嵌入式linux在工业控制领域中的应用

１　前言

随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持ＴＣＰ／ＩＰ以及其它Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到Ｗｉｎｄｏｗｓ或Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ服务器上的数据库中。这就要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，以实现远程监控。在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用的是８／１６位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程。因此，单片机与单片机或上位机之间的通信通常通过ＲＳ２３２、ＲＳ４８５来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难等问题。工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用的是ＴＣＰ／ＩＰ协议，因而便于联网，并具有高速控制网络的优点。

现在，３２位嵌入式ＣＰＵ价格的下降和性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。那么，限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出地表现在软件方面。尽管从上世纪八十年代末开始，已经陆续出现了一些嵌入式操作系统（比较著名的有Ｖｘｗｏｒｋ、ｐＳＯＳ、Ｎｅｃｕｌｅｕｓ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ等），但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多生产低端产品的小公司望而却步；而且，源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。如今，业界已经达成共识：即嵌入式ｌｉｎｕｘ是大势所趋。 嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植等特点而正在被广泛采用，并已成为一种新兴力量。

２　嵌入式ｌｉｎｕｘ技术

嵌入式Ｌｉｎｕｘ是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统，它由一个Ｋｅｒｎｅｌ（内核）及一些根据需要进行定制的系统模块组成。Ｋｅｒｎｅｌ一般只有几百ｋＢ左右，即使加上其它必须的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。它具有多任务、多进程的系统特征，有些还具有实时性。一个小型的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统只需要引导程序、Ｌｉｎｕｘ微内核、初始化进程３个基本元素。运行嵌入式Ｌｉｎｕｘ的ＣＰＵ可以是ｘ８６、Ａｌｐｈａ、Ｓｐａｒｃ、ＭＩＰＳ、ＰＰＣ等。与这些芯片搭配的主板都很小，通常只有一张ＰＣＩ卡大小，有的甚至更小。嵌入式Ｌｉｎｕｘ所需的存储器不是软磁盘、硬盘、Ｚｉｐ盘、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ这些众所周知的常规存储器，它主要使用Ｒｏｍ、ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ、Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍｓ的ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ、Ｓｏｎｙ的ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ、ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等体积极小（与主板上的ＢＩＯＳ大小相近），且存储容量不太大的存储器。它的内存可以使用普通的内存，也可以使用专用的ＲＡＭ。

与其它嵌入式操作系统相比，Ｌｉｎｕｘ的源代码是开放的，不存在黑箱技术。Ｌｉｎｕｘ作为一种可裁剪的软件平台系统，很可能发展成为未来嵌入式设备产品的绝佳资源。Ｌｉｎｕｘ与生俱来的优秀网络血统更为今后的发展铺平了一条宽广平坦的大路。因此，在保持Ｌｉｎｕｘ内核系统更小、更稳定、更具价格竞争力等优势的同时，对系统内核进行实时性优化，更加使之能够适应对工业控制领域高实时性的要求。这也正是嵌入式ｌｉｎｕｘ操作系统在嵌入式工控系统中的发展所在。同时也使Ｌｉｎｕｘ成为嵌入式操作系统中的新贵。

标准的Ｌｉｎｕｘ内核通常驻留在内存中，每一个应用程序都是从磁盘运到内存上执行。当程序结束后，它所占用的内存就被释放，程序就被下载了。而在一个嵌入式系统里，可能没有磁盘。有两种途径可以消除对磁盘的依赖，一是在一个简单的系统里，当系统启动后，内核和所有的应用程序都存在内存里。这是大多数传统的嵌入式系统的工作模式，同样Ｌｉｎｕｘ。第二种就是ｌｉｎｕｘ所特有的功能，因为Ｌｉｎｕｘ已经有能力“加载”和“卸载”程序，因此，一个嵌入式系统就可以利用它来节省内存。一个比较典型的系统有大约８ＭＢ到１６ＭＢ的闪存和８ＭＢ ＲＡＭ?而闪存可以被用作文件系统。用闪存驱动程序作为从闪存到文件系统的界面就是一种选择。当然，也可以用一个闪存磁盘。用闪存来摆脱系统对一个磁盘的需求(依赖)具有ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ技术以及ＣｍｏｐａｃｔＦｌａｓｈ卡等方式。

