摘要：針對嵌入網絡設備的應用特點，介紹了嵌入式linux的主要技術及在工業(ye) 控製領域的應用方法。結合硬件平台詳細說明了嵌入式linux係統的主要實現方法　同時也簡要介紹了該嵌入式係統的實時內(nei) 核、內(nei) 存機製和文件係統的設計等內(nei) 容。

　　關(guan) 鍵詞：嵌入式係統；嵌入式linux；工業(ye) 控製

　　1　前言

　　隨著Internet的飛速發展，網絡應用越來越廣泛，對各種工業(ye) 控製設備的網絡功能要求也越來越高。當前的要求是希望工業(ye) 控製設備能夠支持TCP/IP以及Internet其它協議，從(cong) 而能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設備狀態、設置設備參數，或者將設備采集到的數據通過網絡傳(chuan) 送到Window或Unix／Linux服務器上的數據庫中。這就要求工控係統必須具備兩(liang) 方麵的功能：一是要在現場完成複雜的測控任務，因為(wei) 通常一些任務都具有一定的實時性要求；二是要求測控係統能夠與(yu) 某一類型的控製網相連，以實現遠程監控。在目前應用的大多數測控係統中，嵌入式係統的硬件采用的是8/16位單片機；軟件多采用匯編語言編程，由於(yu) 這些程序僅(jin) 包含一些簡單的循環處理控製流程。因此，單片機與(yu) 單片機或上位機之間的通信通常通過RS232、RS485來組網。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差、開發困難等問題。工業(ye) 以太網已逐步完善，在工業(ye) 控製領域獲得越來越多的應用。工業(ye) 以太網使用的是TCP/IP協議，因而便於(yu) 聯網，並具有高速控製網絡的優(you) 點。

　　現在,32位嵌入式CPU價(jia) 格的下降和性能指標的提高，為(wei) 嵌入式係統的廣泛應用提供了可能。那麽(me) ，限製嵌入式係統發展的瓶頸就突出地表現在軟件方麵。盡管從(cong) 上世紀八十年代末開始，已經陸續出現了一些嵌入式操作係統（比較著名的有Vxwork、Psos、Neculeuus和windows ces等），但這些專(zhuan) 用操作係統都是商業(ye) 化產(chan) 品，其高昂的價(jia) 格使許多生產(chan) 低端產(chan) 品的小公司望而卻步；而且，源代碼的封閉性也大大限製了開發者的積極性。嵌入式係統需要的是一套高度簡練、界麵友善、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務，並且價(jia) 格低廉的操作係統。如今，業(ye) 界已經達成共識：即嵌入式linux是大勢所趨。 嵌入式linux操作係統以價(jia) 格低廉、功能強大、易於(yu) 移植等特點而正在被廣泛采用，並已成為(wei) 一種新興(xing) 力量。

　　2　嵌入式linux技術

　　嵌入式linux是按照嵌入式操作係統的要求而設計的一種小型操作係統，它由一個(ge) Kernel（內(nei) 核）及一些根據需要進行定製的係統模塊組成。Kernel一般隻有幾百ｋＢ左右，即使加上其它必須的模塊和應用程序，所需的存儲(chu) 空間也很小。它具有多任務、多進程的係統特征，有些還具有實時性。一個(ge) 小型的嵌入式linux係統隻需要引導程序、linux微內(nei) 核、初始化進程3個(ge) 基本元素。運行嵌入式linux的ＣＰＵ可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PCC等。與(yu) 這些芯片搭配的主板都很小，通常隻有一張PIC卡大小，有的甚至更小。嵌入式linux所需的存儲(chu) 器不是軟磁盤、硬盤、Zip盤、CD-ROM、DVD這些眾(zhong) 所周知的常規存儲(chu) 器，它主要使用Rom、Compactflash、M-Systems和Diskonchip、Sony的Momerystick、IBM的Microdrive等體(ti) 積極小（與(yu) 主板上的BOIS大小相近），且存儲(chu) 容量不太大的存儲(chu) 器。它的內(nei) 存可以使用普通的內(nei) 存，也可以使用專(zhuan) 用的RAM。

　　與(yu) 其它嵌入式操作係統相比，Linux的源代碼是開放的，不存在黑箱技術。Linux作為(wei) 一種可裁剪的軟件平台係統，很可能發展成為(wei) 未來嵌入式設備產(chan) 品的絕佳資源。Linux與(yu) 生俱來的優(you) 秀網絡血統更為(wei) 今後的發展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此，在保持Linux內(nei) 核係統更小、更穩定、更具價(jia) 格競爭(zheng) 力等優(you) 勢的同時，對係統內(nei) 核進行實時性優(you) 化，更加使之能夠適應對工業(ye) 控製領域高實時性的要求。這也正是嵌入式Linux操作係統在嵌入式工控係統中的發展所在。同時也使Linux成為(wei) 嵌入式操作係統中的新貴。

