嵌入式Linux技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中的應用介紹

隨著(zhù)Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )應用越來(lái)越廣泛，對各種工業(yè)控制設備的網(wǎng)絡(luò )功能要求也越來(lái)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(guò)用戶(hù)熟悉的瀏覽器查看設備狀態(tài)、設置設備參數，或者將設備采集到的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到Windows或Unix/Linux服務(wù)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(chǎng)完成復雜的測控任務(wù)，因為通常一些任務(wù)都具有一定的實(shí)時(shí)性要求;

二是要求測控系統能夠與某一類(lèi)型的控制網(wǎng)相連，以實(shí)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(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，單片機與單片機或上位機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)。

　　　　嵌入式Linux技術(shù)

　　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(gè)Kernel(內核)及一些根據需要進(jìn)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(wù)、多進(jìn)程的系統特征，有些還具有實(shí)時(shí)性。一個(gè)小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux微內核、初始化進(jìn)程3個(gè)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(pán)、硬盤(pán)、Zip盤(pán)、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Disk On Chip、Sony的Memory Stick、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(zhuān)用的RAM。

　　與其它嵌入式操作系統相比，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系統，很可能發(fā)展成為未來(lái)嵌入式設備產(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內核系統更小、更穩定、更具價(jià)格競爭力等優(yōu)勢的同時(shí)，對系統內核進(jìn)行實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化，更加使之能夠適應對工業(yè)控制領(lǐng)域高實(shí)時(shí)性的要求。這也正是嵌入式Linux操作系統在嵌入式工控系統中的發(fā)展所在。同時(shí)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(gè)應用程序都是從磁盤(pán)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(gè)嵌入式系統里，可能沒(méi)有磁盤(pán)。有兩種途徑可以消除對磁盤(pán)的依賴(lài)，一是在一個(gè)簡(jiǎn)單的系統里，當系統啟動(dòng)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L(cháng)inux已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個(gè)嵌入式系統就可以利用它來(lái)節省內存。一個(gè)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(dòng)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(gè)閃存磁盤(pán)。用閃存來(lái)擺脫系統對一個(gè)磁盤(pán)的需求(依賴(lài))具有Disk On Chip技術(shù)以及CompactFlash卡等方式。

　　用來(lái)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(shí)可以裝入內存，這種動(dòng)態(tài)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(shí)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(shí)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(gè)接一個(gè)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(gè)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(wǎng)絡(luò )堆棧。如果將Linux可加載模塊的功能包括在內核里，驅動(dòng)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(gè)程序占用許多Flash Memory來(lái)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(shí)在Flashh上升級應用程序和加載驅動(dòng)程序，其配置信息和運行時(shí)間參數可以作為數據文件儲存在Flash中。

　　嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)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(lái)運行嵌入式Linux操作系統。應用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行更新，并可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行人機對話(huà)，數據可通過(guò)LCD現場(chǎng)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(guò)串口向上位機傳輸，也可以通過(guò)以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶(hù)還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監控和遠程維護。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Apache PHP MySQL等應用程序)迅速搭建前臺數據采集系統，以實(shí)現測控系統和后臺管理系統的通訊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)有：

　　(1)不需專(zhuān)用的通信線(xiàn)路即可用現成的Inter-net網(wǎng)絡(luò )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(xié)議是現成和公開(kāi)的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到只有600 KB的Mosaic瀏覽器都可以對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行讀取。

　　系統設計

　　1 硬件設計

　　嵌入式系統的硬件運行平臺是開(kāi)發(fā)應用程序的基礎，整個(gè)開(kāi)發(fā)板可基于IntelRSA-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(wǎng)絡(luò )服務(wù)的應用選擇了Intel系列中的Strong ARM MCU。Strong ARM SA-1110是一款高性能、低價(jià)位、高集成度微處理器。SA-1110芯片內部集成有能以206MHz運行的32-bit Intel Stron-ggARM RISC處理器，以及速度可達100MHz的存儲器總線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )應用，因而可為運行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、8MB的Flash、10 base T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(guān)SA-1110更詳細的資料可參考有關(guān)資料。

