（计算机软件与理论专业论文）嵌入式系统在工业控制中的应用.pdf

摘要 随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，嵌入式系统的应用日益广泛。与 此，l i n u x 系统在嵌入式领域的应用不断发展。工业控制是嵌入式系统的应用的 重要领域，l i n u x 系统是嵌入式系统开发的有力工具，本项目主要利用l i n u x 系 统来具体实现一个嵌入式工业控制系统。 本课题的目标就是设计并实现一个l i n u x 平台下开发的嵌入式工业控制系 统。本课题在对当今主流的l i n u x 开发工具及其实现方法进行了细致深入的分析 的基础上，结合实际情况确定了课题的技术路线和需求，然后对嵌入式工业控制 系统的需求作了深入研究，在完全消化吸收其关键技术的基础上，采用了硬件驱 动、网络设备驱动、修改进程调度算法等多项技术，设计实现了一种在功能、性 能上都比较令人满意的、具有一定可比性的嵌入式工业控制系统。 论文主要内容包括： 1 对工控系统进行了需求分析，并且提供了实现设计； 2 从中断和时钟机制、进程状态改造、进程间通信和进程调度四个方面对 系统进行了实时性改造； 3 设计并实现了系统若干硬件设备、网络设备的驱动程序。 关键词：嵌入式系统、l i n u x 、覆盖测试、工业控制、实时 p _ _ 一_ ，一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r et e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o n s o fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a f i z m i o n a t t h es a m et i m e ，t h e a p p l i c a t i o n so fl i n u xb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r i z a t i o nt o o b e c a u s ei n d u s t r y c o n t r o li si m p o r t a n te m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o nf i e l d ，a n dl i n u xi sa k i n do f s t w n g d e v e l o p m e n tt o o l o fe m b e d d e ds y s t e m ，t h ep r o j e c tm a i n l yd e v e l o pa ne m b e d d e d i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mb yl i n u x a sm a i n l yt 0 0 1 t h et a r g e to ft h i ss u b j e c ti st od e s i g na n da c c o m p l i s ha ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m f o re m b e d d e dd o m m n b a s e do nt h ed e e p l ya n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ff u n c t i o na n d m e c h a n i s mo fs e v e r a lc u r r e n tp o p u l a re m b e d d e dd e v e l o pt o o l ，w em a k e s u r ea b o u tt h e t e c h n o l o g yr o u t ea n dr e q u i r e m e n t t h e n o nt h eb a s i so f d i g e s t i n gt h ek e yt e c h n o l o g y a n dd e v e l o pt o o l ，w eh a v eb s es e v e r ak e yt e c h n o l o g i e sa n da c c o m p l i s h e dt h e e m b e d d e d i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，w h o s e f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ei sa d v a n c e d t h em a i nc o n t e n t so f p a p e ri