　　標準的Linux內(nei) 核通常駐留在內(nei) 存中，每一個(ge) 應用程序都是從(cong) 磁盤運到內(nei) 存上執行。當程序結束後，它所占用的內(nei) 存就被釋放，程序就被下載了。而在一個(ge) 嵌入式係統裏，可能沒有磁盤。有兩(liang) 種途徑可以消除對磁盤的依賴，一是在一個(ge) 簡單的係統裏，當係統啟動後，內(nei) 核和所有的應用程序都存在內(nei) 存裏。這是大多數傳(chuan) 統的嵌入式係統的工作模式，同樣Linux。第二種就是Linux所特有的功能，因為(wei) Linux已經有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個(ge) 嵌入式係統就可以利用它來節省內(nei) 存。一個(ge) 比較典型的係統有大約8MB到16MB的閃存和8MB RAM　而閃存可以被用作文件係統。用閃存驅動程序作為(wei) 從(cong) 閃存到文件係統的界麵就是一種選擇。當然，也可以用一個(ge) 閃存磁盤。用閃存來擺脫係統對一個(ge) 磁盤的需求(依賴)具有Diskonchip技術以及Compactflash卡等方式。

　　用來連接Flashmemory和文件係統的程序都以文件形式存儲(chu) 在Flash文件中，需要時可以裝入內(nei) 存，這種動態的、根據需要加載的能力是支持其它一係列功能的重要特征。它能使初始化代碼在係統引導後被釋放。實際上，Linux同樣還有很多內(nei) 核外運行的公用程序，這些程序通常在初始化時運行一次，以後就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們(men) 相互共有的方式一個(ge) 接一個(ge) 地按順序運行。這樣，相同內(nei) 存空間可以被反複使用以“召入”每一個(ge) 程序，就象係統引導一樣。這樣可以節省內(nei) 存，特別是那些配置一次以後就不再更改的網絡堆棧。如果將Linux可加載模塊的功能包括在內(nei) 核裏，驅動程序和應用程序就都可以被加載。由於(yu) 它可以檢查硬件環境並且為(wei) 硬件裝上相應的軟件，從(cong) 而消除了用一個(ge) 程序占用許多Flashmemory來處理多種硬件的複雜性。另外，軟件的升級更加模塊化，可以在係統運行時在Flash上升級應用程序和加載驅動程序，其配置信息和運行時間參數可以作為(wei) 數據文件儲(chu) 存在Flash中。

　　3 嵌入式工業(ye) 控製網絡的實現方案

　　基於(yu) 嵌入式Linux的工控係統以嵌入式微處理器為(wei) 核心來運行嵌入式Linux操作係統。應用程序可通過網絡進行更新，並可通過鍵盤進行人機對話，數據可通過LCD現場顯示，重要數據可用文件形式保存在Flash等閃存存儲(chu) 器中；數據和報警信息可通過串口向上位機傳(chuan) 輸，也可以通過以太網向工業(ye) 以太網或Internet發布，用戶還可通過網絡實現遠程監控和遠程維護。更為(wei) 關(guan) 鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協議（如：flp，http以及Apache　PHP　MYSQL等應用程序）迅速搭建前台數據采集係統，以實現測控係統和後台管理係統的通訊。這種方式的優(you) 點有：

　　(1)不需專(zhuan) 用的通信線路即可用現成的INTER-NET網絡將數據傳(chuan) 送到任何地方。

　　(2)不僅(jin) 能夠傳(chuan) 遞數據信號，也可以傳(chuan) 遞音頻和圖像信號。

　　(3) 由於(yu) 目前的INTERNET協議是現成和公開的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到隻有600kb的Mosaic瀏覽器都可以對網絡數據進行讀取。

　　4　係統設計

　　4.1 硬件設計

　　嵌入式係統的硬件運行平台是開發應用程序的基礎，整個(ge) 開發板可基於(yu) Intel SA-1110 微處理器架構。#p#分頁標題#e#

　 該硬件針對網絡服務的應用選擇了Intel係列中的strong ARM MCU。strongARM SA-1110是一款高性能、低價(jia) 位、高集成度微處理器。SA-1110芯片內(nei) 部集成有能以206MHZ運行的32 bit inter strong-ARE＊*RISC處理器，以及速度可達100MHZ 的存儲(chu) 器總線和靈活的存儲(chu) 器控製器，可支持SDRAM、 SMROM 以及Variable-latency I/O 設備，並可為(wei) 係統設計提供較高的存儲(chu) 帶寬。由於(yu) SA-1110可以適應較大流量的網絡應用，因而可為(wei) 運行Linux提供硬件上的支持。此外，SA-1110還在開發板上集成有32MB的SDRAM、8MB的FLASH、10BASET以太網接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及擴展ＦFLASH卡存儲(chu) 器等。有關(guan) SA-1110更詳細的資料可參考有關(guan) 資料。

　　4.2 軟件設計

　　嵌入式操作係統是整個(ge) 嵌入式係統的核心。如前麵所述，嵌入式係統在內(nei) 存容量和存儲(chu) 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麵幾種。

　　(1)內(nei) 核的精簡

　　標準Linux是麵向PC的，它集成了許多PC所需要而嵌入式係統並不需要的功能。因此，對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內(nei) 核時，僅(jin) 保留嵌入式係統所需的功能模塊，而刪除不需要的功能塊。這樣，重新編譯過的內(nei) 核就會(hui) 顯著減小。

