计算机控制新版系统及关键技术专业课程设计专项方案.doc

课程设计汇报( - 年度 第 2 学期名 称： 计算机控制系统题 目：嵌入式处理器技术及其应用发展院 系：班 级：学 号：学生姓名：指导老师：设计周数：成 绩：日期： 年月 日计算机控制系统课程设计任 务 书一、目标和要求1经过本课程设计教案步骤，使学生加深对所学课程内容了解和掌握；2结合工程问题，培养提升学生查阅文件、相关资料和组织素材能力；3培养锻炼学生结合工程问题独立分析思索和处理问题能力；4要求学生能够利用所学课程基础理论和设计方法，依据工程问题和实际应用方案要求，进行方案总体设计和分析评定；5.汇报标准上要求依据对应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、关键内容1、数字控制算法分析设计；2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计和实现；8、PLC应用控制方案分析和设计；9、数据通信接口电路硬软件方案设计和性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数检测和数字处理方法；12、基于嵌入式处理器技术应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术和安全可靠性方法分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划序号设计内容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文件资料2文件资料学习依据所选题目进行方案设计3和指导老师讨论设计内容修改设计方案4撰写课程设计汇报5课程设计答辩四、设计结果要求1针对所选题目标中国外应用发展概述；2课程设计正文内容，包含设计方案、硬件电路和软件步骤，和综述、分析等；3课程设计总结或结论和参考文件；4要求设计汇报规范完整。五、考评方法计算机控制系统课程设计成绩评定依据以下：1撰写课程设计汇报；2独立工作能力及设计过程表现；3答辩时回复问题情况。成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。 指导老师： 学生姓名：年月日一、目标和要求1经过本课程设计教案步骤，使学生加深对所学课程内容了解和掌握；2结合工程问题，培养提升学生查阅文件、相关资料和组织素材能力；3培养锻炼学生结合工程问题独立分析思索和处理问题能力；4要求学生能够利用所学课程基础理论和设计方法，依据工程问题和实际应用方案要求，进行方案总体设计和分析评定；5.汇报标准上要求依据对应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、设计正文1嵌入式处理器技术 嵌入式处理器是用在计算机之外设备中提供添加功效性计算机芯片，它常常见于控制和监控领域。嵌入式处理器是嵌入式系统关键，是控制、辅助系统运行硬件单元。范围极其宽广，从最初位处理器，现在仍在大规模应用位单片机，到最新受到广泛青睐32位、64位嵌入式CPU。现在世界上含有嵌入式功效特点处理器已经超出1000种，流行体系结构包含MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统宽广发展前景，很多半导体制造商全部大规模生产嵌入式处理器，而且企业自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。现在嵌入式处理器寻址空间能够从64kB到16MB，处理速度最快能够达成 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。依据嵌入式处理器使用特点能够将其分为事务密集型和计算机密集型两种。根据任务特点能够将其分为通用型和专用型两种。根据运算数据宽度能够分为5种。依据运算数据宽度对嵌入式处理器分类4位 8位 16位 32位 64位嵌入式处理器 TMS1000 8048/516801/05Z8 8096 68200ARM RISC Core MIPS 32 bit MIPS 64 bit通用处理器 4004 4040 8085 Z8065028086/80286 Z800080386/80486 68000 Pentium/嵌入式处理器，因为运算速度和吞吐量等级费不一样，其应用场所也不一样。