n e n d e ： 1 h a v e p r o v i d e dt h ea n m y n so fr e q u i r e m e n t so ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，a n d p r o v i d e d t h ed e v e l o p m e n ta n d i m p l e m e n t o fi t 2 p r o v i d e dt h em e t h o do fd e s i g na n di m p l e m e n tt oi m p r o v et h es y s t e m s r e a l t i m ec a p a c i t yb ym e t h o do fm o d i f yt h es y s t e mt i m e ra n di n t e r r u p t 、m o d i f i e s o f p r o c e s s ss t a t u e s 、c o m m u n o a t i o n i np r o c e s s e sa n ds c h e d u l i n go f p r o c e s s e s 3 h a v e p r o v i d e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t s o m eo f h a r d w a r ed r i v e ra n ds o m e d r i v e ro f n e t w o r kd e v i c e s k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m 、l i n u x 、c o v e r a g et e s t 、i n d u s t r yc o n t r o l 、r e a lt i m e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：邀日期：”。j 年岁月如日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：，超盘导师签名：兰堕堑 日期：2 0 0 5 - 年j 月2 0 日 嵌入式系统在j = 业控制中的应用 1 1 课题背景 第一章引言 嵌入式系统的应用与开发是当今计算机行业发展的一个热点。现今嵌入式软 件的应用与开发的领域主要有：国防、通信、电予、办公自动化、机车顶盒、 掌上电脑( 或pda ) 、手机软件、工业控制、信息家电等领域。 随着嵌入式技术的发展，由于嵌入式应用不断增长、嵌入式系统复杂性不断 提高，导致嵌入式软件的规模和复杂性也在相应的不断提高。目前嵌入式软件、 硬件的应用与开发体现如下趋势：随着计算技术、通信技术的飞速发展，计算机、 通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为个研究热点；特别 是互联网的迅速普及，使得网络化、微型化和专业化成为嵌入式发展的新趋势； 嵌入式产品的开发和应用成为信息产业的主流之一，中间件技术开始和嵌入式软 件的应用与开发相结合起来。 伴随着信息家电、手持设备、无线终端等智能设备的飞速发展，相应的硬件 和软件技术也随之得到了长足的发展。嵌入式系统正是在这样的背景下逐渐发展 起来的一类专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 剪裁，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求。 嵌入式应用是继p c 后的重要应用，具有广阔的发展应用前景，涉及嵌入式 软件应用的领域也日见增加，应用所产生的市场经济价值也越来越大。同时，随 着电子信息技术的发展，嵌入式应用产品将和人民的日常生活联系变得更加紧 密。从技术应用的层面来看，嵌入式技术的应用发展空间巨大，在工业控制、汽 车电子、数字电视技术等领域中将会得到大量的应用。 工业控制领域嵌入式软件作为嵌入式软件的一种主流应用，产生的经济价值 巨大，其应用的重要性和广泛性不言而喻。目前众多企业都已经在生产流水线上 采用单片机或者嵌入式技术。同时，因为工业生产的自身特殊性有较高实时 性、突出安全性、需要顺应市场调节生产线因此要求易于修改等特性，因此这些 特殊要求都必须在工业控制领域嵌入式软件中得到了实现。 由于嵌入式l i f l u x 系统具有易于修改源代码公开、技术支持广泛和开发费 用较低等诸多优势和良好的发展前景，越来越多的应用厂商和系统开发采用嵌入 式l i n u x 方案进行工业控制领域中的各种应用开发 嵌入式系统在工业控制中的应用 综上所述，随着嵌入式系统在工业控制领域的发展，实现一种较高实时性、 突出安全性、易于调节的嵌入式工业控制系统对于企业降低生产成本、提高产品 质量、保证牛产安全有很重要的意义。