　　(2)虛擬內(nei) 存機製的屏蔽

　　經過分析發現，虛擬內(nei) 存是導致Linux實時性不強的原因之一。在工業(ye) 控製中，一些任務要滿足一定的實時性要求，屏蔽內(nei) 核的虛擬內(nei) 存管理機製可以增強Linux的實時性。當要更改內(nei) 核的某項機製時，一般不必大規模地寫(xie) 代碼，可采用條件編譯的方法。同時由於(yu) Linux係統對應用進程采用的是公平的時間分配調度算法，但這一算法也不能保證係統的實時性要求，因此要求對其進行更改。更改途徑有兩(liang) 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後順序。實際上，實時有名管道就象實時任務一樣從(cong) 不換頁，因而可以大大減少由於(yu) 內(nei) 存翻頁而造成的不確定延時。

　　(3)設備驅動程序的編寫(xie)

　　確定了內(nei) 核的基本功能後，就要為(wei) 特定的設備編寫(xie) 驅動程序，可按照在Linux下編寫(xie) 驅動程序的規則進行編寫(xie) 。編寫(xie) 的設備驅動程序應當具有以下功能：

　　●對設備進行初始化和釋放；

　　●完成數據從(cong) 內(nei) 核到硬件設備的傳(chuan) 送和從(cong) 硬件讀取數據兩(liang) 項功能；

　　●讀取應用程序傳(chuan) 遞給設備文件的數據以及回送應用程序請求的數據；

　　●檢測和處理設備出現的錯誤。

　　(4)開發基於(yu) 閃存的文件係統JFFS

　　應用程序和重要數據通常以文件的形式被存放在閃存文件係統中。JFFS2 文件係統是日誌結構化的，這意味著它基本上是一長列節點。每個(ge) 節點包含著有關(guan) 文件的部分信息。JFFS2 是專(zhuan) 門為(wei) 象閃存芯片那樣的嵌入式設備創建的，所以它的整個(ge) 設計提供了更好的閃存管理，因而具有其它文件係統不可比擬的優(you) 點。具體(ti) 如下：

　　●JFFS2 在扇區級別上執行閃存擦除／寫(xie) ／讀操作要比 EXT2 文件係統好。

　　●JFFS2提供了比 EXT2FS 更好的崩潰／掉電安全保護。當需要更改少量數據時，EXT2 文件係統會(hui) 將整個(ge) 扇區複製到內(nei) 存(DRAM)中，並在內(nei) 存中合並成新數據再寫(xie) 回整個(ge) 扇區。而JFFS則可以隨時更改需要的（不是重寫(xie) ）整個(ge) 扇區，同時還具有崩潰／掉電安全保護功能。

　　實現上述幾個(ge) 步驟後，一個(ge) 小型的Linux操作係統就構造完成了。構造後的Linux包括進程管理、內(nei) 存管理和文件管理等三部分。它支持多任務並行，有完整的TCP/IP協議，同時Linux內(nei) 建有對以太網控製器的支持，可以通過以太網口連到以太網上，以實現遠程配置與(yu) 監控。

　　將裁剪好的內(nei) 核移植到所用的目標板上時，首先應將內(nei) 核編譯成針對該處理器的目標代碼。由於(yu) 不同硬件體(ti) 係的移植啟動代碼會(hui) 有所不同，因此，一些內(nei) 核程序可能要改寫(xie) 。涉及到編寫(xie) Linux的引導代碼和修改與(yu) 體(ti) 係結構相關(guan) 部分的代碼主要是啟動引導、內(nei) 存管理和中斷處理部分。將M-System公司的DOC2000作為(wei) 係統的啟動設備時，引導代碼可以放在DOC上。這樣　係統加電後，引導代碼即可進行基本的硬件初始化，然後把內(nei) 核映象裝入內(nei) 存並運行, 最後，再將調試好的內(nei) 核和應用程序燒錄到閃存中。由於(yu) 此時裁剪後的Linux已成功移植到目標平台上,因此,在啟動可運行的開發係統時,就可以根據具體(ti) 的應用來開發應用程序。如數據采集模塊、數據處理模塊、通信和數據發布模塊等等。

　　5　結束語

　　如今，互聯網應用正在轉到以嵌入式設備為(wei) 中心，因此,用工控係統與(yu) Internet相結合來實現網絡化已是一種必然的趨勢。而把嵌入式Linux微處理器內(nei) 核嵌入到基於(yu) strongARM SA1110 的32位MCU係統中，然後通過構造TCP/IP多種網絡協議和基本網絡通信協議，再利用嵌入式操作係統對底層硬件和網絡協議的支持，以及對工控係統實時性要求的Linux內(nei) 核和虛擬內(nei) 存機製進行改造，即可保證測控任務完成的實時性和可靠性。可以預見，這種方案在工業(ye) 控製領域具有很好的應用前景，而且具有開發周期短、係統性能穩定可靠、適應性強等特點。