嵌入式linux在工業(yè)控制領域中的應用

１　前言

隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡應用越來越廣泛，對各種工業(yè)控制設備的網(wǎng)絡功能要求也越來越高。當前的要求是希望工業(yè)控制設備能夠支持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備狀態(tài)、設置設備參數(shù)，或者將設備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到Ｗｉｎｄｏｗｓ或Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ服務器上的數(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)場完成復雜的測控任務，因為通常一些任務都具有一定的實時性要求；二是要求測控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。在目前應用的大多數(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；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，單片機與單片機或上位機之間的通信通常通過ＲＳ２３２、ＲＳ４８５來組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡存在通信速度慢、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)控制領域獲得越來越多的應用。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)絡的優(yōu)點。

現(xiàn)在，３２位嵌入式ＣＰＵ價格的下降和性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能。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、應用廣泛、易開發(fā)、多任務，并且價格低廉的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達成共識：即嵌入式ｌｉｎｕｘ是大勢所趨。 嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大、易于移植等特點而正在被廣泛采用，并已成為一種新興力量。

２　嵌入式ｌｉｎｕｘ技術

嵌入式Ｌｉｎｕｘ是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設計的一種小型操作系統(tǒng)，它由一個Ｋｅｒｎｅｌ（內(nèi)核）及一些根據(jù)需要進行定制的系統(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用程序，所需的存儲空間也很小。它具有多任務、多進程的系統(tǒng)特征，有些還具有實時性。一個小型的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)只需要引導程序、Ｌｉｎｕｘ微內(nèi)核、初始化進程３個基本元素。運行嵌入式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），且存儲容量不太大的存儲器。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。Ｌｉｎｕｘ作為一種可裁剪的軟件平臺系統(tǒng)，很可能發(fā)展成為未來嵌入式設備產(chǎn)品的絕佳資源。Ｌｉｎｕｘ與生俱來的優(yōu)秀網(wǎng)絡血統(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、更具價格競爭力等優(yōu)勢的同時，對系統(tǒng)內(nèi)核進行實時性優(yōu)化，更加使之能夠適應對工業(yè)控制領域高實時性的要求。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。同時也使Ｌｉｎｕｘ成為嵌入式操作系統(tǒng)中的新貴。

標準的Ｌｉｎｕｘ內(nèi)核通常駐留在內(nèi)存中，每一個應用程序都是從磁盤運到內(nèi)存上執(zhí)行。當程序結束后，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，一是在一個簡單的系統(tǒng)里，當系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核和所有的應用程序都存在內(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，因為Ｌｉｎｕｘ已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來節(jié)省內(nèi)存。一個比較典型的系統(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)動程序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面就是一種選擇。當然，也可以用一個閃存磁盤。用閃存來擺脫系統(tǒng)對一個磁盤的需求(依賴)具有ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ技術以及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在Ｆｌａｓｈ文件中，需要時可以裝入內(nèi)存，這種動態(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)引導后被釋放。實際上，Ｌｉｎｕｘ同樣還有很多內(nèi)核外運行的公用程序，這些程序通常在初始化時運行一次，以后就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式一個接一個地按順序運行。這樣，相同內(nèi)存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序，就象系統(tǒng)引導一樣。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)絡堆棧。如果將Ｌｉｎｕｘ可加載模塊的功能包括在內(nèi)核里，驅(qū)動程序和應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的軟件，從而消除了用一個程序占用許多Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ來處理多種硬件的復雜性。另外，軟件的升級更加模塊化，可以在系統(tǒng)運行時在Ｆｌａｓｈ上升級應用程序和加載驅(qū)動程序，其配置信息和運行時間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲存在Ｆｌａｓｈ中。

３ 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡的實現(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行嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)。應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新，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Ｉｎｅｒｎｅｔ發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程維護。更為關鍵的是，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。圖１所示是這種實現(xiàn)方案的系統(tǒng)框圖。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)絡數(shù)據(jù)進行讀取。

