嵌入式linux在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、嵌入式IinUX在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用嵌入式IinUX在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要：針對(duì)嵌入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了嵌入式IinUX 的主要技術(shù)及在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用方法。結(jié)合硬件平臺(tái)詳細(xì)說 明了嵌入式IinUX系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方法？同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了該嵌入 式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核、內(nèi)存機(jī)制和文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式Iinux;工業(yè)控制1前言隨著InteFnet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)各 種工業(yè)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求也越來越高。當(dāng)前的要求是希望 工業(yè)控制設(shè)備能夠支持TC P / I P以及其它InteFnet 協(xié)議，從而能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備 參

2、數(shù)，或者將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到W i n d O w s 或U n i X / L i n u X服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這就要求工控系 統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一是要在現(xiàn)場(chǎng)完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)， 因?yàn)橥ǔＲ恍┤蝿?wù)都具有一定的實(shí)時(shí)性要求；二是要求測(cè)控系統(tǒng) 能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，以實(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)的硬件采用的是8 / 1 6位單片 機(jī)；軟件多采用匯編語(yǔ)言編程，由于這些程序僅包含一些簡(jiǎn)單的 循環(huán)處理控制流程。因此，單片機(jī)與單片機(jī)或上位機(jī)之間的通信 通常通過R S232、R S 4 8 5來組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)存在通信速 度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差、開發(fā)困難等問題。

3、工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善， 在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)使用的是TC P / I P協(xié)議，因而便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在，3 2位嵌入式CPU價(jià)格的下降和性能指標(biāo)的提高，為嵌 入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。那么，限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的 瓶頸就突出地表現(xiàn)在軟件方面。盡管從上世紀(jì)八十年代末開始， 已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)（比較著名的有V XWOr k、pS0S. NeCUleUS 和 WindoWSCE 等）， 但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其髙昂的價(jià)格使許多生產(chǎn) 低端產(chǎn)品的小公司望而卻步；而且，源代碼的封閉性也大大限制 了開發(fā)者的積極性。嵌入式系統(tǒng)需要的是一

4、套高度簡(jiǎn)練、界面友 善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操 作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：即嵌入式1 i nux是大勢(shì) 所趨。嵌入式L i n U X操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、易于 移植等特點(diǎn)而正在被廣泛采用，并已成為一種新興力量。2嵌入式1 i n u X技術(shù)嵌入式Li n u x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)，它由一個(gè)Ke r n e 1 （內(nèi)核）及一些根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。K e r n e 1 一般只有幾百k B左右，即使加上其它必須的模塊和應(yīng) 用程序，所需的存儲(chǔ)空間也很小。它具有多任務(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

5、型的嵌入式L i n u X系統(tǒng)只 需要引導(dǎo)程序、LinU X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、AlPh a、Spare. MIPS、PPC等。與這些芯片搭配的主板都很 小，通常只有一張PC I卡大小，有的甚至更小。嵌入式L i n U X所需的存儲(chǔ)器不是軟磁盤、硬盤、Z i P盤、CD-RO M. DVD這些眾所周知的常規(guī)存儲(chǔ)器，它主要使用Rom、C OmPaCtFl ash、M-Sys terns 的 Di SkOn Chip. SOn y 的 MemOrySt i ck. IBM 的 Mi CrODriV e等體積極小（與主板上的B I O S大

6、小相 近），且存儲(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，也可以使用專用的RAMO與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，LinU X的源代碼是開放的，不存在黑箱技術(shù)。L i n U X作為一種可裁剪的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，很可能發(fā)展成為未來嵌入 式設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源。LinU X與生俱來的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)血統(tǒng)更 為今后的發(fā)展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此，在保持L i n UX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)性優(yōu)化，更加使之能夠適應(yīng)對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域高 實(shí)時(shí)性的要求。這也正是嵌入式IinU X操作系統(tǒng)在嵌入式工 控系統(tǒng)中的發(fā)展所在。同時(shí)也使L i n U X成為嵌入式操作系統(tǒng)

