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基于μC／OS-II的光盤伺服控制系統的設計
摘要：介紹以Hitachi公司的H8S/2357F作為控制處理器，μC／OS-II作為嵌入式實時操作系統的光盤伺服控制系統的設計和實現。該設計可以實現CD-ROM、CD-R/RW和DVD的伺服功能，適用于光盤伺服控制系統，具有便于維護、易于擴展等優點，對于支持多格式光盤的驅動器和播放器的實現，具有重要的參考價值。關鍵詞：μC／OS-II嵌入式實時操作系統伺服控制光盤
光盤伺服控制系統是典型的光機電一體化的控制系統，是光盤驅動器和ＣＤ／ＶＣＤ／ＤＶＤ播放器的重要組成部分。目前業界普遍采用單片機與伺服控制數字信號處理器配合實現的結構，已可單片化（將單片機和伺服控制數字信號處理器集成在一塊芯片上）實現光盤伺服控制系統。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）實現控制系統。目前普遍采用的方案是利用運行于單片機的小型嵌入式操作系統實現光盤伺服系統。
為采用自行研發的光盤伺服信號處理器實現支持多格式光盤的伺服控制系統，筆者對光盤伺服控制系統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作為嵌入式實時操作系統的光盤伺服控制系統的設計和實現。
１光盤伺服控制系統的硬件設計
光盤伺服控制系統的硬件設計如圖１所示。該設計采用自行研發的伺服數字信號處理器、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等芯片實現ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的伺服功能。并在該系統中完成對自行研發的光盤伺服數字信號處理器設計的驗證，為光盤伺服系統的產品化做好準備。
２光盤伺服控制系統的軟件設計
系統分析和軟件設計是光盤伺服控制系統實現的難點之一，設計的優劣關系到系統的讀碟能力、使用壽命、穩定性、擴展性、維護性等性能。因為要兼顧ＤＶＤ、ＣＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ等光盤格式和各種不同的機械參數的設置，伺服控制軟件的設計變得相對復雜。為了使控制邏輯明了和易于實現，采用在Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ上運行μＣ／ＯＳ－ＩＩ實現光盤伺服控制系統是一個比較好的選擇。Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ的資源比較豐富，μＣ／ＯＳ－ＩＩ在Ｈ８上可以很好地運行，易于系統的開發。
光盤伺服系統設計的關鍵是分析光盤伺服系統，把各個功能在μＣ／ＯＳ－ＩＩ核的基礎上建立起來，使其有機協調地運轉，實現光盤伺服控制系統。
圖3執行態的子系統之間的通信和切換關系
２．１μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式實時多任務操作系統
μＣ／ＯＳ－ＩＩ是由ＪＥＡＮＪ．ＬＡＢＲＯＳＳＥ編寫的一個源代碼公開、可免費使用的嵌入式實時操作系統。它是μＣ／ＯＳ的一個升級版本。從最老的μＣＯＳ到最新的μＣ／ＯＳ－ＩＩ，已有十多年的歷史。它的特點主要有：公開源代碼、可移植性、可固化、可裁減、支持多任務、具有可確定性等。μＣ／ＯＳ－ＩＩ面向中小型嵌入式系統，是基于優先級搶占式的實時多任務操作系統，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量、郵箱、消息隊列）和內存管理等功能，絕大部分代碼用Ｃ語言編寫，與硬件相關部分用匯編語言編寫。
基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的應用系統工作時，首先把ＣＰＵ初始化；接著進行操作系統初始化，主要完成任務控制塊（ＴＣＢ）初始化、ＴＣＢ優先級表初始化、空任務的創建等；然后開始創建新任務，并可在新創建的任務中再創建其他的新任務；最后調用ＯＳＳＴＡＲＴ（）函數啟動多任務調度。
２．２光盤伺服系統的分析
對光盤伺服控制系統的設計和實現已有一些參考資料。根據μＣ／ＯＳ－ＩＩ的特點和光盤伺服系統工作的具體情況，筆者將實現的光盤伺服系統分為三個運行狀態：Ｐｏｗｅｒ－ＯｎＳｔａｔｅ（上電態）、ＩｄｌｅＳｔａｔｅ（空閑態）、ＥｘｅｃｕｔｉｏｎＳｔａｔｅ（執行態）。圖２表示了設定的三個狀態之間的關系和進入各個狀態的條件。三個狀態中，執行態最為復雜。為了把復雜的問題簡單化，把執行態劃分為三個子系統：ＨｏｓｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ(ＨＩＳ)、ＢｕｆｆｅｒＭａｎａｇｅｒ(ＢＭ)、ＤｉｓｋＩｎｔｅｒｆａｃｅ(ＤＩＳ)。圖３表示了這三個子系統之間的聯系和進入跳出各個子系統的條件。圖４表示了子系統之間的狀態變化及其條件，比較明晰地表示了執行態的實現過程。
圖4執行態子系統的任務狀態運行關系
２．３伺服系統的軟件結構
經過如上分析，光盤伺服系統初始化后，創建了五個任務：ＨｏｓｔＴａｓｋ（主機任務）、ＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＴａｓｋ（串口任務）、ＤｉｓｋＲｅａｄＴａｓｋ（讀盤任務）、ＤｉｓｋＷｒｉｔｅＴａｓｋ（寫盤任務）、ＳｅｒｖｏＴａｓｋ（伺服任務）。任務間通過Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ（信號量）和Ｍａｉｌｂｏｘ（郵箱）進行通信，實現交互控制和任務的切換。圖５表明了這五個任務之間的關系。
圖5光盤伺服系統的任務結構框圖
下面給出主程序的框架：
ｖｏｉｄｍａｉｎ(ｖｏｉｄ)
{
／／初始化處理器和硬件
……
／／產生任務
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｖｏＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｖｏＴａｓｋＳｔｋ[５１１],４);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＤｉｓｃＷｒＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)0,(ｖｏｉｄ*)＆ＤｉｓｃＷＴａｓｋＳｔｋ[５１１],６);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＤｉｓｃＲｄＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＤｉｓｃＲｄＴａｓｋＳｔｋ[５１１],８);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＨｏｓｔＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＨｏｓｔＴａｓｋＳｔｋ３[５１１],１０);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｉａｌＣｍｄＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｉａｌＣｍｄＴａｓｋＳｔｋ[５１１],３);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｖｏＴｉｍｅｒＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｖｏＴｉｍｅｒＴａｓｋＳｔｋ[５１１],１);
／／產生信號量和任務參數
……
／／任務開始運行
ＯＳＳｔａｒｔ();
}
本設計在Ｈｉｔａｃｈｉ公司提供的開發系統ＨＥＷ２上編譯實現，并在驗證系統實測。結果顯示：該設計可以實現ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的功能，適用于光盤伺服控制系統，具有便于維護、易于擴展等優點。對于支持多格式光盤的驅動器和播放器的實現，具有重要的參考價值。
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