考虑到嵌入式l i n u x 系统具有易于修改、 代码公开、支持广泛和费用较低等诸多优势，本项目采用r a m l i n u x 作为工控 系统开发的首选开发平台。 1 2 课题综述 本课题主要以a r m l i n u x ( a r m l i n u xv 2 4 ) 作为开发平台，采用主流的 嵌入式芯片( 三星s 3 c 2 4 1 0 的处理器) ，可以添加实现数据库功能( 采用 m i n i s q l ) ，可添加实现嵌入式图形界面( 采用m i n i g u i ) ，以g n u 的系列开发 工具g d b 等作为主要开发、调试工具，在适当采用实时c o r b a 技术思想的前 提下，设计并且实现了一个嵌入式环境下、通过交叉开发环境实现的、工业领域 内的、生产线控制与监视的、基于主流的嵌入式芯片的软件系统( 以下简称为监 控系统) 。 本课题从原型研制到正式立项，再到基本完成历时大约一年左右。本人作为 该课题的一名开发人员参与了该课题的全过程，严格按照软件开发规范组织实施 了系统软件的需求分析、概要设计和详细设计、单元实现和测试、集成实现和测 试以及系统测试等主要过程。 本课题项目主要完成的具体工作包括以下六个方面： ( 1 ) 对国内外的业界动态以及相关技术、产品进行了广泛的了解，对项目的 市场需求、应用前景作了细致的分析； ( 2 ) 把l i n u x 应用于监控系统，并且根据嵌入式工业控制系统自身的具体特 点，有针对性的对l i n u x 内核按照应用需求，加以适当的裁剪、修改和 补充： ( 3 ) 分析、设计并实现了项目要求的监控系统，基本达到了可靠性高、功能 强大、使用方便等设计目标，目前该系统基本能够满足生产要求； ( 4 ) 对交叉编译器g c c 、调试器g d b 做了深入的技术分析，掌握了覆盖测 试的基本技术，并制定了单元测试、集成测试和系统测试的具体计划和 目标： ( 5 ) 按照计划基本完成该嵌入式工控软件系统的单元测试、集成测试、系统 测试与回归测试，测试结果基本达到设计要求； ( 6 ) 使该监控系统具备一些中间件体系结构的特点，能够满足若干中问件体 一2 - 嵌入式系统在工业控制中的应用 系结构的要求； 其中工作重点是把r a m l i n u x 应用_ 丁该监控系统，并且根据嵌入式工业控 制系统自身的具体行业特点( 系统体积比较小、实时性要求比较高) ，有针对性 的对r a m l i n u x 内核按照系统的需要，加以适当裁剪、修改和补充。对系统进 行的修改主要集中在以下七个方面： ( 1 ) 需要将r a m l i n u x 内核移植到微控制器上并且根据需要加以必要的裁 剪、修改和补充： ( 2 ) 对l i n m x 内核的代码进行必要的裁剪、修改和补充，加快系统初始化， 减小内核体积； ( 3 ) 设计并实现该监控系统的若干外用设备( 如传感器、电动机) 的驱动程 序； ( 4 ) 根据该监控系统实时性要求对r a m l i n u x 内核的代码进行必要的裁 剪、修改和补充； ( 5 ) 按进程的动态优先级调度的思想，提供实现可抢占式内核的进程调度的 软硬件环境； ( 6 ) 提供解决进程的优先级倒转问题的设计方案，以满足系统的实时性要 求； ( 7 ) 实现该监控系统中进程的动态优先级，提供满足系统需要的实时调度算 法： 1 3 章节安排 第一章介绍了本课题的背景和若干相关情况； 第二章综合介绍了目前课题领域涉及的国内外最新动态以及一些主流产品 技术特点的分析与对比，以便研究能够深入进行； 第三章根据课题的技术路线，确定系统开发平台以及该监控系统所采用的开 发环境、开发工具，并且提供了工具的简单的介绍； 第四章提供了该监控系统的需求分析，并提供该监控系统的体系结构、基本 模块划分，以及对系统接口、系统网络和系统数据处理的总体设计； 第五章细致描述了该监控系统主要模块的具体设计与实现，包括硬件驱动、 网络驱动、实时性性能改造与传感器数据处理等部分的设计与实现； 第六章介绍了单元测试、集成测试和系统测试基本原理和要求，根据项目的 具体情况提供了测试的若干结果； 3 嵌入式系统在工业控制中的应用 第七章对本项a 开发进行的技术总结以及项目中出现的需要注意的问题，并 且提出了该监控系统进一步改进的若千方面； 最后是参考文献与附录。 4 一 嵌入式系统在工业控制中的应用 第二章嵌入式l in u x 综述 2 1 嵌入式系统介绍 2 1 1 专用嵌入式简介 随着近代计算机技术的发展，迅速形成了两类计算机系统：独立使用的计算 机系统( 即通用的计算机系统，以下简称为计算机系统) 和嵌入式应用的计算机 系统。 嵌入式计算机系统( 以下简称为嵌入式系统) ，是指以应用为中心、以计算 机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统，可以独立使用，但通常是作为其它系统的组成 部分而使用的。 作为嵌入式系统基础的集成电路，从早期的电路集成到大规模集成电路，再 发展到嵌入式系统的系统芯片，以芯片形态实现了智能化。