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引言 數據交換區是指程序執行中使用到的各種數據所存放的內存空間。本文提出了在μClinux操作系統下為嵌入式工業網絡服務器開辟數據交換萄思想和解決方案。嵌入式工業網絡服務器項目的開發目的是構建一個以Client/Server模式工作的工業遠程監控系統，其前端是一個嵌入式服務器，它安裝在工業現場，可以與三菱PLC組成的控制系統接口，對該系統實施實時監控。其中數據交換區部分起到承上啟下的樞紐作用，向上負責對客戶端交互現場設備數據，向下負責與接口緩沖區交互設備實時數據。系統以Motorola公司的32位控制器Cold Fire5307為CPU，使用2個現代公司的HY57V641620型（4M×16bit）的SDRAM拼成4M×32位的SDRAM，使系統具有16 bytes的RAM空間。 1 μClinux操作系統 系統選取μClinux操作系統為開發平臺，為有2個SDRAM（4M×16bit）的嵌入式工業網絡服務器開辟數據交換區。 Cold Fire 5307微處理器上可以運行很多操作系統，但是可以說μClinux是最合適、性價比最高的操作系統。目前商用的實時操作系統，如VxWorks和Nuclesus等價格比較昂貴，而且需要附加的C編譯器和相關的調試工具。而μCOS等免費的實時操作系統又沒有很好的文件系統和TCP/IP協議的支持，就嵌入式工業網絡服務器的應用特點而言，μClinux內核采用模塊化設計，很多功能塊可以獨立地加載或卸載，在設計內核時可以把這些內核模塊作為可選項，編譯系統內核時指定。一種較通用的做法是對μClinux內核重新編譯，在編譯時仔細的選擇嵌入式系統所需要的功能支持模塊，同時刪除不需要的功能模塊。通過對內核的重新配置，可以使系統運行所需要的內核顯著減小，從而縮減需要的控制器RAM和ROM資源。 μClinux同標準Linux的最大區別在于內存管理，對SDRAM數據交換區的管理就屬于內存管理范疇。標準Linux使用虛擬存儲器技術，對于μClinux來說，其設計針對沒有MMU（memory management unit）的處理器。但μClinux仍然采用存儲器的分頁管理，系統在啟動時把實際存儲器進行分頁。在加載應用程序時程序分頁加載。但是由于沒有MMU管理，所以實際上μClinux采用實存儲器管理策略（real memory management）。μClinux系統對于內存的訪問是直接的，它對地址的訪問不需要經過MMU，而是直接送到地址線上輸出，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。μClinux對內存的管理從編譯內核開始，從而系統將在啟動的初始化階段對內存進行分頁，并且標記已使用的和未使用的內存。系統將在運行應用時使用這些分布內存。另外由于采用實存儲器管理策略，用戶程序同內核以及其他用戶程序在一個地址空間，程序開發時要保證不侵犯其他程序的地址空間，以使得程序不至于破壞系統的正常工作，或導致其他程序的運行異常。 2 數據交換區硬件架構 系統采用Motorola公司的Cold Fire 5307型32位控制電路為CPU，用2個現代公司的HY57V641620型的SDRAM（4M×16bit）拼成4M×32位的SDRAM，使系統具有16M bytes的RAM空間。 Clod Fire系列微處理器是Motorola公司繼其M68K系列微處理器之后推出的新一代內核的32位高位能嵌入式微處理器。Clod Fire系列微處理器繼承了M68K系列優秀的指令集設計和CISC架構的優點，融入了RISC架構，在速度和架構之間得到了很好的平衡。Cold Fire 5307型微處理器運行在外部總線時鐘45MHz，內部總線時鐘90MHz，速率可達75MIPS。 與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保存數據的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性。因此，SDRAM在系統中主要用于程序的運行空間、數據交換區及堆棧區。當系統啟動時，CPU首先從復位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統初始化后，程序代碼一般應調入SDRAM中運行 ，以提高系統的運行速度，同時，系統及用戶堆棧、運行數據也都放在SDRAM中。SDRAM具有單位空間存儲容量大價格便宜的優點，已廣泛應用在各種嵌入式系統中。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容器，總是傾向于放電，為避免數據丟失，必須定時刷新（充電）。 嵌入式工業網絡服務器項目中的數據交換區根據數據交換匹配置文件生成。