7、中的新貴。標(biāo)準(zhǔn)的L i n u X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，程序就被下載了。而在一個(gè)嵌入式系統(tǒng) 里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對(duì)磁盤的依賴，一是在 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)用程序都存在內(nèi)存里。這是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的工作模式，同樣Li n u X o第二種就是IinUX所特有的功能，因?yàn)長(zhǎng)inUX 已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就 可以利用它來節(jié)省內(nèi)存。一個(gè)比較典型的系統(tǒng)有大約8 MB到1 6 MB的閃存和8 MB RAM?而閃存可以被用作文件系統(tǒng)。用閃 存驅(qū)動(dòng)程

8、序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面就是一種選擇。當(dāng)然， 也可以用一個(gè)閃存磁盤。用閃存來擺脫系統(tǒng)對(duì)一個(gè)磁盤的需求（依 賴）具有 Di S k O n C h i P 技術(shù)以及 CmOPa C t F 1 a S h卡等方式。用來連接F 1 a S h M e m o Fy和文件系統(tǒng)的程序都以文件形式存儲(chǔ)在F 1 a S h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它一系列 功能的重要特征。它能使初始化代碼在系統(tǒng)引導(dǎo)后被釋放。實(shí)際 上，LinUX同樣還有很多內(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

9、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。這樣可以節(jié)省內(nèi)存，特別是那些配置一次以后就不再 更改的網(wǎng)絡(luò)堆棧。如果將L i n U X可加載模塊的功能包括在內(nèi) 核里，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序就都可以被加載。由于它可以檢查硬 件環(huán)境并且為硬件裝上相應(yīng)的軟件，從而消除了用一個(gè)程序占用 許多F IashMemory來處理多種硬件的復(fù)雜性。另外， 軟件的升級(jí)更加模塊化，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在F 1 a S h上升級(jí)應(yīng)用程序和加載驅(qū)動(dòng)程序，其配置信息和運(yùn)行時(shí)間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存在F IaSh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1 i n u

10、X的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運(yùn)行嵌入式L i n U X操作 系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，并可通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)對(duì) 話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在 FlaS h等閃存存儲(chǔ)器中；數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可通過串口向上位 機(jī)傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或IneFnet發(fā) 布，用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。更為關(guān)鍵的 是，可充分利用Irltel'net上已有的軟件和協(xié)議（如：f t P , h t t P 以及AP a C h e ? PH P ?M y S Q L 等應(yīng)用程 序）迅速搭建前臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)和后臺(tái)管理系 統(tǒng)的通訊。圖1

11、所示是這種實(shí)現(xiàn)方案的系統(tǒng)框圖。這種方式的優(yōu) 點(diǎn)有：（1 ）不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的I NTE R-N E T網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到任何地方。（2 ）不僅能夠傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，也可以傳遞音頻和圖像信號(hào)。（3）由于目前的I NTERNET協(xié)議是現(xiàn)成和公開的，因此，利用 大到幾十兆的M i c r O s O f t I E瀏覽器，或小到只有6 O O k E的Mo S a i C瀏覽器都可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)41硬件設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的硬件運(yùn)行平臺(tái)是開發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，整個(gè)開發(fā)板可基于I n t e 1 RSA-III0微處理器架構(gòu)。圖2所示是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該硬件針對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的

12、應(yīng)用選擇了 I n t e 1 系列中的S t r O n gARMMCUo S t r o n g A R MSA-IIl 0是一款高性能、低價(jià)位、高集成度微處理器。 SA-IIIO芯片內(nèi)部集成有能以2 0 6 MHZ運(yùn)行的32- b i t I n t e IRSt ron gARM*RIS C 處理器，以 及速度可達(dá)1 0 OMHZ的存儲(chǔ)器總線和靈活的存儲(chǔ)器控制器， 可支持S DRAM、S M ROM以及 VaFiab Ie-Iat e n c y I / O設(shè)備，并可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供較高的存儲(chǔ)帶寬。由 于SA-I110可以適應(yīng)較大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因而可為運(yùn)行 LinU X提供硬件上的支持

