基于μC／OS-II的光盘伺服控制系统的设计

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摘要：介绍以Hitachi公司的H8S/2357F作为控制处理器，μC／OS-II作为嵌入式实时操作系统的光盘伺服控制系统的设计和实现。该设计可以实现CD-ROM、CD-R/RW和DVD的伺服功能，适用于光盘伺服控制系统，具有便于维护、易于扩展等优点，对于支持多格式光盘的驱动器和播放器的实现，具有重要的参考价值。

    关键词：μC／OS-II 嵌入式实时操作系统 伺服控制 光盘

光盘伺服控制系统是典型的光机电一体化的控制系统，是光盘驱动器和ＣＤ／ＶＣＤ／ＤＶＤ播放器的重要组成部分。目前业界普遍采用单片机与伺服控制数字信号处理器配合实现的结构，已可单片化（将单片机和伺服控制数字信号处理器集成在一块芯片上）实现光盘伺服控制系统。不论是芯片组的形式，还是单片化的形式，都少不了以板级控制软件（也称为固件）实现控制系统。目前普遍采用的方案是利用运行于单片机的小型嵌入式操作系统实现光盘伺服系统。
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    为采用自行研发的光盘伺服信号处理器实现支持多格式光盘的伺服控制系统，笔者对光盘伺服控制系统做了比较深入的研究。本文介绍了一种以Ｈｉｔａｃｈｉ的Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ作为控制处理器，μＣ／ＯＳ－ＩＩ作为嵌入式实时操作系统的光盘伺服控制系统的设计和实现。

１ 光盘伺服控制系统的硬件设计

光盘伺服控制系统的硬件设计如图１所示。该设计采用自行研发的伺服数字信号处理器、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等芯片实现ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的伺服功能。并在该系统中完成对自行研发的光盘伺服数字信号处理器设计的验证，为光盘伺服系统的产品化做好准备。
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２ 光盘伺服控制系统的软件设计

系统分析和软件设计是光盘伺服控制系统实现的难点之一，设计的优劣关系到系统的读碟能力、使用寿命、稳定性、扩展性、维护性等性能。因为要兼顾ＤＶＤ、ＣＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ等光盘格式和各种不同的机械参数的设置，伺服控制软件的设计变得相对复杂。为了使控制逻辑明了和易于实现，采用在Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ上运行μＣ／ＯＳ－ＩＩ实现光盘伺服控制系统是一个比较好的选择。Ｈ８Ｓ／２３５７Ｆ的资源比较丰富，μＣ／ＯＳ－ＩＩ在Ｈ８上可以很好地运行，易于系统的开发。

光盘伺服系统设计的关键是分析光盘伺服系统，把各个功能在μＣ／ＯＳ－ＩＩ核的基础上建立起来，使其有机协调地运转，实现光盘伺服控制系统。

图3 执行态的子系统之间的通信和切换关系

    ２．１ μＣ／ＯＳ－ＩＩ嵌入式实时多任务操作系统

μＣ／ＯＳ－ＩＩ是由ＪＥＡＮ Ｊ．ＬＡＢＲＯＳＳＥ编写的一个源代码公开、可免费使用的嵌入式实时操作系统。它是μＣ／ＯＳ的一个升级版本。从最老的μＣＯＳ到最新的μＣ／ＯＳ－ＩＩ，已有十多年的历史。它的特点主要有：公开源代码、可移植性、可固化、可裁减、支持多任务、具有可确定性等。μＣ／ＯＳ－ＩＩ面向中小型嵌入式系统，是基于优先级抢占式的实时多任务操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量、邮箱、消息队列）和内存管理等功能，绝大部分代码用Ｃ语言编写，与硬件相关部分用汇编语言编写。

基于μＣ／ＯＳ－ＩＩ的应用系统工作时，首先把ＣＰＵ初始化；接着进行操作系统初始化，主要完成任务控制块（ＴＣＢ）初始化、ＴＣＢ优先级表初始化、空任务的创建等；然后开始创建新任务，并可在新创建的任务中再创建其他的新任务；最后调用ＯＳＳＴＡＲＴ（）函数启动多任务调度。

２．２ 光盘伺服系统的分析

对光盘伺服控制系统的设计和实现已有一些参考资料。根据μＣ／ＯＳ－ＩＩ的特点和光盘伺服系统工作的具体情况，笔者将实现的光盘伺服系统分为三个运行状态：Ｐｏｗｅｒ－Ｏｎ Ｓｔａｔｅ（上电态）、Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ（空闲态）、Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ Ｓｔａｔｅ（执行态）。图２表示了设定的三个状态之间的关系和进入各个状态的条件。三个状态中，执行态最为复杂。为了把复杂的问题简单化，把执行态划分为三个子系统：Ｈｏｓｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＨＩＳ)、Ｂｕｆｆｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ(ＢＭ)、 Ｄｉｓｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ(ＤＩＳ)。图３表示了这三个子系统之间的联系和进入跳出各个子系统的条件。图４表示了子系统之间的状态变化及其条件，比较明晰地表示了执行态的实现过程。

图4 执行态子系统的任务状态运行关系

    ２．３ 伺服系统的软件结构

经过如上分析，光盘伺服系统初始化后，创建了五个任务：Ｈｏｓｔ Ｔａｓｋ（主机任务）、Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ Ｔａｓｋ（串口任务）、Ｄｉｓｋ Ｒｅａｄ Ｔａｓｋ（读盘任务）、Ｄｉｓｋ Ｗｒｉｔｅ Ｔａｓｋ（写盘任务）、Ｓｅｒｖｏ Ｔａｓｋ（伺服任务）。任务间通过Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ（信号量）和Ｍａｉｌｂｏｘ（邮箱）进行通信，实现交互控制和任务的切换。图５表明了这五个任务之间的关系。

图5 光盘伺服系统的任务结构框图

    下面给出主程序的框架：

ｖｏｉｄ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)

{

／／初始化处理器和硬件

……

／／产生任务

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);

／／产生信号量和任务参数

……

／／任务开始运行

ＯＳＳｔａｒｔ();

}

本设计在Ｈｉｔａｃｈｉ公司提供的开发系统ＨＥＷ２上编译实现，并在验证系统实测。结果显示：该设计可以实现ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ和ＣＤ－Ｒ／ＲＷ的功能，适用于光盘伺服控制系统，具有便于维护、易于扩展等优点。对于支持多格式光盘的驱动器和播放器的实现，具有重要的参考价值。