以實時操作系統(tǒng)為中心的嵌入式系統(tǒng)平臺化設(shè)計研究.pdf

1、嵌入式系統(tǒng)正朝著復(fù)雜化、大規(guī)?；椭悄芑姆较虬l(fā)展,對功能、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)計所必須面對的挑戰(zhàn)。平臺化設(shè)計(Platform-BasedDesign)是應(yīng)對這一挑戰(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。平臺化設(shè)計是一種系統(tǒng)級的設(shè)計方法,既包括軟件平臺化也包括硬件平臺化,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現(xiàn)對不同應(yīng)用的靈活性,

2、另一方面是強(qiáng)調(diào)硬/軟件協(xié)同設(shè)計從而實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化。針對實時和中小型嵌入式系統(tǒng),以實時操作系統(tǒng)(Real-TimeOperatingSystem,RTOS)為中心的平臺化設(shè)計是一種更為合適的選擇。本文對以實時操作系統(tǒng)為中心的嵌入式系統(tǒng)平臺化設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)研究,圍繞開放實時嵌入式系統(tǒng)軟件平臺TOPPERS(ToyobashiOPenPlatformofEmbeddedReal-timeSystem)提出并實現(xiàn)了一個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,具體應(yīng)用在工業(yè)測量儀器儀表、移動機(jī)器人和運動控制等領(lǐng)域中。適當(dāng)放寬成本和功耗約束后,改進(jìn)和擴(kuò)展后的平臺也適用于高端嵌入式系統(tǒng)。本文工作主要貢獻(xiàn)如下。
　　實時操作系統(tǒng)作為本文中平臺化設(shè)計的核心和基礎(chǔ),其功能、性能、可擴(kuò)展性等因素對整個平臺都有著極為重要影響。本文從定性和定量兩方面對目前主要的、具有代表性的開源實時操作系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)評價,分析比較了各自的優(yōu)缺點,提出了一系列評價指標(biāo)以及相應(yīng)的測量方法,為實

4、時操作系統(tǒng)的設(shè)計、選型和應(yīng)用提供了理論和實驗依據(jù)。通過評價比較,本文選擇了TOPPERS作為平臺化設(shè)計核心和基礎(chǔ),同時介紹了對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)的平臺化設(shè)計,針對該類系統(tǒng)的特點,提出并實現(xiàn)了一個軟硬件全可編程快速原型開發(fā)平臺。該平臺硬件上基于處理器-可編程邏輯混合架構(gòu),軟件上以TOPPERS為核心,提出并應(yīng)用了以實時操作系統(tǒng)為中心的硬/軟件協(xié)同設(shè)計方法,構(gòu)建了相應(yīng)的硬/軟協(xié)同仿真環(huán)境。相

5、關(guān)評價實驗和在工業(yè)測量儀器儀表領(lǐng)域的實際應(yīng)用顯示該平臺充分發(fā)揮了硬軟件全可編程的特點和硬/軟件協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢,在成本、功能和性能之間取得了較好的平衡。
　　本文將平臺化設(shè)計與所實現(xiàn)的基礎(chǔ)平臺具體應(yīng)用于移動機(jī)器人領(lǐng)域,提出了一種新型混合實時移動機(jī)器人平臺(HybridReal-timeMobileRobotPlatform,HRMRP),實時、異構(gòu)和組件化是其主要特點。該平臺在結(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,實時控制層

6、負(fù)責(zé)實時控制,高性能層負(fù)責(zé)高級復(fù)雜的功能。HRMRP在硬件上進(jìn)一步提升了核心器件的性能,在軟件上針對移動機(jī)器人的特點設(shè)計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),從而實現(xiàn)了一個更加完整的應(yīng)用平臺。
　　最后針對更復(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)境下平臺化設(shè)計的若干關(guān)鍵問題。在適當(dāng)放松成本和功耗約束的基礎(chǔ)上,整個平臺在功能、性能和靈活性上獲得大