嵌入式linux在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘要：針對嵌入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了嵌入式linux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linux系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方法?同時(shí)也簡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linux；工業(yè)控制

１　前言

隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，對各種工業(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ＴＣＰ／ＩＰ以及其它Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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Ｗｉｎｄｏｗｓ或Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中。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)場完成復(fù)雜的測控任務(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)測控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用的是８／１６位單片機(jī)；軟件多采用匯編語言編程，由于這些程序僅包含一些簡單的循環(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ＲＳ２３２、ＲＳ４８５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。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ＴＣＰ／ＩＰ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，３２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Ｖｘｗｏｒｋ、ｐＳＯＳ、Ｎｅｃｕｌｅｕｓ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ等），但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價(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)需要的是一套高度簡練、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ｌｉｎｕｘ是大勢所趨。 嵌入式Ｌｉｎｕｘ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)，它由一個(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一般只有幾百ｋＢ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，通常只有一張ＰＣＩ卡大小，有的甚至更小。嵌入式Ｌｉｎｕｘ所需的存儲(chǔ)器不是軟磁盤、硬盤、Ｚｉｐ盤、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ這些眾所周知的常規(guī)存儲(chǔ)器，它主要使用Ｒｏｍ、ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ、Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍｓ的ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ、Ｓｏｎｙ的ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ、ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等體積極?。ㄅc主板上的ＢＩＯＳ大小相近），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ＲＡＭ。

與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，Ｌｉｎｕｘ的源代碼是開放的，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)，很可能發(fā)展成為未來嵌入式設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源。Ｌｉｎｕｘ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Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核系統(tǒng)更小、更穩(wěn)定、更具價(jià)格競爭力等優(yōu)勢的同時(shí)，對系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)性優(yōu)化，更加使之能夠適應(yīng)對工業(yè)控制領(lǐng)域高實(shí)時(shí)性的要求。這也正是嵌入式ｌｉｎｕｘ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Ｌｉｎｕｘ成為嵌入式操作系統(tǒng)中的新貴。

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磁盤的依賴，一是在一個(gè)簡單的系統(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Ｌｉｎｕｘ。第二種就是ｌｉｎｕｘ所特有的功能，因?yàn)椋蹋椋睿酰呀?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８ＭＢ到１６ＭＢ的閃存和８ＭＢ ＲＡＭ?而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)對一個(gè)磁盤的需求(依賴)具有ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ技術(shù)以及ＣｍｏｐａｃｔＦｌａｓｈ卡等方式。

用來連接Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ和文件系統(tǒng)的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Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ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Ｆｌａｓｈ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來運(yùn)行嵌入式Ｌｉｎｕｘ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(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Ｉｎｅｒｎｅｔ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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上已有的軟件和協(xié)議（如：ｆｔｐ，ｈｔｔｐ以及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)，以實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)的通訊。圖１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(hào)，也可以傳遞音頻和圖像信號(hào)。

（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(jìn)行讀取。

４　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

４．１ 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ＩｎｔｅｌＲ ＳＡ－１１１０ 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。該硬件針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用選擇了Ｉｎｔｅｌ系列中的ｓｔｒｏｎｇＡＲＭ ＭＣＵ。ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ ＳＡ－１１１０是一款高性能、低價(jià)位、高集成度微處理器。ＳＡ－１１１０芯片內(nèi)部集成有能以２０６ＭＨｚ運(yùn)行的３２－ｂｉｔ ＩｎｔｅｌＲ Ｓｔｒｏｎ-ｇＡＲＭ＊ ＲＩＳＣ處理器，以及速度可達(dá)１００ ＭＨｚ 的存儲(chǔ)器總線和靈活的存儲(chǔ)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(jì)提供較高的存儲(chǔ)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(yùn)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、８ ＭＢ的ＦＬＡＳＨ、１０ ｂａｓｅＴ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－１１１０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ｌｉｎｕｘ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

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(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)模地寫代碼，可采用條件編譯的方法。同時(shí)由于ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)對應(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，因此要求對其進(jìn)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(shí)時(shí)有名管道（ＦＩＦＯ）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，因而可以大大減少由于內(nèi)存翻頁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Ｌｉｎｕｘ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)用程序請求的數(shù)據(jù)；

●檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

（４）開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)ＪＦＦＳ

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(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(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：

●ＪＦＦＳ２ 在扇區(qū)級(jí)別上執(zhí)行閃存擦除／寫／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)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ＪＦＦＳ２則可以隨時(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Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)就構(gòu)造完成了。構(gòu)造后的Ｌｉｎｕｘ包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和文件管理等三部分。它支持多任務(wù)并行，有完整的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，同時(shí)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(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－Ｓｙｓｔｅｍ公司的ＤＯＣ２０００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Ｌｉｎｕｘ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

如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心，因此,用工控系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化已是一種必然的趨勢。而把嵌入式ｌｉｎｕｘ微處理器內(nèi)核嵌入到基于ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ ＳＡ１１１０ 的３２位ＭＣＵ系統(tǒng)中，然后通過構(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，再利用嵌入式操作系統(tǒng)對底層硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，以及對工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的ｌｉｎ-ｕｘ內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機(jī)制進(jìn)行改造，即可保證測控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性和可靠性?？梢灶A(yù)見，這種方案在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，而且具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。