μClinux下SDRAM數(shù)據(jù)交換區(qū)的生成和使用

    摘要：提出在μClinux操作系統(tǒng)下，用Motorola公司的Cold Fire 5307型32位控制器為CPU的嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的SDRAM開辟數(shù)據(jù)交換區(qū)的思想和解決方案。

    關(guān)鍵詞：μClinux 嵌入式系統(tǒng) SDRAM 數(shù)據(jù)交換區(qū)

引言

數(shù)據(jù)交換區(qū)是指程序執(zhí)行中使用到的各種數(shù)據(jù)所存放的內(nèi)存空間。本文提出了在μClinux操作系統(tǒng)下為嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開辟數(shù)據(jù)交換萄思想和解決方案。嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項目的開發(fā)目的是構(gòu)建一個以Client/Server模式工作的工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其前端是一個嵌入式服務(wù)器，它安裝在工業(yè)現(xiàn)場，可以與三菱PLC組成的控制系統(tǒng)接口，對該系統(tǒng)實施實時監(jiān)控。其中數(shù)據(jù)交換區(qū)部分起到承上啟下的樞紐作用，向上負(fù)責(zé)對客戶端交互現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以Motorola公司的32位控制器Cold Fire5307為CPU，使用2個現(xiàn)代公司的HY57V641620型（4M×16bit）的SDRAM拼成4M×32位的SDRAM，使系統(tǒng)具有16 bytes的RAM空間。

1 μClinux操作系統(tǒng)

系統(tǒng)選取μClinux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，為有2個SDRAM（4M×16bit）的嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開辟數(shù)據(jù)交換區(qū)。

Cold Fire 5307微處理器上可以運行很多操作系統(tǒng)，但是可以說μClinux是最合適、性價比最高的操作系統(tǒng)。目前商用的實時操作系統(tǒng)，如VxWorks和Nuclesus等價格比較昂貴，而且需要附加的C編譯器和相關(guān)的調(diào)試工具。而μCOS等免費的實時操作系統(tǒng)又沒有很好的文件系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的支持，就嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的應(yīng)用特點而言，μClinux內(nèi)核采用模塊化設(shè)計，很多功能塊可以獨立地加載或卸載，在設(shè)計內(nèi)核時可以把這些內(nèi)核模塊作為可選項，編譯系統(tǒng)內(nèi)核時指定。一種較通用的做法是對μClinux內(nèi)核重新編譯，在編譯時仔細(xì)的選擇嵌入式系統(tǒng)所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能模塊。通過對內(nèi)核的重新配置，可以使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小，從而縮減需要的控制器RAM和ROM資源。

μClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別在于內(nèi)存管理，對SDRAM數(shù)據(jù)交換區(qū)的管理就屬于內(nèi)存管理范疇。標(biāo)準(zhǔn)Linux使用虛擬存儲器技術(shù)，對于μClinux來說，其設(shè)計針對沒有MMU（memory management unit）的處理器。但μClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應(yīng)用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上μClinux采用實存儲器管理策略（real memory management）。μClinux系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。μClinux對內(nèi)存的管理從編譯內(nèi)核開始，從而系統(tǒng)將在啟動的初始化階段對內(nèi)存進行分頁，并且標(biāo)記已使用的和未使用的內(nèi)存。系統(tǒng)將在運行應(yīng)用時使用這些分布內(nèi)存。另外由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內(nèi)核以及其他用戶程序在一個地址空間，程序開發(fā)時要保證不侵犯其他程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統(tǒng)的正常工作，或?qū)е缕渌绦虻倪\行異常。

2 數(shù)據(jù)交換區(qū)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)采用Motorola公司的Cold Fire 5307型32位控制電路為CPU，用2個現(xiàn)代公司的HY57V641620型的SDRAM（4M×16bit）拼成4M×32位的SDRAM，使系統(tǒng)具有16M bytes的RAM空間。

