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1、前言 隨著網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到逐步完善，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)使用了TCP/IP協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。隨著32位嵌入式CPU價格的下降，性能指標(biāo)的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和Linux在嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于Linux的高度靈活性，可以容易地根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)對它進(jìn)行定制開發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。 2、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了對被控對象實(shí)施控制，對其參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測是必不可少的。 2.1 測控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)對話，數(shù)據(jù)可通過LCD現(xiàn)場顯示。重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在Flash存儲器中，數(shù)據(jù)和報(bào)警信息還可通過串口向上位機(jī)傳輸，也可通過以太網(wǎng)口向Inernet發(fā)布信息。用戶通過顯示界面查看設(shè)備狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。 2.2 總體框圖 圖2-1 嵌入式系統(tǒng)總體框圖 2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.3.1硬件框圖 考慮一般測控系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)要求比較多的功能有:鍵盤接口、顯示接口、A/D(或D/A)轉(zhuǎn)換單元、可擴(kuò)展的UO接口、打印機(jī)接口、與PC機(jī)通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如圖2-2所示[3]: 圖2-2 嵌入式系統(tǒng)硬件框圖 2.3.2 Linux下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā) Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)程一般不能直接訪問硬件。Linux設(shè)備被抽象出來，所有設(shè)備都看成文件。用戶進(jìn)程通過文件系統(tǒng)的接口訪問設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備驅(qū)動程序主要完成如下功能: ①探測設(shè)備和初始化設(shè)備；②從設(shè)備接受數(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核；③從內(nèi)核接受數(shù)據(jù)送到設(shè)備；④檢測和處理設(shè)備錯誤。 3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 3.1 RTAI實(shí)時硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)機(jī)理 引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實(shí)時硬件抽象層RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal結(jié)構(gòu)體的定義如下: struct rt_hal { struct desc_struct*idt table; void(*disint)(void); void(*enint)(void); unsigned int(*getflags)(void); void(*setflags)(unsigned int flags); void(*mask_and_ack_8259A)(unsigned int irq); void(*unmask_8259A_irq)(unsigned int irq); void(*ack_APIC_irq)(void); void(*mask_IO_APIC_irq)(unsigned int irq); void(*unmask_I0_APIC_irq)(unsigned int irq); unsigned long *Io_apic_irgs; void*irq_controller_lock; void*irq_desc; int *irq_vector; void *irq_2_pin; void* ret_from_intr; struct desc_struct *gdt_table; volatile int*idle_weight; void (*lxrt_cli)(void); }; 在usr/src/Linux/arch/i386/kernel/irq.c中初始化為rthal: struct rt_hal rthal { idt_table, /*中斷向量表*/ Linux_cli, /*關(guān)中斷函數(shù)*/ Linux_sti, /*開中斷函數(shù)*/ Linux_save_flags, /*保存中斷前的標(biāo)志*/ Linux_restore_flags, /*恢復(fù)中斷前的標(biāo)志*/ Task_and_ack_8259A, /*中斷屏蔽*/ Enable_8259A_irq, /*中斷使能*/ Linux_ack_APIC_irq, (), /*在io_apic.c文件中設(shè)置*/ &io_apic_irgs, &irq_controller_lock, irq_desc, irq_vector, (), /*在io_apic.c文件中設(shè)置*/ &ret_from_imr, gdt_table, /*全局描述符表*/ &idle_weight, () }; 初始化rthal時，指向函數(shù)的指針變量指向?qū)崿F(xiàn)原來標(biāo)準(zhǔn)Linux中開、關(guān)中斷等功能的函數(shù)如下: static void linux_cli(void) { hard_cli(); } static void linux_sti(void) { hard_sti(); } static unsigned int linux_save_flags(void) { int flags; hard_save_flags(flags) turn flags } static void linux_restore_flags(unsigned int