具体技术进步主要体 现在芯片技术的进步、芯片技术层次上的算法、软件的发展等方面。 硬件方面：芯片技术以摩尔定律定义的速度迅速地实现小型化，并将电子产 品的成本降低到了原来的百万分之一的地步，产品的可靠性和稳定性也较原来大 大提高。 软件方面：与此相适应，嵌入式系统的发展已经历过无操作系统的嵌入算法 阶段、简单监控式的实时操作系统阶段，现正处于通用嵌入式网络实时操作系统 阶段。 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式系统得到了飞速发展，嵌入式系统及嵌入式系 统应用涉及到了越来越多的领域如：消费电子产品、控制系统、工业自动化、机 器人领域、数据无线通讯等。 目前，嵌入式系统及嵌入式系统应用涉及的学科领域除传统的计算机工程、 微电子技术学科外，还涉及到许多应用领域的对象学科，如网络、通信、数字信 号处理、测量、控制、自动化工程以及嵌入式系统应用开发环境和电子设计自动 化等领域。 嵌入式系统与计算机系统的最终目的都是为用户提供方便、迅捷、安全的服 务。今天的应用系统在提供方便、迅捷、安全的服务的同时，还必须满足以下五 - s 一 嵌入式系统在工业控制中的应用 个基本的条件：绎济性、小型化、n ，靠性、高速度和智能性。相比之下，嵌入式 系统对这五个基本条件的要求往往更为苛刻。 由于嵌入式系统是以应用为目的，为能够适应被嵌入对象的复杂性以及满足 嵌入式系统高性能、多样化体系结构等具体要求，导致了目前嵌入式系统发展与 应用的多样性。嵌入式系统的多样性具体表现为以各种s o c 为目标的各种嵌入 式系统体系结构以及与之相应的多种开发平台和种类繁多的嵌入式操作系统的 出现。嵌入式系统应用环境和形态的多样性，决定了嵌入式系统应用应该具有不 同的模式和方法。 如按嵌入式系统应用研究的不同领域来划分，可以把嵌入式计算机系统技术 的发展按计算机系统的高端、低端来加以区分。 嵌入式系统应用研究的高端主要在计算机专业领域，依靠嵌入式系统o e m 方式的硬件环境、嵌入式操作系统的支持以及较成熟的系统开发平台，实施计算 机专业的工程设计方法来完成嵌入式系统的应用开发；而嵌入式系统应用研究的 低端则是以对象领域为中心，以单片机( m c u ) 为核心，在相对简陋的开发环 境下，实现嵌入式应用系统软、硬件的应用开发。 目前，市场上比较流行的提供嵌入式系统的主要的公司大学及其产品有： w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 和p s o s 、m i c r o s o f t 公司的m i c r o s o f tw i n c e 、3 c o m 公司的p 1 a m0 s 、l i n e o 公司的u c l m u x 、新墨西哥工学院的r t l i n u x 、堪萨 斯大学的k u r t - - l i n u x 和专门针对a r m 芯片的r a m l i n u x 系列等。 从目前嵌入式产品发展的现状与趋势来看，在应用上体现为：随着计算技 术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和3 c ( 计算机、通信、消 费电子) 合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式产品成为信息 产业的主流。在技术上体现为：主流应用从嵌入式低端努力向高端发展的趋势； 嵌入式系统应用的对象领域、微控制器应用领域、计算机工程、微电子专业的日 益紧密的结合；嵌入式系统及其应用领域中出现了一些新兴、前沿和热点技术， 如：中间件技术等。 2 1 2 嵌入式l i n u x 简介 l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容，在f s f ( 自由软 件基金会组织) 的g p l ( q 砌p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制下，开放源代码。它 原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域，l i n u x 操作系统主要具有 以下四个优点： 。6 嵌入式系统在工业控制中的应用 ( 1 ) 内核稳定、功能强大、兼容性好、应用软件多、支持多种硬件平台； ( 2 ) 内核u 裁剪、修改和补充，源代码开放： ( 3 ) 使用成本低，开发费用低； ( 4 ) 技术支持多，很多专业公司参与； 而l i n u x 操作系统更大的影响则在于它正被广泛地应用于嵌入式系统的开 发之中。针对嵌入式系统的要求，l i n u x 操作系统可以对其体积和实时性进行改 造，充分发挥丌源软件的优势。 