Clod Fire系列微處理器是Motorola公司繼其M68K系列微處理器之后推出的新一代內(nèi)核的32位高位能嵌入式微處理器。Clod Fire系列微處理器繼承了M68K系列優(yōu)秀的指令集設(shè)計和CISC架構(gòu)的優(yōu)點，融入了RISC架構(gòu)，在速度和架構(gòu)之間得到了很好的平衡。Cold Fire 5307型微處理器運行在外部總線時鐘45MHz，內(nèi)部總線時鐘90MHz，速率可達(dá)75MIPS。

與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保存數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性。因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用于程序的運行空間、數(shù)據(jù)交換區(qū)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運行 ，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SDRAM具有單位空間存儲容量大價格便宜的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容器，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新（充電）。

嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項目中的數(shù)據(jù)交換區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)交換匹配置文件生成。向上負(fù)責(zé)與客戶端交互現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實時數(shù)據(jù)。每個SDRAM由4M×16bit的內(nèi)部Bank組成，這個Bank的選擇由SDRAM外部引腳BA0和BA1來完成，筆者將BA0和BA1都連接在Cold Fire 5307的高端地址線上；其他信號和Cold Fire 5307都一一對應(yīng)。UDQM和LDQM是SDRAM的高低字節(jié)片選信號，因為每個SDRAM都是16位架構(gòu)，所以將二片SDRAM拼成32位時，除數(shù)據(jù)線和這二個片選信號之外，其他信號線對二個SDRA來說都是共用的。這二個信號分別接Cold Fire 5307的CAS0、CAS1和CAS2、CAS3。SDRAM與MCF5307的連接如圖1所示。

Cold Fire 5307可以支持二個Bank的SDRAM，在本系統(tǒng)中只使用了第一個Bank，另外一個Bank的控制信號懸空不使用。其中，SDRAM和FlashRom以及其他外設(shè)一同使用32位數(shù)據(jù)總線D0-D31；SDRAM映射到內(nèi)部物理地址，但是因為SDRAM的特殊性，并不需要所有的地址線信號A0-A31，而是使用其中一部分信號線，這個地址映射的工作由DRAM控制器來完成；RAS0-RAS1是Bank片選信號，本設(shè)計中只使用RAS0來片選所使用的SDRAM Bank；CAS0-CAS3是SDRAM 32位數(shù)據(jù)線中4個8位數(shù)據(jù)線（Byte）獨立的片選信號；SCAS和SRAS分別是SDRAM的行、列地址鎖存信號；DRAMW是DRAM寫信號；BCLK0是系統(tǒng)時鐘輸出，連接到SDRAM的時鐘輸入引腳CLK端；SCKE是SDRAM時鐘使能信號，來使能輸入給SDRAM的時鐘信號，高電平時SDRAM自動進入休眠狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)交換區(qū)軟件實現(xiàn)

服務(wù)器依據(jù)數(shù)據(jù)交換區(qū)配置文件生成設(shè)備數(shù)據(jù)交換區(qū)。

服務(wù)器進入運行模式之后，首先檢查生成數(shù)據(jù)交換區(qū)與底層緩沖區(qū)的配置文件是否存在。如果不存在則打印錯誤信息，存在則依據(jù)配置文件在系統(tǒng)SDRAM區(qū)開辟數(shù)據(jù)交換區(qū)與底層緩沖區(qū)。接著系統(tǒng)檢查PLC通信協(xié)議交換是否存在，不存在則打印錯誤信息，存在則將COM2口置為PLC通信端口。一切就緒之后，系統(tǒng)啟動任務(wù)調(diào)度完成各種任務(wù)。

數(shù)據(jù)交換區(qū)生成及使用流程圖如圖2所示，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)生成子程序流程如圖3所示。

在2.4片μClinux內(nèi)核中，內(nèi)核引導(dǎo)時，通過訪問系統(tǒng)所有的物理內(nèi)存，然后調(diào)用各個子系統(tǒng)的初始化函數(shù)進行初始化，允許初始化代碼分配私有的緩沖區(qū)，并減少了留給常規(guī)系統(tǒng)操作的RAM數(shù)量。在2.4版μClinux內(nèi)核中，這種分配通過調(diào)用下列函數(shù)之一進行：

