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基于μC／OS-II的光盤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：介紹以Hitachi公司的H8S/2357F作為控制處理器，μC／OS-II作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的光盤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)CD-ROM、CD-R/RW和DVD的伺服功能，適用于光盤伺服控制系統(tǒng)，具有便于維護(hù)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，對于支持多格式光盤的驅(qū)動(dòng)器和播放器的實(shí)現(xiàn)，具有重要的參考價(jià)值。光盤伺服控制系統(tǒng)是典型的光機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)，是光盤驅(qū)動(dòng)器和ＣＤ／ＶＣＤ／ＤＶＤ播放器的重要組成部分。目前業(yè)界普遍采用單片機(jī)與伺服控制數(shù)字信號處理器配合實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，已可單片化（將單片機(jī)和伺服控制數(shù)字信號處理器集成在一塊芯片上）實(shí)現(xiàn)光盤伺服控制系統(tǒng)。不論是芯片組的形式，還是單片化的形式，都少不了以板級控制軟件（也稱為固件）實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。目前普遍采用的方案是利用運(yùn)行于單片機(jī)的小型嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光盤伺服系統(tǒng)。
為采用自行研發(fā)的光盤伺服信號處理器實(shí)現(xiàn)支持多格式光盤的伺服控制系統(tǒng)，筆者對光盤伺服控制系統(tǒng)做了比較深入的研究。本文介紹了一種以Ｈｉｔａｃｈｉ的Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ作為控制處理器，μＣ／ＯＳ－ＩＩ作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的光盤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
１ 光盤伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
光盤伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖１所示。該設(shè)計(jì)采用自行研發(fā)的伺服數(shù)字信號處理器、Ｈｉｔａｃｈｉ公司的Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ高性能１６位微控制器、ＡＫＭ公司的ＡＫ８５６６、ＴＩ公司的ＳＳＩ３７３６等芯片實(shí)現(xiàn)ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的伺服功能。并在該系統(tǒng)中完成對自行研發(fā)的光盤伺服數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，為光盤伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品化做好準(zhǔn)備。
２ 光盤伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)分析和軟件設(shè)計(jì)是光盤伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的讀碟能力、使用壽命、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、維護(hù)性等性能。因?yàn)橐骖櫍模郑摹ⅲ茫暮停茫模遥遥椎裙獗P格式和各種不同的機(jī)械參數(shù)的設(shè)置，伺服控制軟件的設(shè)計(jì)變得相對復(fù)雜。為了使控制邏輯明了和易于實(shí)現(xiàn)，采用在Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ上運(yùn)行μＣ／ＯＳ－ＩＩ實(shí)現(xiàn)光盤伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)比較好的選擇。Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ的資源比較豐富，μＣ／ＯＳ－ＩＩ在Ｈ８上可以很好地運(yùn)行，易于系統(tǒng)的開發(fā)。
光盤伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是分析光盤伺服系統(tǒng)，把各個(gè)功能在μＣ／ＯＳ－ＩＩ核的基礎(chǔ)上建立起來，使其有機(jī)協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光盤伺服控制系統(tǒng)。
圖3 執(zhí)行態(tài)的子系統(tǒng)之間的通信和切換關(guān)系
２．１ μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)
μＣ／ＯＳ－ＩＩ是由ＪＥＡＮ Ｊ．ＬＡＢＲＯＳＳＥ編寫的一個(gè)源代碼公開、可免費(fèi)使用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是μＣ／ＯＳ的一個(gè)升級版本。從最老的μＣＯＳ到最新的μＣ／ＯＳ－ＩＩ，已有十多年的歷史。它的特點(diǎn)主要有：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務(wù)、具有可確定性等。μＣ／ＯＳ－ＩＩ面向中小型嵌入式系統(tǒng)，是基于優(yōu)先級搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號量、郵箱、消息隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能，絕大部分代碼用Ｃ語言編寫，與硬件相關(guān)部分用匯編語言編寫。
基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，首先把ＣＰＵ初始化；接著進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊（ＴＣＢ）初始化、ＴＣＢ優(yōu)先級表初始化、空任務(wù)的創(chuàng)建等；然后開始創(chuàng)建新任務(wù)，并可在新創(chuàng)建的任務(wù)中再創(chuàng)建其他的新任務(wù)；最后調(diào)用ＯＳＳＴＡＲＴ（）函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。
２．２ 光盤伺服系統(tǒng)的分析
對光盤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)已有一些參考資料。根據(jù)μＣ／ＯＳ－ＩＩ的特點(diǎn)和光盤伺服系統(tǒng)工作的具體情況，筆者將實(shí)現(xiàn)的光盤伺服系統(tǒng)分為三個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｓｔａｔｅ（上電態(tài)）、Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ（空閑態(tài)）、Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ Ｓｔａｔｅ（執(zhí)行態(tài)）。圖２表示了設(shè)定的三個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系和進(jìn)入各個(gè)狀態(tài)的條件。三個(gè)狀態(tài)中，執(zhí)行態(tài)最為復(fù)雜。為了把復(fù)雜的問題簡單化，把執(zhí)行態(tài)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)：Ｈｏｓｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＨＩＳ)、Ｂｕｆｆｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ(ＢＭ)、 Ｄｉｓｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＤＩＳ)。圖３表示了這三個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和進(jìn)入跳出各個(gè)子系統(tǒng)的條件。圖４表示了子系統(tǒng)之間的狀態(tài)變化及其條件，比較明晰地表示了執(zhí)行態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程。
圖4 執(zhí)行態(tài)子系統(tǒng)的任務(wù)狀態(tài)運(yùn)行關(guān)系
２．３ 伺服系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
經(jīng)過如上分析，光盤伺服系統(tǒng)初始化后，創(chuàng)建了五個(gè)任務(wù)：Ｈｏｓｔ Ｔａｓｋ（主機(jī)任務(wù)）、Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ Ｔａｓｋ（串口任務(wù)）、Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｔａｓｋ（讀盤任務(wù)）、Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｔｅ Ｔａｓｋ（寫盤任務(wù)）、Ｓｅｒｖｏ Ｔａｓｋ（伺服任務(wù)）。任務(wù)間通過Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ（信號量）和Ｍａｉｌｂｏｘ（郵箱）進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)交互控制和任務(wù)的切換。圖５表明了這五個(gè)任務(wù)之間的關(guān)系。
圖5 光盤伺服系統(tǒng)的任務(wù)結(jié)構(gòu)框圖
下面給出主程序的框架：
ｖｏｉｄ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)
{
／／初始化處理器和硬件
……
／／產(chǎn)生任務(wù)
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｖｏＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｖｏＴａｓｋＳｔｋ[５１１],４);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＤｉｓｃＷｒＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)0,
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