现今市场上比较流行的、提供嵌入式l i n u x 操作系统产品的、比较具有代表 性的主要公司大学及其产品有：r e dh a t 公司的基于e l i xa p i 的e c o s 系统、 意大利p r o s a 公司开发的e t l i n u x 、由t r a n s m e t a 公司开发的m i d o r il i n u x 、l i n e o 公司的u c l i n u x 、l y n x w o r k s 实时系统公司的l y n x o s 、专门针对a l m 芯片的 r a m l i n u x 系列，以及两种具有代表性的实时l i n u x ：新墨西哥工学院的r t l i n u x 和堪萨斯大学的k u r t - - l i n u x 等。 目前，嵌入式l i n u x 已获得飞速发展，可运行在x 8 6 、a i p h a 、s p a r e 、m i p s 、 p p c 、m o t o r o l a 、n e c 、a r m 等多种硬件平台上；而且开放源代码，可以由用户 与开发人员自行定制：其运行性能可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。由于 其市场发展迅速、前景可观，越来越多企业和研发机构现都转向于嵌入式系统的 开发和研究，使得新兴的嵌入式l i n u x 操作系统领域内获得了飞速发展。 2 2 嵌入式系统技术比较 2 2 。1 专用嵌入式和嵌入式l i n u x 比较 现市场应用比较广泛的嵌入式产品主要有：v x w o r k s 、p l a mo s 、u c o s u c i o s 2 、w i n d o w sc e 、等专用嵌入式操作系统和各种嵌入式l i n u x 系统：u c l i n u x 、 l y n x o s 、r t l if i u x 、k u r t - - l i n u x 、xl i n u x 和专门针对a r m 芯片的r a m l i n u x 系列等等。 根据专用嵌入式操作系统和嵌入式l i n u x 各自的技术特点，结合版权费用、 开发费用和购买费用等方面进行比较，比较结果如表2 1 。 表2 - 1 嵌入式专用系统和l i n u x 系统比较表 专用嵌入式操作系统篪a 才上如麟 版权费 一件产品一份版权费完全免费 购买费用 一件产品一份购买费，多达几十万完全免费 7 嵌入式系统在工业控制中的应用 人民币 技术支持 由开发商提供有限的技术支持由自由软件开发者提供 网络特性 需要另外付费用完全免费 软件移植 比较难比较简单。源代码开放 应用产品 比教长比较短，源代码开放 开发周期 实时性 比较好比较好，要求严格时需要改进 稳定性 比较好比较好，要求严格时需要改进 具体到l i n t e x 系统作为开发工具的技术优点，主要有如下四点： 第一，l i n u x 系统是层次结构且其内核完全开放。 l i n u x 是由很多体积小、性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的 前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行 改造，低成本地设计和开发出满足自己需要的嵌入式系统。 第二，强大的网络支持功能。 l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的特性，保证它支持所有标准因特网协 议，并可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。 此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统 应用打下了很好的基础。 第三，l i n u x 具备一整套工具链。 l i n u x 容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入 式系统开发中仿真工具的障碍。l i n u x 也符合i e e ep o s i x 1 标准，使应用程序 具有较好的可移植性。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的工具链( t o o l c h a i n ) 。它利用g n u 的g e e 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调试工具，能够 很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。 l i n u x 通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家族，但它同样能运彳亍于 m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和m m 、a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r mc p u 等处理器。l i n u x 支持各种主流硬件设备和最 新硬件技术，甚至可咀在没有存储管理单元( m j ) 的处理器上运行。 