徐巧格

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000）

對(duì)CORTEX-A8處理器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

徐巧格

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000）

本文對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，冰對(duì)這兩種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了基于CORTEX-A8處理器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)該系統(tǒng)的計(jì)算能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出了基于CORTEX-A8處理器的嵌入式能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求，運(yùn)行該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加工，能夠提高低端數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算能力。

CORTEX-A8處理器；嵌入式數(shù)控系統(tǒng)；實(shí)時(shí)；設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用計(jì)算機(jī)來對(duì)產(chǎn)品的加工進(jìn)行數(shù)字化的處理及控制。本文根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求，通過對(duì)現(xiàn)有的Linux的方案的分析，結(jié)合高性能的OMAP3530，來實(shí)現(xiàn)基于OMAP3530處理器的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上完成基于實(shí)時(shí)嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)

1.1 實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核當(dāng)中，中斷處理機(jī)制會(huì)加設(shè)一定的延遲程序，從而使得系統(tǒng)無法達(dá)到實(shí)施響應(yīng)的要求。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)進(jìn)行改造，在中斷響應(yīng)以及調(diào)度抖動(dòng)降低到微秒級(jí)，這樣就可以更好的響應(yīng)外部事物，達(dá)到了實(shí)時(shí)性的要求。對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)改造的方法有四種包括：使用微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、利用可搶占的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、采用ADEOS技術(shù)以及修改內(nèi)核的辦法。所謂的改善為內(nèi)核的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，則是在Linux系統(tǒng)內(nèi)核與硬件平臺(tái)間插入微內(nèi)核，其中插入的微內(nèi)核獨(dú)立于Linux內(nèi)核運(yùn)行，插入的微內(nèi)核通過中斷的接管，達(dá)到了最小的延遲效果，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的特性。Linux系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中2.6版本以后的系統(tǒng)加設(shè)了可搶占機(jī)制，所謂可搶占機(jī)制，則是低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)掛起，而且高優(yōu)先級(jí)可以獲取更多資源，所以可以通過給實(shí)時(shí)任務(wù)分配一個(gè)高的優(yōu)先級(jí)，從而使得在切換任務(wù)時(shí)不斷地?fù)屨嫉蛢?yōu)先級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的實(shí)時(shí)特性[1-3]。ADEOS技術(shù)則是提供一種達(dá)到工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)性的實(shí)施框架。通過修改內(nèi)核的時(shí)鐘系統(tǒng)、共享內(nèi)存等來達(dá)到實(shí)時(shí)Linux的目的，再加入微秒級(jí)的時(shí)鐘精度就可以滿足實(shí)時(shí)性比較嚴(yán)格的場(chǎng)合。

1.2 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

嵌入式的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是通過硬件平臺(tái)以及操作系統(tǒng)共同作用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)特性的。Omap3530處理器是以ARMcortex-a8處理器作為核心技術(shù)的嵌入式處理器，此項(xiàng)處理器的處理性能是傳統(tǒng)ARM9的4倍，并且整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)由操作系統(tǒng)決定實(shí)時(shí)性。在Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)改造的4種方法當(dāng)中只有ADEOS技術(shù)綜合各方面更為適合于嵌入式系統(tǒng)。將ADEOS引入嵌入式領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)是，在OMAP3530的處理器上構(gòu)建Linux/Xenomai構(gòu)架的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣就給數(shù)控系統(tǒng)建立了從用戶空間再到內(nèi)核空間的實(shí)施平臺(tái)，以ADEOS技術(shù)實(shí)時(shí)擴(kuò)展的XENOMAI是Linux內(nèi)核的一個(gè)實(shí)施開發(fā)框架，此框架完全運(yùn)行于ADEOS之上[4-6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）對(duì)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析。數(shù)控機(jī)床是全機(jī)電一體化的技術(shù)產(chǎn)品，包含機(jī)床本體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、PLC單元。數(shù)控機(jī)床控制數(shù)控系統(tǒng)，主要包含硬件和軟件兩部分。硬件部分及設(shè)備驅(qū)動(dòng)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，軟件部分是由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的表達(dá)，兩者共同組合才可構(gòu)成整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件的具體組成如表1所示。

表1 數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)組成

2）對(duì)Cortex-A8處理器的具體介紹。目前Cortex-A8處理器是在RISC基礎(chǔ)上建立起來的微處理器。處理器本身是采用32位的設(shè)計(jì)，不過有具備16位的所有指令，不僅和同等價(jià)位的節(jié)省了代碼，而且還持有32位系統(tǒng)所有的優(yōu)勢(shì)。是一款在ARMv7之上的應(yīng)用處理器，具有高性能、高效率的處理器。處理器內(nèi)核的選擇也極為重要，它決定的處理器的使用效率好壞。本次設(shè)計(jì)選取AM335X來作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心處理器，其具備高頻使用等特點(diǎn)。選取EP4CE10F17I8N來作為本次設(shè)計(jì)的協(xié)助處理器，其豐富的邏輯資源以及超低功耗等為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

3）基于Cortex-A8的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Cortex-A8+FPGA的雙處理器的構(gòu)架，根據(jù)Cortex-A8核心處理器完成任務(wù)的調(diào)度等功能，以及FPGA的靈活性等特點(diǎn)，將其作為協(xié)助處理器，如圖1所示的數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件電路開發(fā)