多种不相同级嵌入式系统处理器用用产品嵌入式微处理器 应用产品 4位 计算机、遥控器、充电器、随身听、玩具 8位 电机控制器、传真机、空调 16位 摄像机、录像机、多媒体 32位 掌上电脑、路由器、工作站、GPS 64位 高性能服务器、工作站嵌入式处理器依据面向应用不一样特点能够分为以下4种： 嵌入式微处理器 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP 嵌入式片上系统(System On Chip1.1处理器分类1.1.1嵌入式微处理器Embedded Microcontroller Unit, EMPU）嵌入式微处理器基础是通用计算机中CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计电路板上，只保留和嵌入式应用相关母板功效，这么能够大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用特殊要求，嵌入式微处理器即使在功效上和标准微处理器基础是一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面通常全部作了多种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器含有体积小、重量轻、成本低、可靠性高优点，不过在电路板上必需包含ROM、RAM、总线接口、多种外设等器件，从而降低了系统可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存放器、总线、外设等安装在1块电路板上，称为单板计算机，如STD-BUS、PC104等。多年来，德国、日本部分企业又开发出了“火柴盒”式名片大小嵌入式计算机系列OEM产品。台湾研华企业也推出了类似模组化系统SOMSystem On Module）。嵌入式微处理器现在关键有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM等系列。嵌入式微处理器又可分为CISC、RISC两类。大家熟悉台式PC大多数全部是使用CISC微处理器，如IntelX86.RISC结构体系有两主流：Silicon Graphics企业硅谷图形企业）MIPS技术和ARM企业Advanced RISC Machines技术。另外Hitachi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块芯片中。嵌入式微控制器通常以某一个微处理器内核为关键，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等多种必需功效和外设。为适应不一样应用需求，通常一个系列单片机含有多个衍生产品，每种衍生产品处理器内核全部是一样，不一样是存放器和外设配置及封装。这么能够使单片机最大程度地和应用需求相匹配，功效不多不少，从而降低功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提升。微控制器是现在嵌入式系统工业主流。微控制器片上外设资源通常比较丰富，适合于控制，所以称微控制器。 嵌入式微控制器现在品种和数量最多，比较有代表性通用系列包含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：支持USB接口MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。现在MCU占嵌入式系统约70市场份额。 尤其值得注意是多年来提供X86微处理器著名厂商AMD企业，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller, MOTOROLA企业把以Power PC为基础PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI企业亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推广。 1.1.3嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSPDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实施DSP算法，编译效率较高，指令实施速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以一般指令实现DSP功效，过渡到采取嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展起源，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，TITMS320C/C5000等属于此范围；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，比如IntelMCS-296和Infineon(SiemensTriCore。 推进嵌入式DSP处理器发展另一个原因是嵌入式系统智能化，比如多种带有智能逻辑消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法通常全部是运算量较大，尤其是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器优点所在。 嵌入式DSP处理器比较有代表性产品是Texas Instruments TMS320系列和MotorolaDSP56000系列。TMS320系列处理器包含用于控制C系列，移动通信C5000系列，和性能更高C6000和C8000系列。