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                   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控制領域的應用方法。結合硬件平臺詳細說明了嵌入式linux系統的主要實現方法同時也簡要介紹了該嵌入式系統的實時內核、內存機制和文件系統的設計等內容。

    關鍵詞：嵌入式系統；嵌入式linux；工業控制

１　前言
    隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的飛速發展，網絡應用越來越廣泛，對各種工業控制設備的網絡功能要求也越來越高。當前的要求是希望工業控制設備能夠支持ＴＣＰ／ＩＰ以及其它Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協議，從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送到Ｗｉｎｄｏｗｓ或Ｕｎｉｘ／Ｌｉｎｕｘ服務器上的數據庫中。這就要求工控系統必須具備兩方面的功能：一是要在現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；二是要求測控系統能夠與某一類型的控制網相連，以實現遠程監控。在目前應用的大多數測控系統中，嵌入式系統的硬件采用的是８／１６位單片機；軟件多采用匯編語言編程，由于這些程序僅包含一些簡單的循環處理控制流程。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。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差、開發困難等問題。工業以太網已逐步完善，在工業控制領域獲得越來越多的應用。工業以太網使用的是ＴＣＰ／ＩＰ協議，因而便于聯網，并具有高速控制網絡的優點。

    現在，３２位嵌入式ＣＰＵ價格的下降和性能指標的提高，為嵌入式系統的廣泛應用提供了可能。那么，限制嵌入式系統發展的瓶頸就突出地表現在軟件方面。盡管從上世紀八十年代末開始，已經陸續出現了一些嵌入式操作系統（比較著名的有Ｖｘｗｏｒｋ、ｐＳＯＳ、Ｎｅｃｕｌｅｕｓ和Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ等），但這些專用操作系統都是商業化產品，其高昂的價格使許多生產低端產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者的積極性。嵌入式系統需要的是一套高度簡練、界面友善、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務，并且價格低廉的操作系統。如今，業界已經達成共識：即嵌入式ｌｉｎｕｘ是大勢所趨。 嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統以價格低廉、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的要求而設計的一種小型操作系統，它由一個Ｋｅｒｎｅｌ（內核）及一些根據需要進行定制的系統模塊組成。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、多進程的系統特征，有些還具有實時性。一個小型的嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統只需要引導程序、Ｌｉｎｕｘ微內核、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存儲器，它主要使用Ｒｏｍ、ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ、Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍｓ的ＤｉｓｋＯｎＣｈｉｐ、Ｓｏｎｙ的ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ、ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等體積極小（與主板上的ＢＩＯＳ大小相近），且存儲容量不太大的存儲器。它的內存可以使用普通的內存，也可以使用專用的ＲＡＭ。

    與其它嵌入式操作系統相比，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，很可能發展成為未來嵌入式設備產品的絕佳資源。Ｌｉｎｕｘ與生俱來的優秀網絡血統更為今后的發展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此，在保持Ｌｉｎｕｘ內核系統更小、更穩定、更具價格競爭力等優勢的同時，對系統內核進行實時性優化，更加使之能夠適應對工業控制領域高實時性的要求。這也正是嵌入式ｌｉｎｕｘ操作系統在嵌入式工控系統中的發展所在。同時也使Ｌｉｎｕｘ成為嵌入式操作系統中的新貴。

    標準的Ｌｉｎｕｘ內核通常駐留在內存中，每一個應用程序都是從磁盤運到內存上執行。當程序結束后，它所占用的內存就被釋放，程序就被下載了。而在一個嵌入式系統里，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里，當系統啟動后，內核和所有的應用程序都存在內存里。這是大多數傳統的嵌入式系統的工作模式，同樣Ｌｉｎｕｘ。第二種就是ｌｉｎｕｘ所特有的功能，因為Ｌｉｎｕｘ已經有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個嵌入式系統就可以利用它來節省內存。一個比較典型的系統有大約８ＭＢ到１６ＭＢ的閃存和８ＭＢ ＲＡＭ而閃存可以被用作文件系統。用閃存驅動程序作為從閃存到文件系統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和文件系統的程序都以文件形式存儲在Ｆｌａｓｈ文件中，需要時可以裝入內存，這種動態的、根據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引導后被釋放。實際上，Ｌｉｎｕｘ同樣還有很多內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，相同內存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序，就象系統引導一樣。這樣可以節省內存，特別是那些配置一次以后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核里，驅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數據文件儲存在Ｆｌａｓｈ中。

