嵌入式实时操作系统于运动控制领域之应用
嵌入式即時作業系統於運動控制域之運用 Implementation of an embedded real-time operating system on the Motion Control 工業技術研究院 機械所 万凱 摘要 摘要 現今一般運動控制模組多為基於PC技術並依附其處器性能之PC-Based架構 控制器，然而在高階工具機斷朝高速高精密的規格需求靠攏下，即時性的問 題也相對浮現出，為滿足高速高精下即時處事件發生和運動控制演算法的 龐大計算，因而發展出高階的CPU-Based架構控制器，將處器、作業系統、 和運動軌跡之運算整合於單一運動控制卡上，藉由獨CPU的運作模式與強即時 性(hard real time)作業系統之配合，將可有效解決控制系統於PC-Base架構下所遭 遇的即時性能之問題。 Abstract The general motion control modules, up to date, are frequently used in the PC-Based system. Due to the problem of the real-time system which demands for high-speed and high precision, the PC-Based system is not able to immediately deal with the event and does not meet the requirements. Therefore, the hard real-time embedded operating system which works on the motion control card is developed to solve the real-time problem occurred on the PC-Based. 關鍵字 關鍵字 智慧型運動控制平台 IMP（Intelligent Motion control Platform） 嵌入式系統(Embedded System) 即時作業系統（Real-Time Operating System，RTOS） 硬即時（Hard Real Time） 前言前言 控制器以架構分，目前工業上常之控制器約可概分為三種型： PLC-Based、PC-Based、以及CPU-Based控制器（stand alone型）1。PLC-Based 與PC-Based控制器基本上皆需配合運動控制卡運作，目前國內工具機或產業機台廠商多以應用PC-Based架構之控制器為主，少廠商使用PLC控制器。而 PC-Based常面之即時性問題，從過去至今即有許多國內外廠商與研究單位投入 研究和解決，如採用IPC(Industrial PC)與DSP晶片整合為雙CPU架構2的運作 模式，以DSP負責運動控制法則之演算，而將控制器之人機介面，包含取輸入 資與顯示輸出資，以及程控制等工作交由IPC負責執；或者在軟體上採用具即時處性能之作業系統 (RTOS)：諸如VxWorks、RTX (Real-Time Extension)、QNX、 LynxOS 、RtLinux、Winows CE 等軟體平台，其目的無非皆欲強化控制器，使其獲得高之精確性和可靠。在雙CPU架構模式下，雖能 有效解決即時性之問題，然花費於硬體上所需的資源亦相對較多，在成本同時提 高的考下，對所選用的DSP與PC硬體設施將形成限制。 而即時性作業系統在PC-Based系統或CPU-Based架構上各有其應用域，於 PC-Based控制器應用上常聽到的RTX，是一種執於Windows底下的即時性作業軟體(Real Time Extension)，此外如著名的VxWorks則是可執行於CPU-Based架構上且性能卓越的嵌入式即時作業系統軟體。此作業系統應用域會因使用者 所需環境而有所同，工研院機械所機電控制整合部為因應計算日趨龐大複雜的運動控制演算法與工具機產業升級下對高速高精規格之要求，因而發展 一套屬於CPU-Based控制器架構的智慧型運動控制平台(Intelligent Motion Platform ,IMP)，內建中央處器(Power PC 405)及一套即時性作業系統(VxWorks)，可有效解決即時性之問題。 嵌入式系統嵌入式系統 嵌入式系統(Embedded System)是軟體與硬體的綜合體，可涵蓋機械或其它的附屬裝置的整個綜合體設計之目的，滿足某種特殊功能，所以可以瞭解嵌 入式系統似乎強調著“特定功能的原則，因此它有可能為整個硬體設備之一部 份或是一台機器，也有可能是軟體型態或是韌體形式；有的以明顯型態存在且 於辨，而有的嵌入式系統則隱藏於機器內部中，從外觀辨出。 嵌入式系統的多元化讓我們很難辨出其型態，但是一般的嵌入式系統有 幾個共同的特徵，有別於一般的桌上型系統，其特徵如下： 1. 用執特定功能： 通常一個嵌入式系統只反覆地執一個特定程式，像桌上型系統可以執 各式各樣的程式，如文書處、電玩程式，當然還有其它新加入的程式。當然嵌入式系統也有外，像是有新軟體的能，就像我們的手機可以用韌體新的 方式升級。另一種況是有好幾個程式被載入系統內，如有些飛彈在飛 時執一個程式，而在鎖定目標時又執另一個程式。雖然如此，這些況依 然明嵌入式系統只執特定的功能。 2. 即時性能的要求： 很多嵌入式系統必須要對周遭環境變化做出感應，並且要即時得到結果，而 後做出適當的反應輸出。 3. 系統的限制： 一般系統在設計尺上都會有一些限制，然在嵌入式系統上這些限制會變的 嚴格。