正是由于l i n u x 具有以上的诸多优点，因此，才能够被方便、迅速地应用于 i a 设备、p d a 、掌上电脑、w a p 手机、寻呼机、车载盒以及工业控制等智能信 息产品中。 8 嵌入式系统在工业控制中的应用 而能够被方便、迅速地广泛应用于众多领域则意味着嵌入式l i n u x 将具有更 。泛的应用前景。 2 2 2 嵌入式l i i l l i x 的优缺点 嵌入式l i n u x 相对于专用嵌入式操作系统而言，具有若干比较优势：内核是 层次结构且内核源代码完全开放、各种设备的技术支持广泛、提供强大的网络支 持功能、具有完整的开发工具链和相对低的开发费用。 目前，嵌入式l i n u x 的技术与市场的真正需求和专用嵌入式操作系统相比， 还存在以下相对不足：需要提供具体的驱动程序、实时性性能教低、必需裁剪 l i n u x 内核的体积、需要改变l i n u x 内核的体系结构。 因此，具体应用l i n u x 于某个项目的开发，还需要根据项目的具体要求在如 下几个方面进行对l i n u x 的扩充与调整： 第一，根据需要扩充l i n u x 实时性能。 实时性是嵌入式操作系统的基本要求。由于l i n u x 还不是个真正的实时操 作系统，内核不支持事件优先级和抢占实时特性，所以在开发嵌入式l i n u x 的过 程中，首要问题是扩展l i n u x 系统的实时性能。 对l i n u x 实时性的扩展可以从两方面进行：范围上扩展和内核上扩展。 从范围上扩展，就是让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。目前的 开发所面向的设备仅限于较简单的有实时要求的串并口数据采集、浮点数据计 算等，而像实时网络这样实时系统的高级应用还需进一步发展。 从内核上扩展，就是提高l i n u x 的实时处理和进程调度的性能。如嵌入式系 统r t - l i n u x ，它的基本原理是将l i n u x 本身的任务以及l i n u x 内核本身作为一个 优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务，即在实时任务存在的情 况下运行实时任务，否则就运行l i n u x 本身的任务。实时任务不同于l i n u x 普通 进程，是以l i n u x 的可装载的内核模块( l o a d a b l ek e r n e lm o d u l e ，l k m ) 的形式存 在的，需要运行实时任务的时候，将这个实时任务的内核模块插入到内核中去， 实时任务和l i n t l x 一般进程之间的通信通过共享内存或者f i f o 通道来实现。 目前系统开发主要是采用扩充l i n u x 内核，从功能上扩充l i n u x 的实时处理 和控制系统的方法来进行实时性的扩展。 第二，根据需要改变l i n u x 内核体系结构。 l i n u x 的内核体系采用的是m o n o l i t h i c ( 单一内核结构) 。在这种体系结构中， 内核的所有部分都集中在一起，而且所有的部件在一起编译连接。这样虽然能使 系统的各部分直接沟通，有效地缩短任务之间的切换时间，提高系统的响应速度 一9 - 嵌入式系统在工业控制中的应用 和c p u 的利用率，且实时性好；但在系绩比较大时体积也比较大，与嵌入式系 统容量小、资源有限的特点不符。 f 叮以考虑采用m i c r o k e m e l ( 微内核体系结构) ，内核中只包括一些摹本的 内核功能( 如创建和删除任务、任务调度、内存管理和中断处理等) ，让文件系 统、网络协议栈等部分都在用户内存空间里运行。 微内核体系结构的比较优势在于：能够减小内核的体积，方便系统的升级、 维护和移植，更能满足嵌入式系统的需要。可以根据需要将l i n u x 目前的 m o n o l i t h i c 内核结构中的部分结构改造成m i c r o k e r n e l 体系结构，即能够得到很 好的实时性，又能够减小嵌入式系统体积。 另外，l i n t e x 是一个需要占用存储器的操作系统。虽然这可以通过减少一些 不必要的功能来弥补，但浪费时间，容易带来使用问题。许多l i n u x 的应用程序 都要用到虚拟内存，而在嵌入式系统中是可以完全不使用虚拟内存的。 第三，l i n u x 的集成开发环境还需进一步完善。 一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是：编译连接 器、内核调试，跟踪器和集成图形界面开发平台( 编辑器、调试器、软件仿真器 和监视器等) 等。提供完整的集成开发环境的意义在于可方便系统开发人员的使 用，提高开发质量，加快开发进度。 在l i n u x 系统中，具有功能强大的g e e 编译器工具链，使用了基于g n u 的 调试器g d b 的远程调试功能，一般由一台客户机运行调试程序调试宿主机运行的 操作系统内核；在使用远程开发时还可以使用交叉平台的方式，如在w i n d o w s 平台下的调试跟踪器对l i n u x 的宿主系统做调试，因此基本可以系统开发满足要 求。