3嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案
　　基于嵌入式linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)可通過(guò)LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示，重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在Flash等閃存存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布信息，用戶還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。更為關(guān)鍵的是可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議，如ftp、http、Apache、PHP、MySQL等應(yīng)用程序，迅速搭建前臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)的通信。其優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)用的通信線路，可用現(xiàn)成的Internet網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)；可以傳送音響和圖像；Internet的協(xié)議是現(xiàn)成和公開(kāi)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(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1硬件設(shè)計(jì)
　　嵌入式運(yùn)行的硬件平臺(tái)是開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，整個(gè)開(kāi)發(fā)板基于處理器架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用，選擇Intel系列的strongARMMCU。StrongARMSA1110是一款高性能、低價(jià)位、高集成度的微處理器，為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。SA-1110結(jié)合了最高以206MHz運(yùn)行的32位StrongARM＊RISC處理器，速度達(dá)到100MHz的存儲(chǔ)器總線和靈活的存儲(chǔ)器控制器，支持SDRAM、SMROM及variable�瞝atencyI/O設(shè)備，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供靈活性和較高的存儲(chǔ)帶寬，適合較大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，為運(yùn)行Linux提供硬件上的支持。在開(kāi)發(fā)板上還集成了32MB的SDRAM、8MB的FLASH、10baseT以太網(wǎng)接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴(kuò)展FLASH卡存儲(chǔ)等。
　　10/100M以太網(wǎng)接口：以太網(wǎng)口一通過(guò)HUB直接連接內(nèi)部局域網(wǎng)；以太網(wǎng)口二通過(guò)modem接入Internet。CF擴(kuò)展口：通過(guò)CF擴(kuò)展接口外界CF卡，提供應(yīng)用存儲(chǔ)，并可進(jìn)行容量擴(kuò)展。IDE接口：視不同場(chǎng)合需要，連接電子盤(pán)（DOM）或者硬盤(pán)，存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)及信息等。串行接口：提供調(diào)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控。DiskOnChip：固化存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)程序（BIOS）及存儲(chǔ)嵌入式LINUX操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和系統(tǒng)配置參數(shù)。存儲(chǔ)空間可以擴(kuò)展。
4.2軟件設(shè)計(jì)
　　嵌入式操作系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心。如前所述，嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)存容量和存儲(chǔ)容量不足的情況下，必須對(duì)linux進(jìn)行裁減設(shè)計(jì)。在裁剪過(guò)程中涉及兩種主要技術(shù)，其一是內(nèi)核的精簡(jiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)Linux是面向PC的，集成了許多PC需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能。對(duì)一些可獨(dú)立加上或卸下的功能塊，可在編譯內(nèi)核時(shí)僅保留嵌入式系統(tǒng)所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能。這樣，重新編譯過(guò)的內(nèi)核顯著減小。
　　其二是虛擬內(nèi)存機(jī)制的屏蔽。分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致Linux實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的原因之一。在工業(yè)控制中一些任務(wù)要滿足一定的實(shí)時(shí)性的要求，屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制可以增強(qiáng)Linux的實(shí)時(shí)性。當(dāng)要更改內(nèi)核的某項(xiàng)機(jī)制時(shí)，一般不必大規(guī)模的改寫(xiě)代碼，可采用有條件編譯的方法。
　　同時(shí)，由于linux系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行公平的時(shí)間分配調(diào)度算法，這一算法不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。因此，要求對(duì)其進(jìn)行更改，一般有兩種途徑：第一種是通過(guò)POSIX方法，另一種便是通過(guò)底層編程。我們通過(guò)linux的實(shí)時(shí)有名管道（FIFO）的特殊隊(duì)列來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)的先后順序。實(shí)時(shí)有名管道與實(shí)時(shí)任務(wù)一樣從不換頁(yè)，大大減少由于內(nèi)存翻頁(yè)而造成的不確定延時(shí)。圖3示出實(shí)時(shí)Linux工作原理框圖。

4.3設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
　　確定了內(nèi)核的基本功能后，就要為特定的設(shè)備編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，可按照在Linux下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的規(guī)則編寫(xiě)。編寫(xiě)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)具有以下功能：對(duì)設(shè)備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
4.4開(kāi)發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)
　　應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中。JFFS2文件系統(tǒng)是日志結(jié)構(gòu)化的，這意味著它基本上是一長(zhǎng)列節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含有關(guān)文件的部分信息。JFFS2是專(zhuān)門(mén)為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以，它的整個(gè)設(shè)計(jì)提供了更好的閃存管理，具有其他文件系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
　　JFFS2在扇區(qū)級(jí)別上執(zhí)行閃存擦除／寫(xiě)／讀操作要比Ext2文件系統(tǒng)好。
　　JFFS2提供了比Ext2fs更好的崩潰／掉電安全保護(hù)。當(dāng)需要更改少量數(shù)據(jù)時(shí)，Ext2文件系統(tǒng)將整個(gè)扇區(qū)復(fù)制到內(nèi)存（DRAM）中，在內(nèi)存中合并新數(shù)據(jù)，并寫(xiě)回整個(gè)扇區(qū)。而JFFS2可以隨時(shí)更改需要的，不是重寫(xiě)整個(gè)扇區(qū)，并且具有崩潰／掉電安全保護(hù)功能。
　　實(shí)現(xiàn)上述步驟后，一個(gè)小型Linux操作系統(tǒng)就構(gòu)成了。構(gòu)造后的Linux包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和文件管理，支持多任務(wù)并行，有完整的TCP/IP協(xié)議棧，Linux內(nèi)建有對(duì)以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過(guò)以太網(wǎng)口連到以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置與監(jiān)控。
　　將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標(biāo)板上，通常移植內(nèi)核時(shí)，首先要將內(nèi)核編譯成針對(duì)該處理器的目標(biāo)代碼。根據(jù)不同的硬件體系，移植的啟動(dòng)代碼不同。一些內(nèi)核程序要改寫(xiě)，涉及到編寫(xiě)Linux的引導(dǎo)代碼和修改與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分的代碼，主要是啟動(dòng)引導(dǎo)、內(nèi)存管理和中斷處理部分。將M�睸ystem公司的DOC2000作為系統(tǒng)的啟動(dòng)設(shè)備，引導(dǎo)代碼放在DOC上。系統(tǒng)加電后，由引導(dǎo)代碼進(jìn)行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存運(yùn)行。
　　最后，將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中。裁剪后的Linux已成功移植到目標(biāo)平臺(tái)上。這樣，在可啟動(dòng)可運(yùn)行的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中可以根據(jù)具體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，通信和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等。

5小結(jié)
　　如今，互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向以嵌入式設(shè)備為中心。工控系統(tǒng)與Internet的結(jié)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化是一種必然的趨勢(shì)。我們把嵌入式linux微內(nèi)核嵌入到基于StrongARMSA111032位MCU系統(tǒng)中，通過(guò)構(gòu)造TCP/IP多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和基本網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，充分利用嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，并對(duì)工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求改造linux內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機(jī)制來(lái)保證測(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性和可靠性，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，具有開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。