1）Cortex-A8采用最小系統(tǒng)的硬件電路。AM335X處理器使用的是目前最新系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌176 K位的只讀存儲(chǔ)器，并且程序只能存儲(chǔ)在片外的芯片當(dāng)中，所以還需在設(shè)置讀寫的存儲(chǔ)器以及顯示系統(tǒng)，從而可以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，達(dá)到實(shí)時(shí)的目的。

2）Cortex-A8外部接口以及FPGA外部接口的內(nèi)容。AM335X外部接口主要有LCD液晶顯示接口、Ethernet、串行設(shè)計(jì)以及USB OTG 4個(gè)接口。只有做好Cortex-A8外圍硬件的4個(gè)接口的完好設(shè)計(jì)才算完成外圍硬件接口電路的設(shè)計(jì)[7-8]。其次是FPGA部分，其外圍的電路設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分，包括Cortex-A8-FPGA雙處理器的通信電路、主軸控制電路和反饋電路以及基本的輸入輸出電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3）最后是對(duì)基于Cortex-A8嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的板卡進(jìn)行優(yōu)化。首先就是對(duì)其表面的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加清晰明了；其次是設(shè)計(jì)平臺(tái)的可靠性以及穩(wěn)定性。使得平臺(tái)更具有使用價(jià)值。

2.3 FPGA固件程序開發(fā)

FPGA固件程序的模塊設(shè)計(jì)。這是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此次設(shè)計(jì)采用從上到下的設(shè)計(jì)原則，盡量做到高內(nèi)聚、低耦合。其內(nèi)容簡(jiǎn)單分為4個(gè)模塊的設(shè)計(jì)分別為：FPGA與AM335X處理器間的通信接口模塊設(shè)計(jì)、FPGA時(shí)鐘使能管理模塊、多軸硬件精插補(bǔ)器模塊以及接口功能模塊，分別對(duì)這4個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中插補(bǔ)技術(shù)是硬件部分設(shè)計(jì)的核心，其工作實(shí)質(zhì)是利用有限的信息來完成數(shù)據(jù)密化的工作。接口功能模塊的設(shè)計(jì)包括：精準(zhǔn)脈寬脈沖模塊設(shè)計(jì)、NC面板及MCP面板掃描模塊等[9-11]。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)測(cè)量方法

對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)的采集是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的關(guān)鍵，直接影響著評(píng)估測(cè)量結(jié)果的精確性[12-13]。在CORTEX-A8處理器的內(nèi)核中包含一個(gè)64位的硬件計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)處理器從上電到測(cè)量是的時(shí)鐘周期數(shù)進(jìn)行記錄，并且外界因素不能對(duì)該計(jì)數(shù)器的值產(chǎn)生影響，故而通過讀取該計(jì)時(shí)器的值就可以獲得精確的時(shí)間，利用硬件計(jì)數(shù)器對(duì)程序執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的方法如圖2所示。

圖2 時(shí)間測(cè)量方法示意圖

如圖2所示，首先在時(shí)間測(cè)量的起始點(diǎn)A，連續(xù)兩次讀取硬件計(jì)數(shù)器的值得到t00-count和t01-count，在時(shí)間測(cè)量的結(jié)束點(diǎn)B讀取硬件計(jì)數(shù)器的時(shí)間t1-count0，根據(jù)以下公式計(jì)算出執(zhí)行時(shí)間T。

3.2 內(nèi)核空間實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度延遲測(cè)試與分析

分別對(duì)9中周期不同的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度延遲進(jìn)行測(cè)量，并且每組數(shù)據(jù)總共要進(jìn)行20 000次采樣，數(shù)據(jù)分布如圖3所示，其中橫坐標(biāo)代表任務(wù)周期，每組數(shù)據(jù)左邊的柱高表示的調(diào)度延遲的最小值，中間柱高表示的是調(diào)度延遲的平均值，右邊的柱高表示的調(diào)度延遲的最大值。由圖3可知，調(diào)度延遲的最小值和平均值均大于 15 μs，調(diào)度延遲的最大值小于 35 μs，這就說明該系統(tǒng)在用戶和內(nèi)核空間都具有體現(xiàn)出了較好的實(shí)時(shí)性，能夠很好的滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的需要[14-15]。

圖3 內(nèi)核空間任務(wù)的調(diào)度延遲

4 結(jié)束語

通過對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的了解，文中設(shè)計(jì)了基于CORTEX-A8處理器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平臺(tái)，最后通過實(shí)驗(yàn)與分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有很好地實(shí)時(shí)特性，基本可以達(dá)到工業(yè)要求。

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Design and research on CORTEX?A8 processor，real?time embedded CNC system platform

XU Qiao?ge
（Shaanxi Energy Institute，Xi’an712000，China）

In this paper，real?time systems and embedded real?time systems were introduced，these ice implementation of both systems is analyzed，focusing on the numerical control system based on embedded hardware platform CORTEX-A8 processor design，the computing capability of the system conducted experiments to test proposed CORTEX-A8 processor?based embedded numerical control system to meet the requirements to run the system can achieve real?time processing，computing power can be improved low?end CNC system.

CORTEX-A8 processor；embedded CNC system；real-time；design

TN99

A

1674-6236（2017）22-0136-03

2016-01-21稿件編號(hào)：201601178

徐巧格（1970—），女，陜西楊陵人，講師。研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用。