嵌入式网络数控技术与系统(上)

1 嵌入式系统的模型与特点

　　嵌入式技术与系统由于资源利用充分、系统紧凑，以较低的成本提供了丰富的功能和卓越的性能;由于嵌入式系统能够方便地进行软硬件功能裁减，不会因此造成资源浪费，从而为数控技术与系统提供了最优的性能价格比:嵌入式系统由于具有通用串行接口、多种现场总线接口和以太网接口，能够方便地组成各种数字制造所需的网络;采用嵌入式技术能够实现完全自主知识产权，这对发展自主知识产权的未来新型网络数控技术与系统创造了很好的条件。

　　1.1 嵌入式系统模型

　　嵌入式系统模型如图1所示二从物理层面上来理解，嵌入式计算系统可以认为是一个专用的电子系统，这个专用的电子系统通常被包含在一个较复杂的非电子系统中，这就是“嵌入式”的直观意义。一个较复杂的非电子系统可以抽象成嵌入式系统的外部环境，称之为被嵌入的系统。整个系统中所包含的嵌入式系统一般有多个，且嵌入式系统也能直接与外界通信。

图1嵌入式系统模型

　　嵌入式系统可为被嵌入系统提供一个专门的服务，该服务可以是对外界输入的响应，直接来自外界;也可以是对被嵌入系统或相邻的嵌入式系统数据的响应;

　　现代机电控制系统，在这样一个分布式系统中，各处理单元通过网络连接，可构成如图2所示的基于网络的嵌入式系统结构。这里，网络的概念是广义的，可以是以某种介质互连的松祸合结构，也可以是以SoC方式的片内网络.即构成NOCfNetwork on chips)。

图2基于网络的嵌入式系统结构 

　　1.2 嵌入式系统的可重构功能

　　嵌入式系统的中央处理单元一般采用精简指令集计算技术，综合比较专用芯片方法和微处理机方法，人们希望找到一种新的技术路线与方法，使它既具有专用芯片的高性能、高速度和高可靠性，又具有微处理器的高度“柔性”和强大的可编程功能。这就是嵌入式系统的可重构功能。

　　由于现场的编程门陈列技术的发展，可重构技术自ZO世纪9}年代以来得到迅速发展，并获得广泛应用，如在目标识别、字符模式匹配、数据压缩和遗传算法等方面都获得很大成功。新发展的嵌入式可重构计算，很难说清是属于哪一种类型的可重构，因为从虚拟器件的角度来看，它可以实现电路级、指令级、结构级和软件级等各级的可重构;从现场可编程门阵列(Field prvgrammahle gate arrayFPGA)的技术来看，动态可重构和静态可重构都不是问题:从IP核技术来看，既可以认为是软件可重构，也可以是硬件可重构。

　　计算功能的实施看成是由时间和空间构成的二维结构，传统的微处理器在空间维上是固定不变的，而在时间维上是可变的，或者说是可编程的中所以处理器的功能可以发生改变，是在于其时间维上的可变性。专用芯片的特点是功能固定，即空间维和时间维都是不可变的。嵌入式系统基于FPGA，其特点是介于两者之间，它综合了微处理器和专用芯片的特点，实现了空间维和时间维上均可变。

　　可重构是在软件的控制下，利用可重用资源，重构或重组计算平台，以适应不同的应用需求二可重构的基础是可重用资源。在FPGA出现之前，可重构计算系统采用重组的方式，其重用资源是功能部件;FPGA出现后，其重用资源是基本的门和线，通过配置文件，定义每个门的性质和线的连接，改变硬件的功能。从广泛的意义上讲，这种功能包含了硬软件的可重构。

　　由于嵌入式系统的可重构功能以及硬软件可剪裁的特点，从而为网络数字控制技术与系统的设计和实现提供极大的方便，同时也使网络数字控制系统的开放性和重用性成为可能。