flags) { hard_restore_flags(flags); } 當(dāng)加載RTAI模塊時，執(zhí)行rt_mount_rtai函數(shù)如下: void rt_mountes_rtai(void) { rthal.disint=linux_cli; rthal.enint=linux_sti; rthal.getflags=linux_save_flags; rthal.setflags=linux_restore_flags; rthal.mask_and_ack_8259A=trpd_mask_and_ack_irq; rthal.unmask_8259A_irq=trpd_unmask_irq; } rthal中指向函數(shù)的指針變量指向了RTAI中實(shí)現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實(shí)現(xiàn)的關(guān)中斷函數(shù)如下: static void linux_cli(void) { processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0; } 在RTAI中引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor，描述和中斷有關(guān)的處理器的狀態(tài): static struct cpu_own_status { volatile unsigned int intr_flag; volatile unsigned int linux_intr_flag; volatile unsigned int pending_irqs; volatile unsigned int activ_irqs; } processor[NR_RT_CPUS]; 當(dāng)執(zhí)行關(guān)中斷時，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標(biāo)志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標(biāo)志來關(guān)中斷，解決了Linux中長期關(guān)中斷的問題。 3.2 采用RTAI增強(qiáng)Linux實(shí)時性的實(shí)現(xiàn) 通過修改Linux內(nèi)核相關(guān)的源文件，形成實(shí)時硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令，掛載上提供實(shí)時服務(wù)的rtai,rtai_sched,rtai_fifos模塊，得到如下信息: Linux tick at 100Hz Calibrated cpu frequency 551268530Hz Calibrated 8254-timer-interrupt-to-scheduler latency 8000ns Calibrated one shot setup time 3000ns Module Size Used by rtai_sched 16608 0 unused rtai_fifos 33468 0 unused rtai 20728 1 (rati_sched rtai-fifos) 加載上應(yīng)用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序。 3.3 基于RTAI-Linux的應(yīng)用程序的開發(fā) 針對工業(yè)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制、通信等具體應(yīng)用，將應(yīng)用程序分為實(shí)時任務(wù)和非實(shí)時任務(wù)。實(shí)時任務(wù)利用RTAI提供的API來開發(fā)，編寫成內(nèi)核模塊，工作在Linux的核心態(tài)。用戶進(jìn)程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。實(shí)時任務(wù)之間、實(shí)時任務(wù)和非實(shí)時任務(wù)之間可通過Fifo隊(duì)列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1 RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖 數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)現(xiàn)在rt_process.c中的主要函數(shù)如下: static void data_collect() { rtf_put(FIFO,&data_value,sizeof(data_value);/*將采集的數(shù)據(jù)放入實(shí)時FIFO中*/ rt_task_wait_period(); } int int_module(void) rtime tick_period; rt_set_periodic_mode(); /*將定時器設(shè)置為周期模式*/ rt_task_init(&rt_task,data_collect,l,Stack_size,task_priority,1,0);/*初始化數(shù)據(jù)采集任務(wù)*/ return () } void cleanup_module(void) { stop_rt_timer(); rtf_destroy(FIFO); rt_task_delete(&rt_task); return; } 數(shù)據(jù)顯示程序的實(shí)現(xiàn)在disaplay.c中的主要函數(shù): int main(void) { if((fifo=open("/dev/rtf()",()_rdonly)){ fprintf(stderr,"Error opening/dev/rtf()\n"); exit(1); } read(fifo,&data_value,sizeof(data_value));/*用戶進(jìn)程從實(shí)時FIFO中讀取數(shù)據(jù)*/ printf("data%f\n",data_value) } 4、結(jié)論 本文給出了一種應(yīng)用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能保證測控任務(wù)完成的實(shí)時性、可靠性，可以連到工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在工業(yè)控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。 本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，提供了開發(fā)實(shí)時應(yīng)用程序的接口；利用實(shí)時應(yīng)用接口(RTAI)來增強(qiáng)Linux的實(shí)時性，并引入實(shí)時硬件抽象層結(jié)構(gòu)(rthal)、實(shí)時調(diào)度器、實(shí)時FIFO等實(shí)時服務(wù)；給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測控系統(tǒng)中實(shí)時應(yīng)用程序的方法。 |
