基于VPX总线的工件台运动控制系统研究与开发

发布时间：2017-06-26 23:04

  本文关键词：基于VPX总线的工件台运动控制系统研究与开发，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：工件台系统是光刻机的关键子系统之一,工件台运动控制系统对实现光刻机性能指标具有至关重要的作用,因此研发工件台运动控制系统具有极其重要的工程应用价值。论文根据工件台控制系统必须具备的并行性、同步性和实时性等技术需求,建立了基于VPX总线的工件台运动控制系统硬件体系,并针对基于C6678共享内存的数据并行交互机制和系统精密同步测控策略开展了研究。为解决系统中存在的多处理器之间数据传输实时性、处理器运算性能、光纤接口数量以及系统计算架构等问题,通过对VPX总线中多总线协议的研究,采用基于RapidIO总线的全网状星型拓扑结构,并结合集成有多核DSP TMS320C6678的运动控制卡MC_4DSP_VPX和光纤接口卡FC_FPGA_VPX等硬件,设计了一种基于RapidIO多处理器互连架构的新型工件台运动控制系统硬件体系结构。工件台的多子系统决定了系统数据并行处理的特征,因此从并行性和实时性出发,根据系统硬件体系结构,设计了控制系统的数据流,并以此建立了并行处理模型。根据并行模型的交互数据内容,规划了共享内存和核本地内存的存储空间,结合C6678的数据Cache与共享内存的数据一致性原则,实现了多核实时并行访问共享内存。为了提高工件台控制系统性能,除了增强系统数据交互并行性,系统的同步性和实时性也至关重要。系统的同步主要分为多DSP同步和多核同步,为了实现实时同步中断多个DSP,提出了两种同步测控方案,通过实验数据分析,基于Direct I/O+GPIO硬中断的同步测控方案比基于Direct I/O+Doorbell软中断的同步测控方案具有更好的同步性和实时性。为了实现C6678的多核同步,分别具体介绍了基于广播事件的多核同步技术和基于核间中断的多核同步技术两种方法,比较分析可知,基于广播事件的多核同步更能满足强实时系统设计要求。在上述研究分析的基础上,以双扫描硅片台、掩模台为控制对象,对多核DSP软件进行了整体框架设计。在现有的最小测试系统平台上,通过实验对比,验证了同步测控方案的可行性、软件设计的正确性以及控制系统的实时性和同步性。
【关键词】：工件台运动控制系统 VPX总线 RapidIO互连架构 共享内存 同步性与实时性
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN305.7;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 光刻机及其工件台概述12-13
• 1.3 多轴运动控制系统技术研究现状13-16
• 1.3.1 多轴运动控制系统发展概况13-14
• 1.3.2 工业计算机总线发展概况14-16
• 1.4 工件台的多轴运动控制系统技术研究现状16-22
• 1.4.1 工件台控制系统国内外研究进展16-17
• 1.4.2 基于VME总线的工件台控制系统17-20
• 1.4.3 基于ATCA总线的工件台控制系统20-22
• 1.5 论文的研究内容22-23
• 第二章 基于VPX总线的工件台运动控制系统总体方案设计23-41
• 2.1 系统设计需求分析23-28
• 2.1.1 工件台系统总体介绍23-26
• 2.1.2 系统设计问题分析及需求提出26-28
• 2.2 系统互连总线及关键硬件28-35
• 2.2.1 互连总线选择28-30
• 2.2.2 运动控制卡（MC_4DSP_VPX）30-32
• 2.2.3 光纤接口卡（FC_FPGA_VPX）32-33
• 2.2.4 主控卡（HOST_CPU_VPX）33-34
• 2.2.5 VPX机箱背板34-35
• 2.3 基于RapidIO总线的控制系统硬件体系结构设计35-40
• 2.3.1 控制系统总体层次结构划分35-36
• 2.3.2 基于RapidIO总线的控制系统架构36-37
• 2.3.3 工件台控制系统硬件体系结构详细设计及功能分析37-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 基于多核共享内存的系统数据并行交互机制41-51
• 3.1 系统数据流结构41-42
• 3.2 基于并行处理模型的数据交互方式42-44
• 3.2.1 系统并行处理模型42-43
• 3.2.2 数据交互方式分析43-44
• 3.3 C6678的数据Cache一致性分析和维护44-47
• 3.3.1 C6678的数据Cache一致性问题45-46
• 3.3.2 C6678的数据Cache一致性维护操作46-47
• 3.4 基于共享内存的数据交互47-50
• 3.4.1 基于共享内存的数据存储空间规划47-48
• 3.4.2 共享内存与本地内存LL2的数据地址对应关系48-49
• 3.4.3 数据具体交互过程49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 控制系统精密同步测控策略研究及技术实现51-64
• 4.1 TMS320C6678的中断子系统结构和中断映射原理51-54
• 4.1.1 TMS320C6678的中断子系统结构51-52
• 4.1.2 片级中断控制器（INTC）52-53
• 4.1.3 核级中断控制器（CorePac Interrupt Control）53-54
• 4.2 工件台控制系统同步测控方案设计及分析54-57
• 4.2.1 基于Direct I/O + Doorbell软中断模式的同步测控方案55
• 4.2.2 基于Direct I/O + GPIO硬中断模式的同步测控方案55-56
• 4.2.3 两种同步测控方案的比较分析56-57
• 4.3 基于GPIO硬中断的多DSP同步技术实现57-58
• 4.4 多核同步技术实现及分析58-61
• 4.4.1 基于广播事件的多核同步触发实现58-60
• 4.4.2 基于核间中断IPC的多核同步触发实现60-61
• 4.4.3 两种多核同步方法的比较分析61
• 4.5 系统同步时序最优化设计61-63
• 4.5.1 最小测控模型建立61-62
• 4.5.2 系统同步时序最优化详细设计62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 第五章 工件台运动控制系统软件初步设计及实验验证64-75
• 5.1 控制系统软件设计64-68
• 5.1.1 工件台控制系统总体框架64
• 5.1.2 工件台DSP伺服控制软件总体设计64-68
• 5.2 控制系统测试与分析68-74
• 5.2.1 测试系统平台简介68-69
• 5.2.2 RapidIO数据传输实时性测试69-72
• 5.2.3 多核同步实时性测试72-73
• 5.2.4 系统总体实时性测试73-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第六章 总结与展望75-77
• 6.1 研究内容总结75-76
• 6.2 工作展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果81-82

【参考文献】

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