而常的設計指標如下： (1) 運算處能(Processing Power)： 完成工作所需要的運算處能之值。嵌入式系統只需滿足其應用需求，所 以並強調需要多快的速、多大的暫存器寬。所以一般常的系統還是以8bit或16bit為主，而32bit正在佔據主地位。 (2) 記憶體(Memory)大小： 代表存放執碼與處資所需的記憶體。一般用於嵌入式系統的記憶體為ROM、RAM 或快閃記憶體(Flash Memory)。由於記憶體容有限，因此所撰寫的程式碼需要越精簡越好。 (3) 研發成本(Development Cost)： 硬體與軟體設計過程中所需要的成本。 (4) 電源管(Power Management)： 電源管為很重要的指標，因為電源會直接影響系統的執時間和系統所能 消耗的功。通常會用軟體設計待機模式，使系統耗電至最低，硬體則以 低耗能電子元件防止電能損耗。 (5) 可靠(Reliability)： 因為同的應用對於其要求也盡相同，有些應用容許錯誤發生，而有的則 允許出錯。 嵌入式系統構成概要嵌入式系統構成概要 嵌入式系統架構區分成分成四層，分別為硬體層、韌體層、作業系統層與應 用程式層，如圖一 圖一 嵌入式系統架構圖 一般典型嵌入式系統的硬體架構有微處器單元(Micro Processing Unit, MPU)、記憶體、輸入裝置、輸出裝置等硬體資源而程式與資等則稱為軟體資源 ，而硬體結構的需求是要依照各自應用而進變化，但基本的主要硬體構成如圖 二所示。 圖二 嵌入式系統之基本硬體構成圖 另外在軟體方面由圖三可知一般由核心、裝置驅動程式、套裝軟體構成。 核心主要進應用程式的執、監視與控制，用核心控制輸出入裝置提供應用 程式執輸入輸出之功能。所以是要控制週邊硬體則必須透過OS核心和裝置 驅動程式。 圖三 嵌入式系統軟體構成概要圖 嵌入式即時作業系統架構簡介 嵌入式即時作業系統架構簡介 由前面介紹可知一個較複雜的嵌入式系統必須要有OS的支援，方可達成開發 目的。而一般的嵌入式即時作業系統的架構主要又可以分為核心模式(Kernel Mode) 、使用者模式(User Mode)、硬體抽象層(Hardware Abstraction Layer)這三個 層面討如圖四所示，使用者模式(User Mode)主要描述程式設計者對程式上的 應用設計。至於核心模式(Kernel Mode)，其基本成員有核心結構(Kernel Structure)、 任務管(Task Management)、時間管(Time Management)、任務間的通信與同步 (Interprocess Communication and Synchronization)、記憶體管(Memory Management)、中斷管(Interrupt Management)、檔案系統(File System)、等單元34，硬體抽象層(Hardware Abstraction Layer)是介於實際硬體裝置和作業系統 核心之間的一個仲介角色，當要與硬體溝通，則需透過硬體抽象層負責當之間 的媒介，這樣處的好處在於作業系統可以相容於同的硬體平臺上，核心的程 式碼必因為硬體的同而需要修改，所以硬體抽象層可增進軟體的可移植性。 圖四 嵌入式即時作業系統架構圖 系統中程式設計者所設計的應用程式都是放在使用者模式，然在使用者模式 中每個應用程式都視為一個任務。每個任務的執過程、順序都依據嵌入式作業 系統的設計依序實現、執。程式設計者在使用者模式設計的應用程式要與核 心模式做溝通一般可以藉由系統呼叫(System Call)的方式，系統呼叫是讓使 用者與系統核心（kernel）直接溝通的介面之一。得清楚些，所有用戶產生 的任務（Task）都要透過系統呼叫(System Call)才能完成似檔案的存取、處程 序間的通訊 （interprocess communication） 、 記憶體管 、 硬體的控制等較低階 （low level）的工作。 所謂即時作業系統（Real-Time Operating System，RTOS），是指作業系統 本身要能在一個固定時限內對程式呼叫做出正確的反應，亦即對於時序與穩定 的要求是十分嚴格的，即時系統還有分硬即時（Hard Real Time）和軟即時（Soft Real Time）5，其中的差，就是硬即時的所有工作都能夠延遲，而軟即 時可以允許少的工作延遲。 即時作業系統外乎有任務(Task)、號誌(Semaphores)、排程(Scheduler)、信 號(Signals)、計数器(Timer)、記憶體管(Memory Management)、網通訊 (Network Communication)、輸出入系統(I/O System)、中斷(Interrupts)、檔案系統 (File System)等34，這些都是目前在即時作業系統上常看到的一些基本功能。 任務(Task) ： 所指的是正在執的程式，在作業系統中的工作是按照順序逐一進的。換 話，即在任一個時間點內只執該任務某部份的指，一般在作業系統中的任 務會被區分成成建、就緒、執、等待、結束等五個態6，圖五為任務態 程示意圖。 圖五 任務態程示意圖 當使用者建一個任務後，即被系統設成就緒態進入佇中等待系統排程 (Scheduler)分配執。當執完後是處於等待的態(等待I/O 訊號或是事件發 生)，將會被放入等待的佇中；或是當有發生中斷時，則有新的任務會再的 被置入就緒態重新由系統排程執。是處於等待的任務，直到I/O訊號產生 或是事件發生後，才會被置入就緒佇中繼續等待系統排程的動作，這樣週而 始的執，直到使用者將之移除，或是符合某些條件而停止執。此時，任務會 被擺至結束態佇中，最後作業系統再將之停止與移除排程。 排程(Scheduler)：