但在系统进程的实时性能测试工具方面，还需要改进于提高。 因此，要使嵌入式l i n u x 在嵌入式操作系统领域中的优势更加明显，整体集 成开发环境还有待提高和完善。 2 3 小结 本节先简单介绍了专用嵌入式操作系统的发展历史，然后简单介绍了嵌入式 l i n u x 发展的现状，并且对专用嵌入式操作系统和嵌入式l i n u x 进行了比较，最 后介绍了嵌入式l i n u x 系统的若干优点和缺点，以及嵌入式l i n u x 系统主要需要 改进的方面。 一1 0 嵌入式系统在_ 业控制中的应用 第三章系统开发平台的确定 3 1 确定系统开发平台 3 1 1 选择系统平台的原则 在该监控系统中，选择系统开发平台的原则是：按照分析系统的结果，根据 系统的具体要求，确定选择系统开发平台。 在该监控系统中，需要实现的硬件特征( 即系统的要求) 有以下三点： ( 1 ) 低功耗； ( 2 ) 小体积； ( 3 ) 高集成度； 在该监控系统中，需要实现的软件特征( 也是系统的要求) 有以下三点： ( 1 ) 软件开发需要和硬件紧密联系。嵌入式系统的软件开发都是在具体的硬 件平台上进行的，其中大多都包括若干软硬件结合的部分( 比如硬件的 驱动程序) ； ( 2 ) 软件要求高效率、高可靠性。嵌入式系统的软件运行环境都比较苛刻， 要求运行空间小、内存空间小、运行效率高、实时性高、快速复位等等： ( 3 ) 可以让其软件固化在f l a s h 和r o m 中运行。完全满足嵌入式系统的 软件运行环境的条件； 因此，在该监控系统开发中选择嵌入式系统平台来实现该监控系统的功能。 在该监控系统中的嵌入式系统( 以下简称嵌入式监控系统) ，是指以应用为中心、 以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统，可以独立使用，但通常是作为其它系统 的组成部分而使用的。 该嵌入式监控系统的开发，选择好系统平台后，遵守如下开发步骤进行开发： ( 1 ) 确定嵌入式系统的需求。明确具体的应用要求，选择相关的硬件； ( 2 ) 设计嵌入式系统的体系结构。确定是否有实时性要求，根据是硬实时系统 还是软实时系统，确定处理器和相关的硬件； ( 3 ) 选择嵌入式软件系统，确定是否使用操作系统。根据使用需求，确定是 否使用嵌入式操作系统；如果需要使用嵌入式操作系统，根据使用需求， 一1 1 嵌入式系统在上业控制中的应用 确定使用f f 么嵌入式操作系统： ( 4 ) 选择开发平台。根据使用需求，确定使用的硬件jr 发平台、操作系统、 编程语言和软件开发工具； ( 5 ) 编写代码，优化代码。一般在主机系统上进行开发和优化工作； ( 6 ) 住硬件模拟器上验证软件。编写代码完成后，在主机系统上运行的在硬 件模拟器上测试软件； ( 7 ) 在嵌入式硬件系统上验证软件。在硬件模拟器上测试软件完成后，下载 到开发板上，在嵌入式硬件系统上进行测试； 下面，把按照这七个步骤进行分析后得到的具体结果进行阐述。 3 1 2 系统开发平台的确定 在本项目中，采用r a m l i n u x ( a r i v l i n u xv 2 4 ) 作为系统开发平台。 r a m l i n u x 是目前应用广泛的一种嵌入式l i f l u x 操作系统，它完全符合 g n u g p l 的标准，与u n i x 系统兼容，其源代码完全开放，官方网站： ! ! ! p ；z ! 璺! ：垒! 婴：! i 竖：! ! g ：! ! ， 主要负责人是r a m 公司的r u s s e l lk i n g 。 目前，r a m l i n u x 由r u s s e l lk i n g 和n i c op i t r e 维护的专门以a r m 和 s t r o n g a r m 处理器为目标的版本得到广泛的应用。其主要原因就在于r a m l i n u x 针对嵌入式应用的特点，对l i n u x 内核进行了修改、编译( 重新编译后内核较小) ， 包含常用l i n u x 的a p i ，具有高稳定性、网络功能强大等优点。 r a m l if l u x 作为目前应用广泛的一种嵌入式l i n u x 操作系统，除完全开放 源代码，易于裁剪、修改和补充等优点外，同时还具有以下几个主要特点： ( 1 ) 提供m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu 1 1 i t 内存管理单元) ，对于内存中的一 般内容也提供了高速缓存。