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-- 發布時間：2010-11-23 10:55:25
-- 嵌入式Linux在工業控制領域中的應用
摘 要：針對嵌入式網絡設備的應用特點，介紹嵌入式linux的主要技術及在工業控制領域中的應用。結合硬件平臺詳細說明嵌入式linux系統的主要實現方法，涉及嵌入式實時內核、內存機制和文件系統的設計。
關鍵詞：嵌入式系統；嵌入式linux；工業控制；應用
1前言
隨著Internet的飛速發展，網絡應用越來越廣泛，對各種工業控制設備的網絡功能要求越來越高。我們希望工業控制設備能夠支持TCP/IP及其他Internet協議，使我們能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設備狀態、設置設備參數，或者將設備采集到的數據通過網絡傳送到Windows或Unix/Linux服務器上的數據庫中。因此，要求工控系統必須具備兩方面的功能：一方面要在現場完成復雜的測控任務，通常一些任務具有一定的實時性的要求；另一方面要求測控系統能夠與某一類型的控制網相連，實現遠程監控。在目前應用的大多數測控系統中，嵌入式系統的硬件采用8/16位的單片機；軟件多采用匯編語言編程，僅包含一些簡單的循環處理的控制流程；單片機與單片機或上位機之間的通信通過RS232、RS485來組網。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差、開發困難等問題。工業以太網已逐步完善，在工業控制領域獲得越來越多的應用。工業以太網使用了TCP/IP協議，便于聯網，并具有高速控制網絡的優點。
現在，32位嵌入式CPU的價格下降，性能提高，為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能性。限制嵌入式系統發展的瓶頸突出表現在軟件方面。盡管從20世紀80年代末開始，陸續出現了一些嵌入式操作系統，比較著名的有Vxwork、pSOS、Neculeus和WindowsCE等，但是，這些專用操作系統都是商業化產品，高昂的價格使許多低端產品的小公司望而卻步，而且，源代碼封閉性也大大限制了開發者的積極性。嵌入式系統需要一套高度簡練、界面友善、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務、價格低廉的操作系統。如今，業界已經達成共識，即采用嵌入式linux是大勢所趨。嵌入式Linux操作系統以價格低廉、功能強大又易于移植而正在被廣泛采用。
2嵌入式linux技術
嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統的要求而設計的一種小型操作系統。由一個Kernel（內核）及一些根據需要進行定制的系統模塊組成。Kernel很小，一般只有幾百KB左右，即使加上其他必需的模塊和應用程序，所需的存儲空間也很小。它有多任務、多進程的系統特征，有些還具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux微內核、初始化進程3個基本元素。運行嵌入式Linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC等。與這些芯片搭配的主板都很小，與一張PCI卡大小相當，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存儲器不是軟磁盤、硬盤、Zip盤、CD-ROM、DVD這些眾所周知的常規存儲器，它使用Rom、CompactFlash、MSystems的DiskOnChip、Sony的MemoryStick、IBM的MicroDrive等體積極小(與主板上的BIOS大小相近)，存儲容量不太大的存儲器。它的內存可以使用普通的內存，也可以使用專用的RAM。
與其他嵌入式操作系統相比，Linux的源代碼是開放的，不存在黑箱技術。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺系統，是發展未來嵌入式設備的絕佳資源。在保持Linux內核系統更小、更穩定、更具價格競爭力等優勢的同時，對系統內核進行實時性優化，使之適應于對工業控制領域高實時性的要求。這是嵌入式linux操作系統更適合在嵌入式工控系統中應用。
