一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計

1、前言

隨著網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到逐步完善，在工業(yè)控制領域獲得越來越廣泛的應用。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)絡的優(yōu)點。隨著32位嵌入式CPU價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用和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)應用領域的特點對它進行定制開發(fā)，以滿足實際應用需要。

2、基于Linux的嵌入式系統(tǒng)在測控系統(tǒng)中的設計

計算機測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計算機控制系統(tǒng)，為了對被控對象實施控制，對其參數(shù)和狀態(tài)進行檢測是必不可少的。

2.1 測控系統(tǒng)整體設計

測控系統(tǒng)以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新，通過鍵盤進行人機對話，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)和報警信息還可通過串口向上位機傳輸，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備狀態(tài)，設置設備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。

2.2 總體框圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)硬件設計

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、可擴展的UO接口、打印機接口、與PC機通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如圖2-2所示

2.3.2 Linux下設備驅(qū)動程序的開發(fā)

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護機制，用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件。Linux設備被抽象出來，所有設備都看成文件。用戶進程通過文件系統(tǒng)的接口訪問設備驅(qū)動程序，設備驅(qū)動程序主要完成如下功能：

①探測設備和初始化設備；②從設備接受數(shù)據(jù)并提交給內(nèi)核；③從內(nèi)核接受數(shù)據(jù)送到設備；④檢測和處理設備錯誤。

3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

3.1 RTAI實時硬件抽象層的實現(xiàn)機理

引入新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)rt_hal，形成了實時硬件抽象層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， /*關中斷函數(shù)*/

Linux_sti， /*開中斷函數(shù)*/

Linux_save_flags， /*保存中斷前的標志*/

Linux_restore_flags， /*恢復中斷前的標志*/

Task_and_ack_8259A， /*中斷屏蔽*/

Enable_8259A_irq， /*中斷使能*/

Linux_ack_APIC_irq，

（）， /*在io_apic.c文件中設置*/

&io_apic_irgs，

&irq_controller_lock，

irq_desc，

irq_vector，

（）， /*在io_apic.c文件中設置*/

&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)原來標準Linux中開、關中斷等功能的函數(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中實現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實現(xiàn)的關中斷函數(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］;

當執(zhí)行關中斷時，只是將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)processor中的中斷標志位intr_flag設為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標志來關中斷，解決了Linux中長期關中斷的問題。

3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現(xiàn)?

通過修改Linux內(nèi)核相關的源文件，形成實時硬件抽象層。執(zhí)行insmod命令，掛載上提供實時服務的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）

加載上應用程序需要的RTAI模塊后，就可以在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)應用程序。

3.3 基于RTAI-Linux的應用程序的開發(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、通信等具體應用，將應用程序分為實時任務和非實時任務。實時任務利用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)。用戶進程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進行TCP/IP網(wǎng)絡通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。實時任務之間、實時任務和非實時任務之間可通過Fifo隊列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

數(shù)據(jù)采集任務的實現(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)放入實時FIFO中*/

rt_task_wait_period（）;

}

int int_module（void）

rtime tick_period;

rt_set_periodic_mode（）; /*將定時器設置為周期模式*/

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*/

return （）

}

void cleanup_module（void）

{

stop_rt_timer（）;

rtf_destroy（FIFO）;

rt_task_delete（&rt_task）;

return;

}

數(shù)據(jù)顯示程序的實現(xiàn)在disaplay.c中的主要函數(shù)：

int main（void）

{

if（（fifo=open（“/dev/rtf（）”，（）_rdonly））《0）

{

fprintf（stderr，“Error opening/dev/rtf（） ”）;

exit（1）;

}

read（fifo，&data_value，sizeof（data_value））;/*用戶進程從實時FIFO中讀取數(shù)據(jù)*/

printf（“data%f ”，data_value）

}

4、結(jié)論

本文給出了一種應用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設計方案，能保證測控任務完成的實時性、可靠性，可以連到工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在工業(yè)控制領域有很好的應用前景。