　　2 軟件設計

　　嵌入式操作系統是整個(gè)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(jìn)行裁減設計。在裁剪過(guò)程中，所涉及的主要技術(shù)有下面幾種。

　　(1)內核的精簡(jiǎn)

　　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(shí)，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(guò)的內核就會(huì )顯著(zhù)減小。

　　(2)虛擬內存機制的屏蔽

　　經(jīng)過(guò)分析發(fā)現，虛擬內存是導致Linux實(shí)時(shí)性不強的原因之一。在工業(yè)控制中，一些任務(wù)要滿(mǎn)足一定的實(shí)時(shí)性要求，屏蔽內核的虛擬內存管理機制可以增強Linux的實(shí)時(shí)性。當要更改內核的某項機制時(shí)，一般不必大規模地寫(xiě)代碼，可采用條件編譯的方法。同時(shí)由于Linux系統對應用進(jìn)程采用的是公平的時(shí)間分配調度算法，但這一算法也不能保證系統的實(shí)時(shí)性要求，因此要求對其進(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存翻頁(yè)而造成的不確定延時(shí)。

　　(3)設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)

　　確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編寫(xiě)驅動(dòng)程序，可按照在Linux下編寫(xiě)驅動(dòng)程序的規則進(jìn)行編寫(xiě)。編寫(xiě)的設備驅動(dòng)程序應當具有以下功能：

　　●對設備進(jìn)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(kāi)發(fā)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(zhù)它基本上是一長(cháng)列節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)包含著(zhù)有關(guān)文件的部分信息。JFFS2是專(zhuān)門(mén)為象閃存芯片那樣的嵌入式設備創(chuàng )建的，所以它的整個(gè)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(yōu)點(diǎn)。具體如下：

　　●JFFS2 在扇區級別上執行閃存擦除/寫(xiě)/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(shí)，Ext2文件系統會(huì )將整個(gè)扇區復制到內存(DRAM)中，并在內存中合并成新數據再寫(xiě)回整個(gè)扇區。而JFFS2 則可以隨時(shí)更改需要的(不是重寫(xiě))整個(gè)扇區，同時(shí)還具有崩潰/掉電安全保護功能。

　　實(shí)現上述幾個(gè)步驟后，一個(gè)小型的Linux操作系統就構造完成了。構造后的Linux包括進(jìn)程管理、內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內建有對以太網(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(shí)，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(dòng)代碼會(huì )有所不同，因此，一些內核程序可能要改寫(xiě)。涉及到編寫(xiě)Linux的引導代碼和修改與體系結構相關(guān)部分代碼主要是啟動(dòng)引導、內存管理和中斷處理部分。將M-System公司的DOC 2000作為系統的啟動(dòng)設備時(shí)，引導代碼可以放在DOC上。這樣3系統加電后，引導代碼即可進(jìn)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(shí)裁剪后的Linux已成功移植到目標平臺上,因此,在啟動(dòng)可運行的開(kāi)發(fā)系統時(shí),就可以根據具體的應用來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序。如數據采集模塊、數據處理模塊、通信和數據發(fā)布模塊等等。

　　結束語(yǔ)

　　如今，互聯(lián)網(wǎng)應用正在轉到以嵌入式設備為中心，因此,用工控系統與Internet相結合來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )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(guò)構造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對底層硬件和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的支持，以及對工控系統實(shí)時(shí)性要求的Linux內核和虛擬內存機制進(jìn)行改造，即可保證測控任務(wù)完成的實(shí)時(shí)性和可靠性?？梢灶A見(jiàn)，這種方案在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應用前景，而且具有開(kāi)發(fā)周期短、系統性能穩定可靠、適應性強等特點(diǎn)。