#include<linux/boot mem.h>

void*alloc_bootmem(unsigned long size);

void*alloc_bootmem_low(unsigned long size);

void*alloc_bootmem_low-pages(unsignedlong size);

分配內(nèi)存空間所使用的函數(shù)調(diào)用如下：

函數(shù)malloc和calloc都用于分配動態(tài)內(nèi)存空間的函數(shù)。

函數(shù)malloc的參考size表示申請分配的內(nèi)存空間的大小，以字節(jié)計算；

函數(shù)calloc的參數(shù)nmemb表示分配的內(nèi)存空間占的數(shù)據(jù)項數(shù)目。參數(shù)size表示每一個數(shù)據(jù)項的大小，以字節(jié)計算。也就是說，calloc函數(shù)分配大小為nmemb*size大小的內(nèi)存空間。

Calloc函數(shù)與malloc函數(shù)最大的區(qū)別是calloc函數(shù)被初始化所分配的內(nèi)存空間，把所有位置為0。調(diào)用成功時，malloc函數(shù)為calloc函數(shù)的返回值都為被分配的內(nèi)存空間的指針；調(diào)用失敗時，返回值為NULL。動態(tài)內(nèi)存被釋放。

在C語言中，指針是處理許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。沒有指針，也許根據(jù)不能使用動態(tài)內(nèi)存的諸多特性。在編寫程序的時候，它允許程序員建立復(fù)雜的內(nèi)存系統(tǒng)。提高了處理未知內(nèi)容或者類型數(shù)據(jù)的靈活性。在C中還有一點對字符串處理和數(shù)據(jù)的輸入輸出很重要。對指針的徹底了解有助于我們寫出更好、更高效的代碼。

如果使用一種算法不夠，鏈表可以解決這個問題。當(dāng)從未知大小的數(shù)據(jù)塊中讀入數(shù)據(jù)時，用戶不得不把數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中。這是因為處理讀入數(shù)據(jù)的函數(shù)必須把數(shù)據(jù)讀到一塊一定大小的內(nèi)存中。在讀入以后，必須找到一種接合分離數(shù)據(jù)的辦法。一般使用fgets()把數(shù)據(jù)讀到n個字節(jié)大小的內(nèi)存中。緩沖區(qū)是n+1個字節(jié)大，但是請注意必須使用1個字節(jié)放結(jié)束標(biāo)記。然后使用了一簡單的鏈表保存數(shù)據(jù)。這個鏈表中一個特殊項：一個名為iscontinuing的整型變量。如果這個變量有值，表示當(dāng)前結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)不是字符串最后的部分，最后的部分將包含在以后的結(jié)構(gòu)后。這個變量再把數(shù)據(jù)從內(nèi)存中調(diào)出來，重新組裝的時候使用。

還有一種更明智的保存數(shù)據(jù)的方法。逐步處理數(shù)據(jù)直到達(dá)到數(shù)據(jù)末尾。首先要修改的是結(jié)構(gòu)的定義。在結(jié)構(gòu)中包含字符串。在結(jié)構(gòu)中定義一個指針，指向動態(tài)申請的內(nèi)存區(qū)域。這樣做的好處是，字符串可以很長。

現(xiàn)在產(chǎn)生輸出的代碼更簡單了。它做的所有的事情就是計算和顯示。不再需要合并字符串。因為已經(jīng)被合并。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)交換區(qū)的生成和使用對嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器項目尤為重要，它是WEB服務(wù)器正常運行的先決條件，起到承上啟下的樞紐作用。向上負(fù)責(zé)對客戶端交互現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，向下負(fù)責(zé)與接口緩沖區(qū)交互設(shè)備實時數(shù)據(jù)。目前，該部分設(shè)計工作已經(jīng)完成，并在試運行期間情況良好，達(dá)到預(yù)期效果。