DSP56000现在已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等多个不一样系列处理器。另外PHILIPS企业今年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造R. E. A. L DSP处理器，特点是含有双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 1.1.4嵌入式片上系统(System On Chip伴随EDI推广和VLSI设计普及化，及半导体工艺快速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂系统时代已来临，这就是System On Chip(SOC。多种通用处理器内核将作为SOC设计企业标准库，和很多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一个标准器件，用标准VHDL等语言描述，存放在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真经过后就能够将设计图交给半导体工厂制作样品。这么除部分无法集成器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简练，对于减小体积和功耗、提升可靠性很有利。 SOC能够分为通用和专用两类。通用系列包含Infineon(SiemensTriCore，MotorolaM-Core，一些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制Neuron芯片等。专用SOC通常专用于某个或某类系统中，不为通常见户所知。一个有代表性产品是PhilipsSmart XA，它将XA单片机内核和支持超出2048位复杂RSA算法CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言专用SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。1. 2 嵌入式处理器体系结构传统复杂指令集计算机概念。RISC并非只是简单地降低指令，而是着重考虑怎样使计算机结构愈加简单合理从而提升运算速度。RISC结构优先选择使用频率最高简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方法种类降低；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等方法开达成上述目标。即使RISC和CISC全部试图在体系结构、操作运行、软件、硬件、编译时间和运行时间等很多原因中做出某种平衡，以求达成高效，但二者采取方法不一样，所以，在很多方面差异很大，其中关键有：指令系统 RISC设计者把关键精力放在常常使用指令上，尽可能使它们含有简单高效特色，对不常见功效，常经过组合指令来完成。所以，在CISC机器上实现特殊功效时，效果可能较低。但能够利用流水技术和超标量技术加以改善和填补。而CISC指令系统比较丰富，有专用指令开完成特定功效。所以，在CISC机器上处理特殊任务效率较高。存放器操作RISC对存放器操作有限制，使控制简单化；而CISC机器存放器操作指令多，操作直接。程序RISC汇编语言程序通常需要较大内存空间，实现特殊功效时程序复杂，不易设计；而CISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作程序设计相对轻易，效率较高。中止 RISC机器在一条指令实施合适地方能够响应中止；而CISC机器是在一条指令实施结束后响应中止。CPU RISC机器CPU包含较少单元电路，所以面积小、功耗低；而CISC机器CPU包含丰富电路单元，所以功效强、面积大、功耗大。设计周期RISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采取最新技术；CISC微处理器机构复杂，设计周期长。用户使用 RISC微处理器机构简单，指令规整，性能轻易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功效强大，易于实现特殊功效。应用范围 因为RISC指令系统确实定和特定应用领域相关，故RISC机器更适合于专用机；而CISC机器则更适合于通用机。 当然，和CISC架构相比较，尽管RISC架构有上述优点，但决不能认为RISC架构就能够替换CISC架构，实际上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不是那么显著。现代CPU往往采取CISC外围，而内部加入RISC特征，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC优势，成为未来CPU发展方向之一。1.2.1微处理器经典关键架构嵌入式微处理是用于在计算机之外设备中提供添加功效性计算机芯片，它常常见于控制和移动。