標準的Linux內核通常駐留在內存中，每一個應用程序都是從磁盤運到內存上執行。當程序結束后，它所占用的內存就被釋放，程序就被下載。而在一個嵌入式系統里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴：第一種是在一個簡單的系統里，當系統啟動后，內核和所有的應用程序都在內存里。這就是大多數傳統的嵌入式系統工作模式，它同樣可以被Linux支持；第二種就是linux所特有的功能，常用于嵌入式系統中。
因為Linux有能力“加載"和“卸載"程序，一個嵌入式系統就可以利用它來節省內存�？紤]一個比較典型的系統有大約8MB～16MB的閃存和8MBRAM，那么，閃存可以被用作文件系統。用閃存驅動程序作為從閃存到文件系統的界面。作為一種選擇,也可以用一個閃存磁盤。這是用閃存來擺脫系統對一個磁盤的需求(依賴)。使用這種方式的有DiskOnChip及CompactFlash卡。
FlashMemory可以作為一個文件系統。FlashMemory驅動程序用來連接FlashMemory和文件系統。這種Flash部件用軟件仿真磁盤。程序都以文件形式存儲在Flash文件中，需要時可以裝入內存。這種動態的、根據需要加載的能力是支持其他一系列功能的重要特征，它使初始化代碼在系統引導后被釋放。Linux同樣有很多內核外運行的公用程序。這些程序通常在初始化時運行一次，以后就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式，一個接一個地按順序運行。這樣，相同內存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序，就象系統引導一樣。這的確可以節省內存，特別是那些配置一次就不再更改的網絡堆棧，如果Linux可加載模塊的功能包括在內核里，驅動程序和應用程序就可以被加載。它可以檢查硬件環境并且給硬件裝上相應的軟件。這就消除了用一個程序占用許多FlashMemory來處理多種硬件的復雜性。軟件的升級更模塊化，可以在系統運行的時候在Flash上升級應用程序和可加載驅動程序。配置信息和運行時間參數可以作為數據文件儲存在Flash中。
3嵌入式工業控制網絡的實現方案
基于嵌入式linux的工控系統以嵌入式微處理器為核心，運行嵌入式Linux操作系統。應用程序可通過網絡進行更新，通過鍵盤進行人機對話，數據可通過LCD現場顯示，重要數據可以文件形式保存在Flash等閃存存儲器中，數據和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網口向工業以太網或Internet發布信息，用戶還可通過網絡實現遠程監控、遠程維護。更為關鍵的是可充分利用Internet上已有的軟件和協議，如ftp、http、Apache、PHP、MySQL等應用程序，迅速搭建前臺數據采集系統、測控系統和后臺管理系統的通信。其優點是不需要專用的通信線路，可用現成的Internet網絡傳送數據；可以傳送音響和圖像；Internet的協議是現成和公開的，大到幾十MB的MicrosoftIE瀏覽器，小到只有600KB的Mosaic瀏覽器都可以對網絡數據進行讀取。系統框圖如圖1所示。
4系統設計
4.1硬件設計
嵌入式運行的硬件平臺是開發應用程序的基礎，整個開發板基于
處理器架構。嵌入式系統硬件結構框圖如圖2所示。
針對網絡服務應用，選擇Intel系列的strongARMMCU。StrongARMSA1110是一款高性能、低價位、高集成度的微處理器，為嵌入式應用而設計。SA-1110結合了最高以206MHz運行的32位
StrongARM＊RISC處理器，速度達到100MHz的存儲器總線和靈活的存儲器控制器，支持SDRAM、SMROM及variablelatencyI/O設備，為系統設計提供靈活性和較高的存儲帶寬，適合較大流量的網絡應用，為運行Linux提供硬件上的支持。在開發板上還集成了32MB的SDRAM、8MB的FLASH、10baseT以太網接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴展FLASH卡存儲等。
10/100M以太網接口：以太網口一通過HUB直接連接內部局域網；以太網口二通過modem接入Internet。CF擴展口：通過CF擴展接口外界CF卡，提供應用存儲，并可進行容量擴展。IDE接口：視不同場合需要，連接電子盤（DOM）或者硬盤，存儲應用數據及信息等。串行接口：提供調試和遠程監控。DiskOnChip：固化存儲系統啟動程序（BIOS）及存儲嵌入式LINUX操作系統、應用軟件系統和系統配置參數。存儲空間可以擴展。