４　系統(tǒng)設計

４．１ 硬件設計

嵌入式系統(tǒng)的硬件運行平臺是開發(fā)應用程序的基礎，整個開發(fā)板可基于ＩｎｔｅｌＲ ＳＡ－１１１０ 微處理器架構。

圖２所示是一個嵌入式系統(tǒng)的硬件結構框圖。該硬件針對網(wǎng)絡服務的應用選擇了Ｉｎｔｅｌ系列中的ｓｔｒｏｎｇＡＲＭ 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 ＩｎｔｅｌＲ Ｓｔｒｏｎ-ｇＡＲＭ＊ ＲＩＳＣ處理器，以及速度可達１００ ＭＨｚ 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 設備，并可為系統(tǒng)設計提供較高的存儲帶寬。由于ＳＡ－１１１０可以適應較大流量的網(wǎng)絡應用，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、８ ＭＢ的ＦＬＡＳＨ、１０ ｂａｓｅＴ以太網(wǎng)接口、ＲＳ２３２／ＲＳ４８５串口、Ｉ／Ｏ接口以及擴展ＦＬＡＳＨ卡存儲器等。有關ＳＡ－１１１０更詳細的資料可參考有關資料。

４．２ 軟件設計

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進行裁減設計。在裁剪過程中，所涉及的主要技術有下面幾種。

（１）內(nèi)核的精簡

標準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。

（２）虛擬內(nèi)存機制的屏蔽

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內(nèi)存是導致Ｌｉｎｕｘ實時性不強的原因之一。在工業(yè)控制中，一些任務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的先后順序。實際上，實時有名管道就象實時任務一樣從不換頁，因而可以大大減少由于內(nèi)存翻頁而造成的不確定延時。

圖３給出了Ｌｉｎｕｘ的工作原理框圖。

（３）設備驅(qū)動程序的編寫

確定了內(nèi)核的基本功能后，就要為特定的設備編寫驅(qū)動程序，可按照在Ｌｉｎｕｘ下編寫驅(qū)動程序的規(guī)則進行編寫。編寫的設備驅(qū)動程序應當具有以下功能：

●對設備進行初始化和釋放；

●完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核到硬件設備的傳送和從硬件讀取數(shù)據(jù)兩項功能；

●讀取應用程序傳遞給設備文件的數(shù)據(jù)以及回送應用程序請求的數(shù)據(jù)；

●檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。

（４）開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)ＪＦＦＳ

應用程序和重要數(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)是日志結構化的，這意味著它基本上是一長列節(jié)點。每個節(jié)點包含著有關文件的部分信息。ＪＦＦＳ２ 是專門為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創(chuàng)建的，所以它的整個設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。具體如下：

●ＪＦＦＳ２ 在扇區(qū)級別上執(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。當需要更改少量數(shù)據(jù)時，Ｅｘｔ２ 文件系統(tǒng)會將整個扇區(qū)復制到內(nèi)存（ＤＲＡＭ）中，并在內(nèi)存中合并成新數(shù)據(jù)再寫回整個扇區(qū)。而ＪＦＦＳ２則可以隨時更改需要的（不是重寫）整個扇區(qū)，同時還具有崩潰／掉電安全保護功能。

實現(xiàn)上述幾個步驟后，一個小型的Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)就構造完成了。構造后的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板上時，首先應將內(nèi)核編譯成針對該處理器的目標代碼。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的引導代碼和修改與體系結構相關部分的代碼主要是啟動引導、內(nèi)存管理和中斷處理部分。將Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍ公司的ＤＯＣ２０００作為系統(tǒng)的啟動設備時，引導代碼可以放在ＤＯＣ上。這樣?系統(tǒng)加電后，引導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)具體的應用來開發(fā)應用程序。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　結束語

如今，互聯(lián)網(wǎng)應用正在轉到以嵌入式設備為中心，因此,用工控系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相結合來實現(xiàn)網(wǎng)絡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，然后通過構造ＴＣＰ／ＩＰ多種網(wǎng)絡協(xié)議和基本網(wǎng)絡通信協(xié)議，再利用嵌入式操作系統(tǒng)對底層硬件和網(wǎng)絡協(xié)議的支持，以及對工控系統(tǒng)實時性要求的ｌｉｎ-ｕｘ內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機制進行改造，即可保證測控任務完成的實時性和可靠性?？梢灶A見，這種方案在工業(yè)控制領域具有很好的應用前景，而且具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、適應性強等特點。