基于ColdFire5307處理器和uClinux操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

作者：陸寶輅，李薦民，李剛

在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)是一項比較成熟的技術，般應用在手持設備、家庭網(wǎng)關、工業(yè)控制中。但在數(shù)據(jù)采集應用中使用這項技術卻不是很常見，原因是uClinux不是實時操作系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集應用對數(shù)據(jù)采集的實時性要求很高。本文介紹如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1 硬件平臺

任何嵌入式應用系統(tǒng)都離不開具體的硬件平臺，這里先介紹一下系統(tǒng)采用的硬件平臺。

圖1所示即為硬件結(jié)構(gòu)的示意圖。其中，SPM是數(shù)據(jù)處理模塊，它控制前端的A/D變換，根據(jù)設定的采集周期將A/D變換后的數(shù)據(jù)保存在其內(nèi)部的RAM中；同時發(fā)出一個中斷信號。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位處理器ColdFire 5307自行開發(fā)的嵌入式應用開發(fā)板。其硬件配置包括：

ColdFire5307 90MHz 32位處理器；16M SDRAM；2M Flash ROM；10Mbps以太網(wǎng)接口；兩個UART串口；兩個64針的地址和數(shù)據(jù)總線接口。 ISC（圖像控制工作站）和IDS（圖像數(shù)據(jù)工作站）是兩個工作站，用來對系統(tǒng)實現(xiàn)控制，對圖像數(shù)據(jù)實現(xiàn)處理。

XBoard和工作站處在同一個以太網(wǎng)上，該以太網(wǎng)上還配有其它的設備。uClinux所要實現(xiàn)的功能是實時地將SPM上采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到IDS上，同時接收來自ICS的命令以對SPM進行控制。

2 SPM和xBoard之間的連接

uClinux需要讀取SPM中的RAM，所以最好是把SPM中的RAM作為uClinux的內(nèi)存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之間的硬件連接如圖2所示。 SPM中RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線直接連到CPU的總線上。除了硬件上的連接之外，還需要設置MCF5307的寄存器，為SPM上的RAM分配內(nèi)存空間。XBoard在加電時首先運行debug程序，所以在debug中進行寄存器的設置是比較合適的。在debug源代碼中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函數(shù)中加上下面的語句： MCF5307_WR_CS_CSAR5（imm，0xa000）； SPM的地址從0xa0000000開始 MCF5307_WR_CS_CSCR5（imm，0x3d40）； 采用8位的讀方式 MCF5307_WR_CS_CSMR5（imm，0x01FF0001）； 空間大小為1M 將SPM控制的引腳和MCF5307的并口引腳相連，這產(chǎn)對SPM的控制就只需設置并口的相應位了。

3 uClinux下的實時性

uClinux并不是一個實時操作系統(tǒng)（RTOS），如何使用uClinux完成有實時性要求的數(shù)據(jù)采集是需要考慮的問題。由于應用中只一個實時的任務——從SPM中讀取數(shù)據(jù)，所以采用中斷的方式來對數(shù)據(jù)采集完的信號提供實時響應。下面的代碼用來向uClinux注冊IRQ7中斷處理程序：result=request_irq（ECM_IRQ，ecm_interrupt，0，“ecm”，NULL）； 在中斷處理程序中，先關閉中斷，因為中斷嵌套在這里是沒有意義的，還有一個重要的原因是SPM中斷信號的低電平持續(xù)時間比較長。CPU是利用低電平來標志斷信號的，所以CPU可能在SPM的一個中斷信號中檢測到多次中斷。關閉中斷后，從SPM的RAM中讀取數(shù)據(jù)。由于SPM和xBoard之間的連接已得到保證，SPM的內(nèi)部RAM成為uClinux的內(nèi)存空間的一部分，所以讀的工作是很簡單的，只是將數(shù)據(jù)從一個地址讀到另外一個地址，讀完數(shù)據(jù)后打開中斷。讀數(shù)據(jù)之間發(fā)生的中斷都會被忽略。讀數(shù)據(jù)塊的大小為4096字節(jié)，讀完所有的數(shù)據(jù)需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情況下，系統(tǒng)無法正常工作。不過這個指標低于應用的要求。

4 數(shù)據(jù)的臨時存放

xBoard上并沒有大的存儲設備，所以uClinux采集的數(shù)據(jù)必須及時地傳送出去。以太網(wǎng)上通過交換機連接著多個設備，在網(wǎng)絡繁忙的時候并不能保證數(shù)據(jù)會被及時地傳出去。解決這個問題的方法是開辟一個緩沖區(qū)，將暫時無法傳出去的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)中。 由于沒有MMU的支持，uClinux不能提供內(nèi)存保護機制，進程可以隨意讀取任何內(nèi)存地址。這樣，在帶來方便的同時也增加了一些麻煩。方便的一面表現(xiàn)在可以在進程中開辟緩沖區(qū)，在內(nèi)核中用同樣的地址使用緩沖區(qū)；不利的一方面表現(xiàn)在開辟動態(tài)內(nèi)存必須十分小心，不能和其它進程發(fā)生重疊。 在進程中開辟了50個數(shù)據(jù)緩沖片，這些緩沖片通過三個雙向鏈表維持形成緩沖區(qū)。所有的緩沖片被掛在一個稱為list的雙向鏈表中，退出進程的時候，應該將這些動態(tài)內(nèi)存釋放。同時，將存有有效數(shù)據(jù)（即尚未被發(fā)送出去的數(shù)據(jù)）的緩沖片放在稱為dirty的雙向鏈表中，將可以使用的緩沖片放在稱為clean的雙向鏈表中。中斷處理程序每次從clean鏈表中取得一個緩沖片，存入數(shù)據(jù)后放到dirty鏈表中；相反，發(fā)送進程每次從dirty隊列中取一個緩沖片，發(fā)送其保存的數(shù)據(jù)，然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程序上為網(wǎng)絡速度的穩(wěn)定提供緩沖。

5 uClinux上運行任務的分析

在uClinux上運行了三個任務：讀取采集數(shù)據(jù)、通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自ICS的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務對實時性有要求，把它用中斷處理程序來實現(xiàn)，而其它的兩個任務則通過用戶進程來實現(xiàn)。通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的任務和讀取采集數(shù)據(jù)的任務其享一個緩沖區(qū)，通過ioclt函數(shù)在它們它們傳遞緩沖區(qū)雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊一個驅(qū)動程序，這也是在uClinux操作中比較特別的進程和內(nèi)核通信的方法。同時，把對SPM的設置和查詢等操作也包裝在這個驅(qū)動程序里同，這些操作都是通過ioctl函數(shù)向程提供接口。注冊驅(qū)動程序的函數(shù)是： result=“register”_chrdev（ECM_MAJOR，“ecm”，%26;amp;ecm_fops）；可見，這里把SPM作為一個字符型的設備，由于緩沖區(qū)是共享，所以必須提供一個鎖相制，使得在某個進程向緩沖片中寫數(shù)據(jù)時，其它的進程不讀或?qū)懺摼彌_片。 UClinux不僅在信息家電、低端網(wǎng)絡設備和工業(yè)控制領域中有較廣的應用，而且在簡單的數(shù)據(jù)采集和傳輸方面也有了應用方案。

責任編輯：gt