这类芯片大多数兼顾控制和计算，而且含有指令丰富、外设齐全特点，是一个事务密集型处理器。ARM处理器RICS类处理器代表技术是ARMAdvanced RISC Machines）技术，它即使一个企业名字，也是对一类微处理器通称，还是一个技术名字。现在应用较为广泛是ARM7系列关键，ARM9系列关键、ARM10系列关键。其实ARM7系列以现代微控制器为目标，ARM9系列、ARM10系列和ARM11系列则多为掌上应用和多媒体方案设计。ARM7处理器运算能力大约在0.9MIPS/MHZ。因为能够使用较高主频，而且有较为合理流水线结构，所以，相对于嵌入式控制器，其处理能力较为突出。在ARM710T-ARM740T处理器中，自带了数据高速缓存DCACHE和指令高速缓存ICACHE，大大提升了处理器综合能力。ARM处理器全部采取ARMV4T结构，分为3级流水线，提升了处理器指令流实施速度。三级流水线结构处理器实施指令分为3个指令阶段：分别为取指、译码和实施。取指阶段将指令从存放器中取出，译码阶段分析指令将要用到寄存器，实施阶段从寄存器组中读寄存器移位和ALU操作，把寄存器写回到寄存器组。正常操作过程中，若一条指令正在被实施，则它后继指令译码，第三条指令则正在实施取指。由上述过程可知，程序计数器指针PC）指向并不是目前正在实施指令，而是指向正在取指指令。3级流水线指令实施过程图所表示。取指译码 实施取指译码 实施取指译码实施3级流水线指令实施过程ARM7类型处理器采取是冯诺依曼结构，只有一条32位数据通道，指令和数量全部经过这条通道传输。处理器关键架构以下图。因为指令和数据在同一条通道上进行存取，所以这类处理器平均实施周期为1.9。指令能够分为ARM指令和Thumb指令两类。数据能够分为3种存取格式，分别为8bit、16bit和32bit。需要注意是16bit和32bit数据分别需要对齐，所以在C语言条件下会对移植产生一定影响。1.2.2微控制器经典关键架构嵌入式微控制器最大特点是单片化，体积大大减小，从而降低了成本和功耗，可靠性也大大提升。因为嵌入式微控制器价格低廉，功效强大，所以有着相当丰富种类和很高市场拥有率。嵌入式微控制器经典代表是单片机，现代单片机通常含有以下全部或部分特征： 能够在处理器所在集成电路IC）上含有ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、看门狗、定时器、串行口、A/D等多种必需功效和外部设备。 能够在同一个IC上含有一些程序和数据存放器。 能够提供能直接访问IC引脚编程器。 能够为嵌入式系统常见控制操作和(P1.1/T2EX,也就是说，P1.0同时可作为定时器/计数器T2外部计数输入，和输出占空比为50%时钟脉冲端口，P1.1同时可作为定时器/计数器T2捕捉/重新装载触发和方向控制端口。故AT89C52除了含有AAT89C51定时器/计数器T0和定时器/计数器T1功效外，还额外增加了一个定时器/计数器T2。而定时器/计数器T2控制和状态位单独在T2CON、T2MOD,定时器/计数器T2在16位捕捉方法或自动重新装载方法下捕捉/重载寄存器组是(TCAO2H、RCAP2L。1.2.3 DSP经典关键架构DSP处理器也被称为数字信号处理器，是一个尤其适合于进行数字信号处理微处理器。它强调运行处理实时性，所以，除了含有一般微处理器所强调高速运算和控制功效外，关键针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据步骤上全部有突出特点。关键表现在：DSP芯片全部采取改善哈佛结构、总线分离哈佛结构或超哈佛结构，相比传统冯诺依曼结构含有更高指令实施速度。 采取多级流水线结构，提升可了单位时间内实施指令数量。 有不一样种类独立总线并有配用辅助寄存器，提升了数据和指令流处理效率；C5000系列 C5000系列DSP处理器是全部16 bit 定点 DPS，包含了原有C5X系列、以高性价比为目标C54X系列和以高速低功耗为目标C55X系列处理器。现在，尽可能C5X还在生产，但C54X和C55X已经成为主流。 TMS320C54X系列DSP处理器简称C54X）使用改善哈佛结构，含有专用硬件逻辑CPU、片内存放器、片内外设和高度专业化指令集，有高度操作灵活性和运行速度，适适用于远程通信等实时嵌入式应用需要。另外，拥有C54XCPU、用户定制内存放器外设结构派生器件也得到了广泛应用。TMS320C54x DSP内部硬件组成框图2嵌入式处理器应用嵌入式处理器含有很宽广应用领域，是现代计算机技术改造传统产业、提升多领域技术水平有力工具，能够说嵌入式处理器无处不在。其关键应用领域包含智能产品智能仪表、只能和信息家电）、工业自动化测控装置、数控机床、数据采集和处理）、办公自动化通用计算机中智能接口）、电网安全、电网设备检测、石油化工、商业应用电子称、POS机，条码识别机）、安全防范防火、防盗、防泄漏等报警系统）、网络通信路由器、网关、手机、PDA、无线传感器网络）、汽车电子和航天航空汽车防盗报警器、骑车和飞行器黑匣子）和军事等各个领域，以下图所表示。