隨著Internet的飛速發(fā)展,，網絡應用越來越廣泛，對各種工業(yè)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(yè)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(tài)、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(jiān)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(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,。這些網絡存在通信速度慢、聯網功能差,、開發(fā)困難等問題,。工業(yè)以太網已逐步完善，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(yōu)點,。

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(guī)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(fā)展成為未來嵌入式設備產品的絕佳資源,。Linux與生俱來的優(yōu)秀網絡血統更為今后的發(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(wěn)定,、更具價格競爭力等優(yōu)勢的同時，對系統內核進行實時性優(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操作系統在嵌入式工控系統中的發(fā)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(zhí)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(jié)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Disk On Chip技術以及CompactFlash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(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(jié)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(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，可以在系統運行時在Flashh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,。

嵌入式工業(yè)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(yè)以太網或Internet發(fā)布,，用戶還可通過網絡實現遠程監(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,。這種方式的優(yōu)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600 KB的Mosaic瀏覽器都可以對網絡數據進行讀取,。

系統設計

1 硬件設計

嵌入式系統的硬件運行平臺是開發(fā)應用程序的基礎，整個開發(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,。該硬件針對網絡服務的應用選擇了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(fā)板上集成有32MB的SDRAM、8MB的Flash,、10 base T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,。

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(fā)現，虛擬內存是導致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(guī)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(guī)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(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(qū)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(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(jiān)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DOC 2000作為系統的啟動設備時,，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(fā)系統時,就可以根據具體的應用來開發(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

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Linux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,?？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,、系統性能穩(wěn)定可靠、適應性強等特點,。