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基于μC／OS-II的光盤伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)的光盤伺服控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。該設計可以實現(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、易于擴展等優(yōu)點，對于支持多格式光盤的驅動器和播放器的實現(xiàn)，具有重要的參考價值。光盤伺服控制系統(tǒng)是典型的光機電一體化的控制系統(tǒng)，是光盤驅動器和ＣＤ／ＶＣＤ／ＤＶＤ播放器的重要組成部分。目前業(yè)界普遍采用單片機與伺服控制數(shù)字信號處理器配合實現(xiàn)的結構，已可單片化（將單片機和伺服控制數(shù)字信號處理器集成在一塊芯片上）實現(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）實現(xiàn)控制系統(tǒng)。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(tǒng)實現(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作為嵌入式實時操作系統(tǒng)的光盤伺服控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。
１ 光盤伺服控制系統(tǒng)的硬件設計
光盤伺服控制系統(tǒng)的硬件設計如圖１所示。該設計采用自行研發(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)字信號處理器設計的驗證，為光盤伺服系統(tǒng)的產品化做好準備。
２ 光盤伺服控制系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)分析和軟件設計是光盤伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)的難點之一，設計的優(yōu)劣關系到系統(tǒng)的讀碟能力、使用壽命、穩(wěn)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(shù)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(xiàn)，采用在Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ上運行μＣ／ＯＳ－ＩＩ實現(xiàn)光盤伺服控制系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)。
光盤伺服系統(tǒng)設計的關鍵是分析光盤伺服系統(tǒng)，把各個功能在μＣ／ＯＳ－ＩＩ核的基礎上建立起來，使其有機協(xié)調地運轉，實現(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系
２．１ μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)
μＣ／ＯＳ－ＩＩ是由ＪＥＡＮ Ｊ．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(tǒng)。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(tǒng)，是基于優(yōu)先級搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)，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(tǒng)工作時，首先把ＣＰＵ初始化；接著進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務控制塊（ＴＣＢ）初始化、ＴＣＢ優(yōu)先級表初始化、空任務的創(chuàng)建等；然后開始創(chuàng)建新任務，并可在新創(chuàng)建的任務中再創(chuàng)建其他的新任務；最后調用ＯＳＳＴＡＲＴ（）函數(shù)啟動多任務調度。
２．２ 光盤伺服系統(tǒng)的分析
對光盤伺服控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)已有一些參考資料。根據μＣ／ＯＳ－ＩＩ的特點和光盤伺服系統(tǒng)工作的具體情況，筆者將實現(xiàn)的光盤伺服系統(tǒng)分為三個運行狀態(tài)：Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｓｔａｔｅ（上電態(tài)）、Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ（空閑態(tài)）、Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ Ｓｔａｔｅ（執(zhí)行態(tài)）。圖２表示了設定的三個狀態(tài)之間的關系和進入各個狀態(tài)的條件。三個狀態(tài)中，執(zhí)行態(tài)最為復雜。為了把復雜的問題簡單化，把執(zhí)行態(tài)劃分為三個子系統(tǒng)：Ｈｏｓｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＨＩＳ)、Ｂｕｆｆｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ(ＢＭ)、 Ｄｉｓｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＤＩＳ)。圖３表示了這三個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系和進入跳出各個子系統(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)的實現(xiàn)過程。
圖4 執(zhí)行態(tài)子系統(tǒng)的任務狀態(tài)運行關系
２．３ 伺服系統(tǒng)的軟件結構
經過如上分析，光盤伺服系統(tǒng)初始化后，創(chuàng)建了五個任務：Ｈｏｓｔ Ｔａｓｋ（主機任務）、Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ Ｔａｓｋ（串口任務）、Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｔａｓｋ（讀盤任務）、Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｔｅ Ｔａｓｋ（寫盤任務）、Ｓｅｒｖｏ Ｔａｓｋ（伺服任務）。任務間通過Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ（信號量）和Ｍａｉｌｂｏｘ（郵箱）進行通信，實現(xiàn)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(tǒng)的任務結構框圖
下面給出主程序的框架：
ｖｏｉｄ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)
{
／／初始化處理器和硬件
……
／／產生任務
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＳｅｒｖｏＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)０,(ｖｏｉｄ*)＆ＳｅｒｖｏＴａｓｋＳｔｋ[５１１],４);
ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ(ＤｉｓｃＷｒＴａｓｋ,(ｖｏｉｄ*)0,
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