摘要：針對(duì)嵌入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了嵌入式linux的主要技術(shù)及在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用方法。結(jié)合硬件平臺(tái)詳細(xì)說(shuō)明了嵌入式linux系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方法同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了該嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核、內(nèi)存機(jī)制和文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
1 前言
隨著Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)各種工業(yè)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求也越來(lái)越高。當(dāng)前的要求是希望工業(yè)控制設(shè)備能夠支持TCP/IP以及Internet其它協(xié)議，從而能夠通過(guò)用戶熟悉的瀏覽器查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)，或者將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到Window或Unix/Linux服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這就要求工控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一是要在現(xiàn)場(chǎng)完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)，因?yàn)橥ǔＲ恍┤蝿?wù)都具有一定的實(shí)時(shí)性要求;二是要求測(cè)控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在目前應(yīng)用的大多數(shù)測(cè)控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用的是8/16位單片機(jī);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(jī)與單片機(jī)或上位機(jī)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(yīng)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)。
現(xiàn)在,32位嵌入式CPU價(jià)格的下降和性能指標(biāo)的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了可能。那么，限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出地表現(xiàn)在軟件方面。盡管從上世紀(jì)八十年代末開(kāi)始，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)(比較著名的有Vxwork、Psos、Neculeuus和Windows CE等)，但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價(jià)格使許多生產(chǎn)低端產(chǎn)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(kāi)發(fā)者的積極性。嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡(jiǎn)練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開(kāi)發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：即嵌入式linux是大勢(shì)所趨。 嵌入式linux操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、易于移植等特點(diǎn)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(shù)
嵌入式linux是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)的一種小型操作系統(tǒng)，它由一個(gè)Kernel(內(nèi)核)及一些根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)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(yīng)用程序，所需的存儲(chǔ)空間也很小。它具有多任務(wù)、多進(jìn)程的系統(tǒng)特征，有些還具有實(shí)時(shí)性。一個(gè)小型的嵌入式linux系統(tǒng)只需要引導(dǎo)程序、linux微內(nèi)核、初始化進(jìn)程3個(gè)基本元素。運(yùn)行嵌入式linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PCC等。與這些芯片搭配的主板都很小，通常只有一張PIC卡大小，有的甚至更小。嵌入式linux所需的存儲(chǔ)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(chǔ)器，它主要使用Rom、Compactflash、M-Systems和Diskonchip、Sony的Momerystick、IBM的Microdrive等體積極小(與主板上的BOIS大小相近)，且存儲(chǔ)容量不太大的存儲(chǔ)器。它的內(nèi)存可以使用普通的內(nèi)存，也可以使用專用的RAM。
與其它嵌入式操作系統(tǒng)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(tái)系統(tǒng)，很可能發(fā)展成為未來(lái)嵌入式設(shè)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(tǒng)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(nèi)核系統(tǒng)更小、更穩(wěn)定、更具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行實(shí)時(shí)性優(yōu)化，更加使之能夠適應(yīng)對(duì)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(tǒng)在嵌入式工控系統(tǒng)中的發(fā)展所在。同時(shí)也使Linux成為嵌入式操作系統(tǒng)中的新貴。
標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核通常駐留在內(nèi)存中，每一個(gè)應(yīng)用程序都是從磁盤運(yùn)到內(nèi)存上執(zhí)行。當(dāng)程序結(jié)束后，它所占用的內(nèi)存就被釋放，程序就被下載了。而在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)里，可能沒(méi)有磁盤。有兩種途徑可以消除對(duì)磁盤的依賴，一是在一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，內(nèi)核和所有的應(yīng)用程序都存在內(nèi)存里。這是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的工作模式，同樣Linux。第二種就是Linux所特有的功能，因?yàn)長(zhǎng)inux已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來(lái)節(jié)省內(nèi)存。一個(gè)比較典型的系統(tǒng)有大約8MB到16MB的閃存和8MB RAM而閃存可以被用作文件系統(tǒng)。用閃存驅(qū)動(dòng)程序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面就是一種選擇。當(dāng)然，也可以用一個(gè)閃存磁盤。用閃存來(lái)擺脫系統(tǒng)對(duì)一個(gè)磁盤的需求(依賴)具有Diskonchip技術(shù)以及Compactflash卡等方式。
用來(lái)連接Flashmemory和文件系統(tǒng)的程序都以文件形式存儲(chǔ)在Flash文件中，需要時(shí)可以裝入內(nèi)存，這種動(dòng)態(tài)的、根據(jù)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(tǒng)引導(dǎo)后被釋放。實(shí)際上，Linux同樣還有很多內(nèi)核外運(yùn)行的公用程序，這些程序通常在初始化時(shí)運(yùn)行一次，以后就不再運(yùn)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(yùn)行。這樣，相同內(nèi)存空間可以被反復(fù)使用以“召入”每一個(gè)程序，就象系統(tǒng)引導(dǎo)一樣。這樣可以節(jié)省內(nèi)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(nèi)核里，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)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(yīng)的軟件，從而消除了用一個(gè)程序占用許多Flashmemory來(lái)處理多種硬件的復(fù)雜性。另外，軟件的升級(jí)更加模塊化，可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在Flash上升級(jí)應(yīng)用程序和加載驅(qū)動(dòng)程序，其配置信息和運(yùn)行時(shí)間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存在Flash中。
3 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案
基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來(lái)運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，并可通過(guò)鍵盤進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)可通過(guò)LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示，重要數(shù)據(jù)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲(chǔ)器中;數(shù)據(jù)和報(bào)警信息可通過(guò)串口向上位機(jī)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，用戶還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。更為關(guān)鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議(如：flp，http以及ApachePHPMYSQL等應(yīng)用程序)迅速搭建前臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)的通訊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)有：
(1)不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的INTER-NET網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到任何地方。
(2)不僅能夠傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，也可以傳遞音頻和圖像信號(hào)。
(3) 由于目前的INTERNET協(xié)議是現(xiàn)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600kb的Mosaic瀏覽器都可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。
