嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

（文章來源：林契于宸）

基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進行更新，并可通過鍵盤進行人機對話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程維護。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議（如：flp，http以及ApachePHPMYSQL等應(yīng)用程序）迅速搭建前臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的通訊。這種方式的優(yōu)點有：

(1)不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的INTER-NET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，也可以傳遞音頻和圖像信號。(3) 由于目前的INTERNET協(xié)議是現(xiàn)成和公開的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到只有600kb的Mosaic瀏覽器都可以對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行讀取。嵌入式系統(tǒng)的硬件運行平臺是開發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，整個開發(fā)板可基于Intel SA-1110 微處理器架構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該硬件針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用選擇了Intel系列中的strong ARM MCU。strongARM SA-1110是一款高性能、低價位、高集成度微處理器。SA-1110芯片內(nèi)部集成有能以206MHZ運行的32 bit inter strong-ARE＊*RISC處理器，以及速度可達100MHZ 的存儲器總線和靈活的存儲器控制器，可支持SDRAM、 SMROM 以及Variable-latency I/O 設(shè)備，并可為系統(tǒng)設(shè)計提供較高的存儲帶寬。

由于SA-1110可以適應(yīng)較大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因而可為運行Linux提供硬件上的支持。此外，SA-1110還在開發(fā)板上集成有32MB的SDRAM、8MB的FLASH、10BASET以太網(wǎng)接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴展ＦFLASH卡存儲器等。有關(guān)SA-1110更詳細(xì)的資料可參考有關(guān)資料。

嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心。如前面所述，嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)存容量和存儲容量不足的情況下，必須對Linux進行裁減設(shè)計。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，對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內(nèi)核時，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)核就會顯著減小。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致Linux實時性不強的原因之一。在工業(yè)控制中，一些任務(wù)要滿足一定的實時性要求，屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機制可以增強Linux的實時性。當(dāng)要更改內(nèi)核的某項機制時，一般不必大規(guī)模地寫代碼，可采用條件編譯的方法。同時由于Linux系統(tǒng)對應(yīng)用進程采用的是公平的時間分配調(diào)度算法，但這一算法也不能保證系統(tǒng)的實時性要求，因此要求對其進行更改。更改途徑有兩種：一是通過POSIX，二是通過底層編程。筆者是通過Linux的實時有名管道(FIFO)的特殊隊列來處理實時任務(wù)的先后順序。實際上，實時有名管道就象實時任務(wù)一樣從不換頁，因而可以大大減少由于內(nèi)存翻頁而造成的不確定延時。

應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)通常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列節(jié)點。每個節(jié)點包含著有關(guān)文件的部分信息。JFFS2 是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的，所以它的整個設(shè)計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。

實現(xiàn)上述幾個步驟后，一個小型的Linux操作系統(tǒng)就構(gòu)造完成了。構(gòu)造后的Linux包括進程管理、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TCP/IP協(xié)議，同時Linux內(nèi)建有對以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太網(wǎng)口連到以太網(wǎng)上，以實現(xiàn)遠程配置與監(jiān)控。

將裁剪好的內(nèi)核移植到所用的目標(biāo)板上時，首先應(yīng)將內(nèi)核編譯成針對該處理器的目標(biāo)代碼。由于不同硬件體系的移植啟動代碼會有所不同，因此，一些內(nèi)核程序可能要改寫。涉及到編寫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引導(dǎo)、內(nèi)存管理和中斷處理部分。將M-System公司的DOC2000作為系統(tǒng)的啟動設(shè)備時，引導(dǎo)代碼可以放在DOC上。這樣系統(tǒng)加電后，引導(dǎo)代碼即可進行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核映象裝入內(nèi)存并運行, 最后，再將調(diào)試好的內(nèi)核和應(yīng)用程序燒錄到閃存中。由于此時裁剪后的Linux已成功移植到目標(biāo)平臺上,因此,在啟動可運行的開發(fā)系統(tǒng)時,就可以根據(jù)具體的應(yīng)用來開發(fā)應(yīng)用程序。
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