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应用领域嵌入式处理器在很多产业中得到了广泛应用并逐步改变着这些产业，包含工业自动化、国防、运输和航空航天领域。神州飞船和长征系列火箭系统中就有很多嵌入式处理器，导弹制导系统中也有嵌入式处理器，高级汽车中也有多达几十个嵌入式处理器。 在日常生活中，大家使用多种电子设备中基础全部有嵌入式处理器，但未必知道它们。实际上，几乎全部带有一点“智能”加点全自动洗衣机、电脑电饭煲）全部使用嵌入式处理器，嵌入式处理器含有广泛适应能力和多样性。3嵌入式处理器发展3.132位处理器在兴起市场发展加速了观念改变，观念改变又促进了市场发展。8位MCU市场已逐步趋向稳定，32位MPU和SoC代表着嵌入式技术发展方向。32位处理器应用范围扩大驱动原因关键有以下两个方面。手机、数码相机、MP3播放机、PDA、游戏机等手持设备和多种信息家电等有更高性能要求多媒体和通信设备推出促进了32位处理器应用。在这些应用中，庞大多媒体数据肯定需要更大存放空间，现在很多32位微控制器全部能够使用同时SDRAM，所以可极大地降低使用更大容量数据存放器成本。而8位微控制器通常只能使用成本较高SRAM作为数据存放器。另外除了处理应用控制功效之外，还有需要支持因特网接入应用。在MCU运行TCP/IP或其它通信协议情况下，要求系统建立在RTOS上就肯定成为一个现实需求，而8位单片机难以胜任。另外有越来越多像电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用也和时俱进地提出数字化和“硬件软化”要求，它们对计算性能要求及存放器容量需求全部超出绝大多数8位微控制器能提供范围。因为IT技术发展推进，伴随高端32位CPU价格不停下降和开发环境成熟，促进32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导应用空间。伴随32位处理器在全球范围流行，32位RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计主流。另外，伴随第三方开发工具支持不停增加，开发工具价格在逐步降低，其次技术供给商在不停提升开发工具灵活性和智能化程度，使得开发环境不停改善。3.2 处理器IP知识产权）为了满足多内核和SoC设计需要，有部分厂家专门供给处理器内核IP也包含外设IP），关键有16位、32位和64位，有软核和硬核之分。这首先，ARM企业是一个很成功例子。多内核处理器和SoC市场发展前景宽广，我们有理由相信会有越来越多企业提供处理器IP，也会有越来越多组织选择这些IP。3.3可编程处理器可编程也是处理器一个发展方向。很多传统单片机企业利用片内Flash来实现现场可编程，如Atmel、Microchip等企业最先推出这类产品，现在几乎全部8位单片机企业全部推出了这种可现场编程单片机。但这里所说可编程是指对处理器本身定制，即经过编程措施现场“制造”出用户所需要处理器。可编程关键有CPU+FPGA和PSOCprogrammable system on a chip）。前者FPGA厂商大显身手，Altera企业推出了SOPCsystem on programmable chip）概念，Xilinx企业也有类似产品，路径是经过FPGA进行编程，但FPGA厂商面临问题是成本和功耗问题。后者由Cypress企业提出，该产品被美国EDN杂志评为“热门产品”。PSOC方法是大马拉小车，首先做出一个功效齐全SoC，用户可依据需要选择用哪些外设和精度，比如A/D还是D/A，精度是8位还是12位。处理器可编程将引发一个有趣现象：在开发嵌入式系统软件之前要先把处理器定制好。三、课程设计总结在这次课程设计中，我学到会了综合利用所学知识，发觉、分析和处理问题，同时也学到了书本中没有知识，对嵌入式处理器和嵌入式系统有了很深了解，如：51系列单片机、ARM系列微处理器、MISP芯片、OMAP处理器等构架、功效及其应用。做了这个课程设计才发觉我们生活在一个嵌入式系统无处不在社会之中，我们用手机、电脑、数码相机等等，全部是有嵌入式处理器。经过这次课程设计，我感慨最深当属查阅大量和嵌入式处理器相关资料，为了让自己设计愈加完善，多找部分相关内容是必需，同时也是必不可少。这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学80C51单片机和嵌入式系统知识，而且也使我发明性思维得到拓展。期望以后类似这么课程设计、类似这么锻炼机会能更多些！四、参考文件1 何加铭. 嵌入式32位微处理器系统设计和应用. 北京：电子工业出版社，.12 方尔正，王燕. 嵌入式技术及其应用. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，.73 张培仁. 嵌入式微处理器原理、系统设计和应用. 北京：清华大学出版社，.4马维华. 嵌入式系统原理及应用. 北京：北京邮电大学出版社，.5 郭书军，王玉花等. 嵌入式处理器原理及应用-Nios 系统设计和C语言编程. 北京：清华大学出版社，.10