4.2軟件設計
嵌入式操作系統是整個嵌入式系統的核心。如前所述，嵌入式系統在內存容量和存儲容量不足的情況下，必須對linux進行裁減設計。在裁剪過程中涉及兩種主要技術，其一是內核的精簡。標準Linux是面向PC的，集成了許多PC需要而嵌入式系統并不需要的功能。對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內核時僅保留嵌入式系統所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能。這樣，重新編譯過的內核顯著減小。
其二是虛擬內存機制的屏蔽。分析發現，虛擬內存是導致Linux實時性不強的原因之一。在工業控制中一些任務要滿足一定的實時性的要求，屏蔽內核的虛擬內存管理機制可以增強Linux的實時性。當要更改內核的某項機制時，一般不必大規模的改寫代碼，可采用有條件編譯的方法。
同時，由于linux系統對應用進程進行公平的時間分配調度算法，這一算法不能保證系統的實時性要求。因此，要求對其進行更改，一般有兩種途徑：第一種是通過POSIX方法，另一種便是通過底層編程。我們通過linux的實時有名管道（FIFO）的特殊隊列來處理實時任務的先后順序。實時有名管道與實時任務一樣從不換頁，大大減少由于內存翻頁而造成的不確定延時。圖3示出實時Linux工作原理框圖。
4.3設備驅動程序
確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編寫驅動程序，可按照在Linux下編寫驅動程序的規則編寫。編寫的設備驅動程序應具有以下功能：對設備初始化和釋放；把數據從內核傳到硬件和從硬件讀取數據；讀取應用程序傳遞給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據；檢測和處理設備出現的錯誤。
4.4開發基于閃存的文件系統
應用程序和重要數據以文件的形式被存放在閃存文件系統中。JFFS2文件系統是日志結構化的，這意味著它基本上是一長列節點。每個節點包含有關文件的部分信息。JFFS2是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創建的，所以，它的整個設計提供了更好的閃存管理，具有其他文件系統不可比擬的優點。
JFFS2在扇區級別上執行閃存擦除／寫／讀操作要比Ext2文件系統好。
JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩潰／掉電安全保護。當需要更改少量數據時，Ext2文件系統將整個扇區復制到內存（DRAM）中，在內存中合并新數據，并寫回整個扇區。而JFFS2可以隨時更改需要的，不是重寫整個扇區，并且具有崩潰／掉電安全保護功能。
實現上述步驟后，一個小型Linux操作系統就構成了。構造后的Linux包括進程管理、內存管理和文件管理，支持多任務并行，有完整的TCP/IP協議棧，Linux內建有對以太網控制器的支持，可以通過以太網口連到以太網上，實現遠程配置與監控。
將裁剪好的內核移植到所用的目標板上，通常移植內核時，首先要將內核編譯成針對該處理器的目標代碼。根據不同的硬件體系，移植的啟動代碼不同。一些內核程序要改寫，涉及到編寫Linux的引導代碼和修改與體系結構相關部分的代碼，主要是啟動引導、內存管理和中斷處理部分。將MSystem公司的DOC2000作為系統的啟動設備，引導代碼放在DOC上。系統加電后，由引導代碼進行基本的硬件初始化，然后把內核映象裝入內存運行。
最后，將調試好的內核和應用程序燒錄到閃存中。裁剪后的Linux已成功移植到目標平臺上。這樣，在可啟動可運行的開發系統中可以根據具體的應用開發應用程序，如數據采集模塊，數據處理模塊，通信和數據發布模塊等。
5小結
如今，互聯網的應用正在轉向以嵌入式設備為中心。工控系統與Internet的結合實現網絡化是一種必然的趨勢。我們把嵌入式linux微內核嵌入到基于StrongARMSA111032位MCU系統中，通過構造TCP/IP多種網絡協議和基本網絡通信協議，充分利用嵌入式操作系統對底層硬件和網絡協議的支持，并對工控系統實時性的要求改造linux內核和虛擬內存機制來保證測控任務完成的實時性和可靠性，在工業控制領域有很好的應用前景，具有開發周期短、系統穩定可靠、適應性強等特點。