用来连接Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ和文件系统的程序都以文件形式存储在Ｆｌａｓｈ文件中，需要时可以装入内存，这种动态的、根据需要加载的能力是支持其它一系列功能的重要特征。它能使初始化代码在系统引导后被释放。实际上，Ｌｉｎｕｘ同样还有很多内核外运行的公用程序，这些程序通常在初始化时运行一次，以后就不再运行。而且，这些公用程序可以用它们相互共有的方式一个接一个地按顺序运行。这样，相同内存空间可以被反复使用以“召入”每一个程序，就象系统引导一样。这样可以节省内存，特别是那些配置一次以后就不再更改的网络堆栈。如果将Ｌｉｎｕｘ可加载模块的功能包括在内核里，驱动程序和应用程序就都可以被加载。由于它可以检查硬件环境并且为硬件装上相应的软件，从而消除了用一个程序占用许多Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ来处理多种硬件的复杂性。另外，软件的升级更加模块化，可以在系统运行时在Ｆｌａｓｈ上升级应用程序和加载驱动程序，其配置信息和运行时间参数可以作为数据文件储存在Ｆｌａｓｈ中。

３ 嵌入式工业控制网络的实现方案

基于嵌入式ｌｉｎｕｘ的工控系统以嵌入式微处理器为核心来运行嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统。应用程序可通过网络进行更新，并可通过键盘进行人机对话，数据可通过ＬＣＤ现场显示，重要数据可用文件形式保存在Ｆｌａｓｈ等闪存存储器中；数据和报警信息可通过串口向上位机传输，也可以通过以太网向工业以太网或Ｉｎｅｒｎｅｔ发布，用户还可通过网络实现远程监控和远程维护。更为关键的是，可充分利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上已有的软件和协议（如：ｆｔｐ，ｈｔｔｐ以及Ａｐａｃｈｅ?ＰＨＰ?ＭｙＳＱＬ等应用程序）迅速搭建前台数据采集系统，以实现测控系统和后台管理系统的通讯。图１所示是这种实现方案的系统框图。这种方式的优点有：

（１）不需专用的通信线路即可用现成的ＩＮＴＥＲ-ＮＥＴ网络将数据传送到任何地方。

（２）不仅能够传递数据信号，也可以传递音频和图像信号。

（３） 由于目前的ＩＮＴＥＲＮＥＴ协议是现成和公开的，因此，利用大到几十兆的 Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＩＥ浏览器，或小到只有６００ｋＢ的Ｍｏｓａｉｃ浏览器都可以对网络数据进行读取。

４　系统设计

４．１ 硬件设计

嵌入式系统的硬件运行平台是开发应用程序的基础，整个开发板可基于ＩｎｔｅｌＲ ＳＡ－１１１０ 微处理器架构。

图２所示是一个嵌入式系统的硬件结构框图。该硬件针对网络服务的应用选择了Ｉｎｔｅｌ系列中的ｓｔｒｏｎｇＡＲＭ ＭＣＵ。ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ ＳＡ－１１１０是一款高性能、低价位、高集成度微处理器。ＳＡ－１１１０芯片内部集成有能以２０６ＭＨｚ运行的３２－ｂｉｔ ＩｎｔｅｌＲ Ｓｔｒｏｎ-ｇＡＲＭ＊ ＲＩＳＣ处理器，以及速度可达１００ ＭＨｚ 的存储器总线和灵活的存储器控制器，可支持ＳＤＲＡＭ、 ＳＭＲＯＭ 以及ｖａｒｉａｂｌｅ－ｌａｔｅｎｃｙ Ｉ／Ｏ 设备，并可为系统设计提供较高的存储带宽。由于ＳＡ－１１１０可以适应较大流量的网络应用，因而可为运行Ｌｉｎｕｘ提供硬件上的支持。此外，ＳＡ－１１１０还在开发板上集成有３２ＭＢ的ＳＤＲＡＭ、８ ＭＢ的ＦＬＡＳＨ、１０ ｂａｓｅＴ以太网接口、ＲＳ２３２／ＲＳ４８５串口、Ｉ／Ｏ接口以及扩展ＦＬＡＳＨ卡存储器等。有关ＳＡ－１１１０更详细的资料可参考有关资料。

４．２ 软件设计

嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。如前面所述，嵌入式系统在内存容量和存储容量不足的情况下，必须对ｌｉｎｕｘ进行裁减设计。在裁剪过程中，所涉及的主要技术有下面几种。