向上負責與客戶端交互現場設備數據，向下負責與接口緩沖區交互設備實時數據。每個SDRAM由4M×16bit的內部Bank組成，這個Bank的選擇由SDRAM外部引腳BA0和BA1來完成，筆者將BA0和BA1都連接在Cold Fire 5307的高端地址線上；其他信號和Cold Fire 5307都一一對應。UDQM和LDQM是SDRAM的高低字節片選信號，因為每個SDRAM都是16位架構，所以將二片SDRAM拼成32位時，除數據線和這二個片選信號之外，其他信號線對二個SDRA來說都是共用的。這二個信號分別接Cold Fire 5307的CAS0、CAS1和CAS2、CAS3。SDRAM與MCF5307的連接如圖1所示。 Cold Fire 5307可以支持二個Bank的SDRAM，在本系統中只使用了第一個Bank，另外一個Bank的控制信號懸空不使用。其中，SDRAM和FlashRom以及其他外設一同使用32位數據總線D0-D31；SDRAM映射到內部物理地址，但是因為SDRAM的特殊性，并不需要所有的地址線信號A0-A31，而是使用其中一部分信號線，這個地址映射的工作由DRAM控制器來完成；RAS0-RAS1是Bank片選信號，本設計中只使用RAS0來片選所使用的SDRAM Bank；CAS0-CAS3是SDRAM 32位數據線中4個8位數據線（Byte）獨立的片選信號；SCAS和SRAS分別是SDRAM的行、列地址鎖存信號；DRAMW是DRAM寫信號；BCLK0是系統時鐘輸出，連接到SDRAM的時鐘輸入引腳CLK端；SCKE是SDRAM時鐘使能信號，來使能輸入給SDRAM的時鐘信號，高電平時SDRAM自動進入休眠狀態。 3 數據交換區軟件實現 服務器依據數據交換區配置文件生成設備數據交換區。服務器進入運行模式之后，首先檢查生成數據交換區與底層緩沖區的配置文件是否存在。如果不存在則打印錯誤信息，存在則依據配置文件在系統SDRAM區開辟數據交換區與底層緩沖區。接著系統檢查PLC通信協議交換是否存在，不存在則打印錯誤信息，存在則將COM2口置為PLC通信端口。一切就緒之后，系統啟動任務調度完成各種任務。數據交換區生成及使用流程圖如圖2所示，數據緩沖區生成子程序流程如圖3所示。 在2.4片μClinux內核中，內核引導時，通過訪問系統所有的物理內存，然后調用各個子系統的初始化函數進行初始化，允許初始化代碼分配私有的緩沖區，并減少了留給常規系統操作的RAM數量。在2.4版μClinux內核中，這種分配通過調用下列函數之一進行：
分配內存空間所使用的函數調用如下： （1）函數malloc和calloc都用于分配動態內存空間的函數。 （2）函數malloc的參考size表示申請分配的內存空間的大小，以字節計算； （3）函數calloc的參數nmemb表示分配的內存空間占的數據項數目。參數size表示每一個數據項的大小，以字節計算。也就是說，calloc函數分配大小為nmemb*size大小的內存空間。 Calloc函數與malloc函數最大的區別是calloc函數被初始化所分配的內存空間，把所有位置為0。調用成功時，malloc函數為calloc函數的返回值都為被分配的內存空間的指針；調用失敗時，返回值為NULL。動態內存被釋放。 在C語言中，指針是處理許多數據結構的關鍵。沒有指針，也許根據不能使用動態內存的諸多特性。在編寫程序的時候，它允許程序員建立復雜的內存系統。提高了處理未知內容或者類型數據的靈活性。在C中還有一點對字符串處理和數據的輸入輸出很重要。對指針的徹底了解有助于我們寫出更好、更高效的代碼。 如果使用一種算法不夠，鏈表可以解決這個問題。當從未知大小的數據塊中讀入數據時，用戶不得不把數據讀到內存中。這是因為處理讀入數據的函數必須把數據讀到一塊一定大小的內存中。在讀入以后，必須找到一種接合分離數據的辦法。一般使用fgets()把數據讀到n個字節大小的內存中。緩沖區是n+1個字節大，但是請注意必須使用1個字節放結束標記。然后使用了一簡單的鏈表保存數據。這個鏈表中一個特殊項：一個名為iscontinuing的整型變量。如果這個變量有值， 表示當前結構中的數據不是字符串最后的部分，最后的部分將包含在以后的結構后。這個變量再把數據從內存中調出來，重新組裝的時候使用。 還有一種更明智的保存數據的方法。逐步處理數據直到達到數據末尾。首先要修改的是結構的定義。在結構中包含字符串。在結構中定義一個指針，指向動態申請的內存區域。這樣做的好處是，字符串可以很長�，F在產生輸出的代碼更簡單了。它做的所有的事情就是計算和顯示。不再需要合并字符串。因為已經被合并。 4 結束語 數據交換區的生成和使用對嵌入式工業網絡服務器項目尤為重要，它是WEB服務器正常運行的先決條件，起到承上啟下的樞紐作用。向上負責對客戶端交互現場設備數據，向下負責與接口緩沖區交互設備實時數據。目前，該部分設計工作已經完成，并在試運行期間情況良好，達到預期效果。 |
