度为8位，其运算核心一次只能处理一个字节的数据。尽管可以使用通用寄存器执行16位宽的操作，但需要额外的机器周期。51单片机的机器周期是其使用的晶振振荡周期的12倍。在振荡器频率为12MHz的条件下，考虑单片机循环指令的执行时间，可以计算出来，每秒最大可执行指令为一条1M在同等价格的条件下，这种内核所包含的资源比较丰富，所以51系列单片机非常适合以较低的成本组成更大的系统，这是其他单片机无法比拟的。其系统框图如下图所示。其片上资源主要包括：4KB可重写程序存储器；128B数据存储器；32条可编程控制线；2个16位计数器；5个中断源；全双工串口。51系列微控制器系统框图为了提高51核单片机的市场竞争力，设计者在51核的基础上进行了改进，增加了一些资源，提高了系统的适应性，生产出了52核。具体区别如下：RAM空间增加。AT89C51有128B的RAM，称为DATA存储区。AT89C52的RAM扩展为256B，其中高128B位于从80H开始的地址空间，称为IDATA存储区，但对IDATA区的访问只能采用间接寻址方式。部分FLASH变大。AT89C51有4KB的部分FLASH存储器，而AT89C52将部分FLASH存储器翻了一番，达到8KB。中断源增加。在AT89C52中，P1.0和P1.1也可以分别作为定时器/计数器T2外部计数输入（P1.0/T2）和（P1.1/T2EX），也就是说P1.0也可以作为用作定时器/计数器T2外部计数输入，输出50%占空比的时钟脉冲端口，P1.1也可用作定时器/计数器T2捕捉/重载触发和方向控制端口。因此，除了AAT89C51的定时器/计数器T0和定时器/计数器T1功能外，AT89C52还增加了定时器/计数器T2。定时器/计数器T2的控制位和状态位分别位于T2CON和T2MOD中，定时器/计数器T2在16位捕捉模式或自动重载模式下的捕捉/重载寄存器组为（TCAO2H， RCAP2L）。DSP的典型核心架构DSP处理器，也称为数字信号处理器，是一种特别适用于数字信号处理的微处理器。它强调运行处理的实时性。因此，它除了具有普通微处理器强调的高速运算和控制功能外，主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流方面具有突出的特点。主要表现在：①DSP芯片均采用改进的哈佛结构、总线分离的哈佛结构或超哈佛结构，比传统的诺依曼结构具有更高的指令执行速度。②采用多级流水线结构，增加单位时间内执行的指令数。有不同类型的独立总线和辅助寄存器，提高了数据和指令流的处理效率；C5000系列C5000系列DSP处理器均为16位定点DPS，包括原有的C5X系列、以高性价比为目标的C54X系列和以高速低功耗为目标的C55X系列处理器。目前，虽然C5X还在生产中，但C54X和C55X已经成为主流。TMS320C54X系列DSP处理器（简称C54X）采用改进的哈佛结构，具有专用的硬件逻辑CPU、片上存储器、片上外设和高度专业化的指令集，具有高度的操作灵活性和运行速度，适用于远程通信和其他实时嵌入式应用程序。此外，具有C54XCPU外围结构和用户定制存储器的衍生器件也得到了广泛应用。TMS320C54xDSP的硬件框图2嵌入式处理器的应用嵌入式处理器的应用领域非常广泛，是现代计算机技术改造传统产业、提高诸多领域技术水平的有力工具。可以说嵌入式处理器无处不在。其主要应用领域包括智能产品（智能电表、智能及信息家电）、工业自动化（测控设备、数控机床、数据采集与处理）、办公自动化（通用计算机中的智能接口）、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用（电子秤、POS机、条码识别机）、安防（消防、防盗、防漏电等报警系统）、网络通信（路由器、网关、手机、PDA、无线传感器网络）、汽车电子和航空航天（汽车防盗报警器、自行车和飞机黑匣子）到军事等领域，如下图所示。飞行导航控制飞行导航控制军事电子信息家电智能玩具通信设备移动储存工控设备工业过程控制智能仪表汽车电子网络设备传感器网络电子商务嵌入式处理器的应用工业领域航空航天控制军事国防领域消费电子领域嵌入式处理器的应用领域嵌入式处理器在工业自动化、国防、交通运输和航空航天等众多行业中得到广泛应用和变革。神舟飞船、长征系列火箭系统以及导弹制导系统中都有很多嵌入式处理器，高端汽车中也有几十个嵌入式处理器。在日常生活中，人们基本都在各种电子设备中嵌入了处理器，但不一定知道。事实上，几乎所有有点“智能”的添加物（自动洗衣机、电脑电饭煲）都使用嵌入式处理器，具有广泛的适应性和多样性。3嵌入式处理器的发展3.132位处理器的兴起市场的发展加速了观念的转变，观念的转变促进了市场的发展。8位MCU市场逐渐趋于稳定，32位MPU和SoC代表了嵌入式技术的发展方向。32位处理器应用范围扩大的驱动因素主要包括以下两个方面。①手机、数码相机、MP3播放器、PDA、游戏机等手持设备以及各种信息家电等对性能有更高要求的多媒体和通信设备的推出，推动了32位处理器的应用。在这些应用中，庞大的多媒体数据必然需要更大的存储空间，而很多32位微控制器可以使用同步SDRAM，这样可以大大降低使用更大容量数据存储器的成本。而8位微控制器一般只能使用成本较高的SRAM作为数据存储器。除了处理应用程序控制功能外，还有一些应用程序需要支持Internet访问。在MCU运行TCP/IP或其他通信协议的情况下，要求系统建立在RTOS上必然成为现实要求，8位单片机无能为力。此外，电视、汽车音响、电子玩具等越来越多的传统应用也在与时俱进，提出了数字化和“硬件软化”的要求，对计算性能和内存容量的要求非常大。大多数8位微控制器可以提供的范围。②由于IT技术发展的推动，随着高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟，32位嵌入式处理器越来越挤压原本由8位处理器主导的应用空间。位微控制器。随着32位处理器在全球的普及，32位RISC嵌入式处理器开始成为高端嵌入式应用和设计的主流。另外，随着第三方开发工具支持的不断增加，开发工具的价格也在逐渐下降。另一方面，技术供应商也在不断提高开发工具的灵活性和智能化，这使得开发环境不断改善。3.2处理器IP（知识产权）为了满足多核和SoC设计的需要，一些厂商