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)功能要求也越來(lái)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(guò)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(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。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" title="實(shí)時(shí)性">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)" title="嵌入式系統(tǒng)">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(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(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(kāi)始,已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)" title="嵌入式操作系統(tǒng)">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(kāi)發(fā)者的積極性,。嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡(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),,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(shì)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,。
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" title="應(yīng)用程序">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(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(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),很可能發(fā)展成為未來(lái)嵌入式設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源,。Linux與生俱來(lái)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(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(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,,程序就被下載了,。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,,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(lái)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)" title="文件系統(tǒng)">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(pán)。用閃存來(lái)擺脫系統(tǒng)對(duì)一個(gè)磁盤(pán)的需求(依賴)具有DiskOnChip技術(shù)以及CmopactFlash卡等方式,。
用來(lái)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(lái)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。
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(lái)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,,并可通過(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(guò)串口向上位機(jī)傳輸,也可以通過(guò)以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Inernet發(fā)布,,用戶還可通過(guò)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ApachePHPMySQL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(kāi)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(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。
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(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的基礎(chǔ),,整個(gè)開(kāi)發(fā)板可基于IntelR 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(duì)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(kāi)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(duì)linux進(jìn)行裁減設(shè)計(jì)。在裁剪過(guò)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,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(guò)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(guò)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(xiě)代碼,可采用條件編譯的方法,。同時(shí)由于linux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(guò)POSIX,,二是通過(guò)底層編程,。筆者是通過(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)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)。
(3)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)
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)則進(jìn)行編寫(xiě)。編寫(xiě)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(kāi)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(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,。JFFS2 是專門(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,,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(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)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(xiě)回整個(gè)扇區(qū),。而JFFS2則可以隨時(shí)更改需要的(不是重寫(xiě))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(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,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(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(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí),就可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)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)布模塊等等,。
結(jié)束語(yǔ)
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(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化已是一種必然的趨勢(shì),。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(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,,再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,,以及對(duì)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(cè)控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性和可靠性,??梢灶A(yù)見(jiàn),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(kāi)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),。