13、。此外，SA-III 0還在開發(fā) 板上集成有 3 2 M B 的 SDRAN1、8 MB 的 FLASH、1 0 b a s e T 以太網(wǎng)接口、RS232/RS485 串口、I/O 接口以及擴(kuò)展FLASH卡存儲(chǔ)器等。有關(guān)SA-I 1 1 0更詳 細(xì)的資料可參考有關(guān)資料。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。如前面所述，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)1 i n u X進(jìn)行 裁減設(shè)計(jì)。在裁剪過程中，所涉及的主要技術(shù)有下面幾種。(1 )內(nèi)核的精簡(jiǎn)標(biāo)準(zhǔn)LinUX是面向PC的，它集成了許多PC所需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能。因此，對(duì)一 些可獨(dú)立加上或卸下的功能塊

14、，可在編譯內(nèi)核時(shí)，僅保留嵌入式 系統(tǒng)所需的功能模塊，而刪除不需要的功能塊。這樣，重新編譯 過的內(nèi)核就會(huì)顯著減小。(2)虛擬內(nèi)存機(jī)制的屏蔽經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致L i n U X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)性要求，屏蔽內(nèi) 核的虛擬內(nèi)存管理機(jī)制可以增強(qiáng)L i n U X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)模地寫代碼，可采用條件編譯 的方法。同時(shí)由于1 i n u X系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用進(jìn)程采用的是公平的時(shí) 間分配調(diào)度算法，但這一算法也不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因 此要求對(duì)其進(jìn)行更改。更改途徑有兩種：一是通過POSlX, 二是通過底層編程。筆者是通過Iin

15、UX的實(shí)時(shí)有名管道（F I FO）的特殊隊(duì)列來處理實(shí)時(shí)任務(wù)的先后順序。實(shí)際上，實(shí)時(shí) 有名管道就象實(shí)時(shí)任務(wù)一樣從不換頁(yè)，因而可以大大減少由于內(nèi) 存翻頁(yè)而造成的不確定延時(shí)。圖3給出了LinUX的工作原理框圖。（3）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫確定了內(nèi)核的基本功能后，就要為特定的設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序，可按 照在L i n U X下編寫驅(qū)動(dòng)程序的規(guī)則進(jìn)行編寫。編寫的設(shè)備驅(qū) 動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)具有以下功能：對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放；完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核到硬件設(shè)備的傳送和從硬件讀取數(shù)據(jù)兩項(xiàng)功能；讀取應(yīng)用程序傳遞給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)以及回送應(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 ）開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)J FFS應(yīng)用程序和重要數(shù)

16、據(jù)通常以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng) 中。J FFS 2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)包含著有關(guān)文件的部分信息。J FFS 2 是專門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，因而具有其它文件系 統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。具體如下： J F F S 2在扇區(qū)級(jí)別上執(zhí)行閃存擦除/寫/讀操作要比E X t 2文件系統(tǒng)好。 J F F S 2提供了比EX t 2 f S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)，E X t 2文件系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)扇區(qū)復(fù) 制到內(nèi)存（DRAM）中，并在內(nèi)存中合并成新數(shù)據(jù)再寫回整個(gè) 扇區(qū)。而JFFS 2則可以隨

17、時(shí)更改需要的（不是重寫）整個(gè)扇 區(qū)，同時(shí)還具有崩潰/掉電安全保護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)上述幾個(gè)步驟后，一個(gè)小型的L i n U X操作系統(tǒng)就構(gòu)造完成了。構(gòu)造 后的L i n U X包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和文件管理等三部分。 它支持多任務(wù)并行，有完整的TC P / I P協(xié)議，同時(shí)LinU X內(nèi)建有對(duì)以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太網(wǎng)口連到以太網(wǎng) 上，以實(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)板上時(shí)，首先應(yīng)將內(nèi)核編譯成針對(duì)該處理器的目標(biāo)代 碼。由于不同硬件體系的移植啟動(dòng)代碼會(huì)有所不同，因此，一些 內(nèi)核程序可能要改寫。涉及到編寫L i n U X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-S y s t e m公司的Do C 2 0 0 0作為系統(tǒng)的 啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，引導(dǎo)代碼可以放在DOC上。這樣？系統(tǒng)加電后，引 導(dǎo)代碼即可進(jìn)行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存并 運(yùn)行，最后，再將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中。由于此 時(shí)裁剪后的L i n u X已成功移植到目標(biāo)平臺(tái)上，因此，在啟動(dòng)可 運(yùn)行的開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，就可以根據(jù)具體的應(yīng)用來開發(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)布模塊等等。5結(jié)束語(yǔ)如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