计算机控制系统清华大学出版社嵌入式PLC

硬件设计工具
系统级设计方面采用的硬件设计工具有Cadence的SPW 和System View。
模拟电路系统采用的仿真工具有Pspice和EWB。 印刷电路设计方面的设计工具有Protel、PADs 的
Power PCB & Tool Kit和Mentor的Expedition & Tool Kit。 可编程逻辑器件设计工具还有Mentor FPGA Advantage & ModelSim、Xilinx Foundation ISE & Tool Kit以及各种综合和仿真工具等等。
软件方面（根据实时性要求）：
非实时系统（例如PDA等） 实时系统
硬实时系统——若系统在指定的时间内未能实现某个确定的任 务，就会引起系统崩溃或导致致命错误（如导弹飞行姿态控制 系统）。
软实时系统——在该类系统中虽然响应时间同样重要，但是超 时却不会导致致命错误，这也意味着偶尔超过时间限制是可以 容忍的（如消费类产品） 。
➢ 高速度（飞机刹车系统）
能够迅速地完成数据计算或数据传输。
➢ 智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）
使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
2． 传统设计技术
设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
8.1 嵌入式系统
8.1.1 概述 8.1.2 软硬件协同设计技术 8.1.3 实时操作系统 8.1.4 嵌入式系统的开发 8.1.5 嵌入式控制系统设计实例
8.2 可编程控制器（PLC）
8.2.1 PLC概述 8.2.2 PLC结构和工作原理 8.2.3 PLC常用编程语言 8.2.4 PLC 8.2.5 PLC网络系统
4. 嵌入式系统的应用和发展趋势
嵌入式技术的发展趋势
芯片方面
是可编程片上系统。
宏观方面
使嵌入式系统更经济、小型、可靠、快速、智能化、 网络化。
➢ 经济性
很便宜，让更多的人能买得起。
➢ 小型化（笔记本、PDA）
人们携带方便。
➢ 可靠性（汽车VCD跳动问题）
能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行。
嵌入式产品一览
8.1.1 概述
1. 嵌入式系统定义和分类
电气工程师协会（IEEE）定义 ：
“嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机 器甚至工厂操作的装置。”
一般定义：
“以应用为中心、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。”
ห้องสมุดไป่ตู้ 嵌入式系统的几个重要的特点：
专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
(4)嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)
在一个硅片上实现一个复杂的系统，其最大的特点是实现了软硬 件的无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码模块。
3. 开发设计工具
3. 开发设计工具
软件开发平台
高级语言编译器（Compiler Tools）。 实时在线仿真系统ICE（In Circuit Emulator）。 源程序模拟器（Simulator）。 实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking
Operation System，RTOS）。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。
(3) 数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)
图8-3 传统的嵌入式系统的设计方法
3. 软硬件协同设计技术
(1) 软硬件协同设计定义：
在硬件和软件设计中，通过并发和交互设计来满足系统级的目标要求。
(2) 软硬件协同设计基本需求：
① 采用统一的软硬件描述方式——软硬件支持统一的设计和分析工 具或技术，允许在一个集成环境中仿真及评估系统的软硬件设计， 支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植；
问题：
(1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。
(2) 随着设计复杂程度的提高，软 硬件设计中的一些错误将会使开发 过程付出昂贵的代价。
(3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
2. 嵌入式处理器
(1) 嵌入式微控制器(Mico Controller Unit, MCU)
典型代表是单片机。单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、定 时器/计时器、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能和外 设，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增 强，且体积小、功耗成本低，比较适合控制。
①小型系统内核； ②专用性较强； ③系统精简，以减少控制系统成本，利于实现系统
安全； ④采用高实时性的操作系统，且软件要固化存储； ⑤使用多任务的操作系统，使软件开发标准化； ⑥嵌入式系统开发需要专门的工具和环境。
嵌入式系统的分类
硬件方面：
芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入
商用型RTOS的功能稳定可靠，具有比较完善的技术支持和售 后服务，但价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。如 WindRiver公司的VxWorks、Palm Computing掌上电脑公司 的Palm OS等。
免费的RTOS主要有Linux和μC/OS等。尽管这些资源带有源码， 但理解、消化并运用在某应用系统上也是一项艰苦的工作，相 应的调试工具是没有免费的。
② 采用交互式软硬件划分技术——允许进行多个不同的软硬件划分 设计仿真和比较，划分应用可以最大满足设计标准（功能和性能 目标）要求；
③ 具有完整的软硬件模型基础——可 以支持设计过程中各阶段的评估， 支持逐步开发以及对硬件和软件的 综合；