３ 嵌入式工業控制網絡的實現方案
    基于嵌入式ｌｉｎｕｘ的工控系統以嵌入式微處理器為核心來運行嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統。應用程序可通過網絡進行更新，并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等閃存存儲器中；數據和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網向工業以太網或Ｉｎｅｒｎｅｔ發布，用戶還可通過網絡實現遠程監控和遠程維護。更為關鍵的是，可充分利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上已有的軟件和協議（如：ｆｔｐ，ｈｔｔｐ以及ＡｐａｃｈｅＰＨＰＭｙＳＱＬ等應用程序）迅速搭建前臺數據采集系統，以實現測控系統和后臺管理系統的通訊。圖１所示是這種實現方案的系統框圖。這種方式的優點有：
    （１）不需專用的通信線路即可用現成的ＩＮＴＥＲ-ＮＥＴ網絡將數據傳送到任何地方。
    （２）不僅能夠傳遞數據信號，也可以傳遞音頻和圖像信號。
    （３） 由于目前的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，或小到只有６００ｋＢ的Ｍｏｓａｉｃ瀏覽器都可以對網絡數據進行讀取。

４　系統設計
    ４．１ 硬件設計
    嵌入式系統的硬件運行平臺是開發應用程序的基礎，整個開發板可基于ＩｎｔｅｌＲ ＳＡ－１１１０ 微處理器架構。
    嵌入式系統的硬件結構框圖。該硬件針對網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還在開發板上集成有３２ＭＢ的ＳＤＲＡＭ、８ ＭＢ的ＦＬＡＳＨ、１０ ｂａｓｅＴ以太網接口、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

    嵌入式操作系統是整個嵌入式系統的核心。如前面所述，嵌入式系統在內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，可在編譯內核時，僅保留嵌入式系統所需的功能模塊，而刪除不需要的功能塊。這樣，重新編譯過的內核就會顯著減小。
    （２）虛擬內存機制的屏蔽
    經過分析發現，虛擬內存是導致Ｌｉｎｕｘ實時性不強的原因之一。在工業控制中，一些任務要滿足一定的實時性要求，屏蔽內核的虛擬內存管理機制可以增強Ｌｉｎｕｘ的實時性。當要更改內核的某項機制時，一般不必大規模地寫代碼，可采用條件編譯的方法。同時由于ｌｉｎｕｘ系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系統的實時性要求，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存翻頁而造成的不確定延時。
    （３）設備驅動程序的編寫
    確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編寫驅動程序，可按照在Ｌｉｎｕｘ下編寫驅動程序的規則進行編寫。編寫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；
    ●完成數據從內核到硬件設備的傳送和從硬件讀取數據兩項功能；
    ●讀取應用程序傳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）開發基于閃存的文件系統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系統中。ＪＦＦＳ２ 文件系統是日志結構化的，這意味著它基本上是一長列節點。每個節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不可比擬的優點。具體如下：
    ●ＪＦＦＳ２ 在扇區級別上執行閃存擦除／寫／讀操作要比 Ｅｘｔ２ 文件系統好。
    ●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 文件系統會將整個扇區復制到內存（ＤＲＡＭ）中，并在內存中合并成新數據再寫回整個扇區。而ＪＦＦＳ２則可以隨時更改需要的（不是重寫）整個扇區，同時還具有崩潰／掉電安全保護功能。
    
    實現上述幾個步驟后，一個小型的Ｌｉｎｕｘ操作系統就構造完成了。構造后的Ｌｉｎｕｘ包括進程管理、內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協議，同時Ｌｉｎｕｘ內建有對以太網控制器的支持，可以通過以太網口連到以太網上，以實現遠程配置與監控。

    將裁剪好的內核移植到所用的目標板上時，首先應將內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、內存管理和中斷處理部分。將Ｍ－Ｓｙｓｔｅｍ公司的ＤＯＣ２０００作為系統的啟動設備時，引導代碼可以放在ＤＯＣ上。這樣系統加電后，引導代碼即可進行基本的硬件初始化，然后把內核映象裝入內存并運行, 最后，再將調試好的內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系統時,就可以根據具體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中心，因此,用工控系統與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微處理器內核嵌入到基于ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ ＳＡ１１１０ 的３２位ＭＣＵ系統中，然后通過構造ＴＣＰ／ＩＰ多種網絡協議和基本網絡通信協議，再利用嵌入式操作系統對底層硬件和網絡協議的支持，以及對工控系統實時性要求的ｌｉｎ-ｕｘ內核和虛擬內存機制進行改造，即可保證測控任務完成的實時性和可靠性。可以預見，這種方案在工業控制領域具有很好的應用前景，而且具有開發周期短、系統性能穩定可靠、適應性強等特點。