（１）内核的精简

标准Ｌｉｎｕｘ是面向ＰＣ的，它集成了许多ＰＣ所需要而嵌入式系统并不需要的功能。因此，对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅保留嵌入式系统所需的功能模块，而删除不需要的功能块。这样，重新编译过的内核就会显著减小。

（２）虚拟内存机制的屏蔽

经过分析发现，虚拟内存是导致Ｌｉｎｕｘ实时性不强的原因之一。在工业控制中，一些任务要满足一定的实时性要求，屏蔽内核的虚拟内存管理机制可以增强Ｌｉｎｕｘ的实时性。当要更改内核的某项机制时，一般不必大规模地写代码，可采用条件编译的方法。同时由于ｌｉｎｕｘ系统对应用进程采用的是公平的时间分配调度算法，但这一算法也不能保证系统的实时性要求，因此要求对其进行更改。更改途径有两种：一是通过ＰＯＳＩＸ，二是通过底层编程。笔者是通过ｌｉｎｕｘ的实时有名管道（ＦＩＦＯ）的特殊队列来处理实时任务的先后顺序。实际上，实时有名管道就象实时任务一样从不换页，因而可以大大减少由于内存翻页而造成的不确定延时。

图３给出了Ｌｉｎｕｘ的工作原理框图。

（３）设备驱动程序的编写

确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序，可按照在Ｌｉｎｕｘ下编写驱动程序的规则进行编写。编写的设备驱动程序应当具有以下功能：

●对设备进行初始化和释放；

●完成数据从内核到硬件设备的传送和从硬件读取数据两项功能；

●读取应用程序传递给设备文件的数据以及回送应用程序请求的数据；

●检测和处理设备出现的错误。

（４）开发基于闪存的文件系统ＪＦＦＳ

应用程序和重要数据通常以文件的形式被存放在闪存文件系统中。ＪＦＦＳ２ 文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含着有关文件的部分信息。ＪＦＦＳ２ 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理，因而具有其它文件系统不可比拟的优点。具体如下：

●ＪＦＦＳ２ 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比 Ｅｘｔ２ 文件系统好。

●ＪＦＦＳ２ 提供了比 Ｅｘｔ２ｆｓ 更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ｅｘｔ２ 文件系统会将整个扇区复制到内存（ＤＲＡＭ）中，并在内存中合并成新数据再写回整个扇区。而ＪＦＦＳ２则可以随时更改需要的（不是重写）整个扇区，同时还具有崩溃／掉电安全保护功能。

实现上述几个步骤后，一个小型的Ｌｉｎｕｘ操作系统就构造完成了。构造后的Ｌｉｎｕｘ包括进程管理、内存管理和文件管理等三部分。它支持多任务并行，有完整的ＴＣＰ／ＩＰ协议，同时Ｌｉｎｕｘ内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连到以太网上，以实现远程配置与监控。

将裁剪好的内核移植到所用的目标板上时，首先应将内核编译成针对该处理器的目标代码。由于不同硬件体系的移植启动代码会有所不同，因此，一些内核程序可能要改写。涉及到编写Ｌｉｎｕｘ的引导代码和修改与体系结构相关部分的代码主要是启动引导、内存管理和中断处理部分。将Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍ公司的ＤＯＣ２０００作为系统的启动设备时，引导代码可以放在ＤＯＣ上。这样?系统加电后，引导代码即可进行基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存并运行,最后，再将调试好的内核和应用程序烧录到闪存中。由于此时裁剪后的Ｌｉｎｕｘ已成功移植到目标平台上,因此,在启动可运行的开发系统时,就可以根据具体的应用来开发应用程序。如数据采集模块、数据处理模块、通信和数据发布模块等等。

５　结束语

如今，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心，因此,用工控系统与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相结合来实现网络化已是一种必然的趋势。而把嵌入式ｌｉｎｕｘ微处理器内核嵌入到基于ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ ＳＡ１１１０ 的３２位ＭＣＵ系统中，然后通过构造ＴＣＰ／ＩＰ多种网络协议和基本网络通信协议，再利用嵌入式操作系统对底层硬件和网络协议的支持，以及对工控系统实时性要求的ｌｉｎ-ｕｘ内核和虚拟内存机制进行改造，即可保证测控任务完成的实时性和可靠性。可以预见，这种方案在工业控制领域具有很好的应用前景，而且具有开发周期短、系统性能稳定可靠、适应性强等特点。