標(biāo)題：嵌入式Linux在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式linux；工業(yè)控制；應(yīng)用
1前言
隨著Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)各種工業(yè)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求越來(lái)越高。我們希望工業(yè)控制設(shè)備能夠支持TCP/IP及其他Internet協(xié)議，使我們能夠通過(guò)用戶(hù)熟悉的瀏覽器查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)，或者將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到Windows或Unix/Linux服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)中。因此，要求工控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場(chǎng)完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)，通常一些任務(wù)具有一定的實(shí)時(shí)性的要求；另一方面要求測(cè)控系統(tǒng)能夠與某一類(lèi)型的控制網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在目前應(yīng)用的大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用8/16位的單片機(jī)；軟件多采用匯編語(yǔ)言編程，僅包含一些簡(jiǎn)單的循環(huán)處理的控制流程；單片機(jī)與單片機(jī)或上位機(jī)之間的通信通過(guò)RS232、RS485來(lái)組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差、開(kāi)發(fā)困難等問(wèn)題。工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在，32位嵌入式CPU的價(jià)格下降，性能提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能性。限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸突出表現(xiàn)在軟件方面。盡管從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，比較著名的有Vxwork、pSOS、Neculeus和WindowsCE等，但是，這些專(zhuān)用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，高昂的價(jià)格使許多低端產(chǎn)品的小公司望而卻步，而且，源代碼封閉性也大大限制了開(kāi)發(fā)者的積極性。嵌入式系統(tǒng)需要一套高度簡(jiǎn)練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開(kāi)發(fā)、多任務(wù)、價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，即采用嵌入式linux是大勢(shì)所趨。嵌入式Linux操作系統(tǒng)以?xún)r(jià)格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植而正在被廣泛采用。
2嵌入式linux技術(shù)
嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)的一種小型操作系統(tǒng)。由一個(gè)Kernel（內(nèi)核）及一些根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)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(yīng)用程序，所需的存儲(chǔ)空間也很小。它有多任務(wù)、多進(jìn)程的系統(tǒng)特征，有些還具有實(shí)時(shí)性。一個(gè)小型的嵌入式Linux系統(tǒng)只需要引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核、初始化進(jìn)程3個(gè)基本元素。運(yùn)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(dāng)，有的甚至更小。嵌入式Linux所需的存儲(chǔ)器不是軟磁盤(pán)、硬盤(pán)、Zip盤(pán)、CD-ROM、DVD這些眾所周知的常規(guī)存儲(chǔ)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(chǔ)容量不太大的存儲(chǔ)器。它的內(nèi)存可以使用普通的內(nèi)存，也可以使用專(zhuān)用的RAM。
與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux的源代碼是開(kāi)放的，不存在黑箱技術(shù)。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，是發(fā)展未來(lái)嵌入式設(shè)備的絕佳資源。在保持Linux內(nèi)核系統(tǒng)更小、更穩(wěn)定、更具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化，使之適應(yīng)于對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域高實(shí)時(shí)性的要求。這是嵌入式linux操作系統(tǒng)更適合在嵌入式工控系統(tǒng)中應(yīng)用。
標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核通常駐留在內(nèi)存中，每一個(gè)應(yīng)用程序都是從磁盤(pán)運(yùn)到內(nèi)存上執(zhí)行。當(dāng)程序結(jié)束后，它所占用的內(nèi)存就被釋放，程序就被下載。而在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)里，可能沒(méi)有磁盤(pán)。有兩種途徑可以消除對(duì)磁盤(pán)的依賴(lài)：第一種是在一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，內(nèi)核和所有的應(yīng)用程序都在內(nèi)存里。這就是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)中。
因?yàn)?/font>Linux有能力“加載"和“卸載"程序，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來(lái)節(jié)省內(nèi)存。考慮一個(gè)比較典型的系統(tǒng)有大約8MB～16MB的閃存和8MBRAM，那么，閃存可以被用作文件系統(tǒng)。用閃存驅(qū)動(dòng)程序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面。作為一種選擇,也可以用一個(gè)閃存磁盤(pán)。這是用閃存來(lái)擺脫系統(tǒng)對(duì)一個(gè)磁盤(pán)的需求(依賴(lài))。使用這種方式的有DiskOnChip及CompactFlash卡。
FlashMemory可以作為一個(gè)文件系統(tǒng)。FlashMemory驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)連接FlashMemory和文件系統(tǒng)。這種Flash部件用軟件仿真磁盤(pán)。程序都以文件形式存儲(chǔ)在Flash文件中，需要時(shí)可以裝入內(nèi)存。這種動(dòng)態(tài)的、根據(jù)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(tǒng)引導(dǎo)后被釋放。Linux同樣有很多內(nèi)核外運(yùn)行的公用程序。這些程序通常在初始化時(shí)運(yùn)行一次，以后就不再運(yùn)行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式，一個(gè)接一個(gè)地按順序運(yùn)行。這樣，相同內(nèi)存空間可以被反復(fù)使用以“召入”每一個(gè)程序，就象系統(tǒng)引導(dǎo)一樣。這的確可以節(jié)省內(nèi)存，特別是那些配置一次就不再更改的網(wǎng)絡(luò)堆棧，如果Linux可加載模塊的功能包括在內(nèi)核里，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序就可以被加載。它可以檢查硬件環(huán)境并且給硬件裝上相應(yīng)的軟件。這就消除了用一個(gè)程序占用許多FlashMemory來(lái)處理多種硬件的復(fù)雜性。軟件的升級(jí)更模塊化，可以在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候在Flash上升級(jí)應(yīng)用程序和可加載驅(qū)動(dòng)程序。配置信息和運(yùn)行時(shí)間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存在Flash中。
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(hù)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variablelatencyI/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(mǎn)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MSystem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)。