出于尽量靠拢l i n u x 标准和易于移植的原因， 仍旧采用标准l i n u x 的分页内存管理结构，划分大、小页面成为四个子页 面； ( 2 ) 支持多种文件系统，包括n f s 、e x t 2 、r o m f s 、j f f s 、m s d o s 和f a t l 6 3 2 等文件格式； ( 3 ) 重新调整了应用程序库，可以支持几乎g l i b e 支持的全部应用： ( 4 ) 支持静态连接技术和动态连接技术，可以支持动态连接和e l f ； ( 5 ) 可以使用r t - l i n u x 的实时补丁的设计思想。对于实时性要求高的场合， 比如工业控制，就可以采用r t - l i n u x 的实时补丁的设计思想； r a m l i n u x 的开发平台的开发方式：需要采用主机一目标机模式，采用交叉 开发的方式进行开发。其中主机是p c 机工作站，由主机提供嵌入式l i n u x 系统 1 2 嵌入式系统在工业控制中的应用 的开发环境( w i n d o w s 系统iin u x 系统) ，由目标机提供嵌入式系统的运行环境， 运行嵌入式l i n u x 操作系统，通过串行l 】、以太网、或者仿真i f 器和主机进行通 信。主机一目标机模式开发模型如图3 - 1 所示。 主机 图3 1 主机一目标机模式开发模型示意图 本项目中根据以下几个角度来选择、论证系统的开发平台：考虑系统功能实 现( 需要实现系统功能要求、价格、功耗、处理速度和需要的硬件支持等) ；考 虑系统开发实现( 是否有足够的技术支持、对器件和开发模式的熟悉程度以及掌 握的难易程度、可用资源是否丰富等) ：系统的可继承性，可移植性和可扩展性： 供货商的技术水平和服务意识等。 选择系统的开发平台时，则根据该嵌入式监控系统的具体软硬件要求来确 定。 该嵌入式监控系统的硬件方面要求( 只考虑程序设计方面) 如下： ( 1 ) 以太网接口； ( 2 ) 串行接口； ( 3 ) 连接数据采集芯片的接口； 该嵌入式监控系统的软件方面要求( 只考虑程序设计方面) 如下： ( 1 ) 硬件接口驱动程序( r a m l i n u x 提供串口和网络控制器驱动) ； ( 2 ) 网络协议栈支持( r a m l i n u x 提供t c p i p ，u d p 等的协议栈) ； ( 3 ) 提供应用层运行程序( r a m 1 i n u x 提供若干程序源代码，可打补丁) ； 根据该嵌入式监控系统的软件和硬件方面要求，在项目开发中选择以 h h a r m 2 4 1 0 一i n t e g r a t i o n - r 1 ：基于三星$ 3 c 2 4 1 0 的处理器全功能的开发套件为主 要开发板。 华恒公司h h a r m 2 4 1 0 一i n t e g r a t i o n - r 1 嵌入式l i n u x 开发套件包括： ( 1 ) 华恒h h a l 瑚2 4 1 0 - i n t e g r a t i o n - r 1 开发板； ( 2 ) 嵌入式l i n u x 内核( a r m l i n u x ) 及设备驱动全部源代码光盘( 光盘安装 后建立完备的开发环境) ； - 1 3 - 嵌入式系统在工业控制中的应用 ( 3 ) g n u 编泽器( g c c ) 、链接器等全套工具集： ( 4 ) 提供b o o z l o a d e r ； ( 5 ) t a g 烧写工具( 连接计算机并口与a r j t a g 接口的j t a gc a b l e 以及软 件烧写r 具) ； ( 6 ) 以太网卜- 载、烧写f l a s i t 写入工具； ( 7 ) 核心板、接口板原理图； ( 8 ) 接口板p c b 图； ( 9 ) 华恒h h a r m 2 4 l o - i n t e g r a t i o n r 1 中文技术手册f o ra r m3 0 版； 0 0 ) l q 0 3 5 q t d b 0 22 5 6 k 色t f t 彩屏( 2 4 0 x 3 2 0 ) ： 0 d 串口线； 0 2 ) j t a g 烧写器； 电源： 该套嵌入式l i n u x 开发套件具有接口丰富、适用于多种领域的开发应用、高 处理速度、低功耗、高度集成性、小体积等特性。 该套件接口丰富：有1 6 9 5 m m x l l l 8 m m x l 5 r n m 尺寸接口；2 个串口；2 个u s b h o s t ；1 个u s b d e v i c e ：音频输入输出接口；i d e 接口；r t c ；4 个 按键；1 个1 0 m 1 0 0 m 以太网1 ：3 ；p s 2 接e l ；s d 卡接口；1 个彩屏接口；1 个j t a g 接口，1 个9 v 直流供电插座，尺寸仅为6 4 1 mx 4 0 m mx8 m m ，已经把数据、地 址总线、各接口引至7 2 x 2 p i n 插座上，充分考虑接口的扩展问题。 该套件适用于多种领域的开发应用：典型应用包括：手持设备、可视电话、 楼宇的对讲系统、v o i p 、网络监控、多媒体终端产品、医疗电子设备和各种其它 移动无线应用等，完全可以实现嵌入式监控系统的各项要求。 因此，选择h h a r m 2 4 1 0 - i n t e g r a t i o n r i 一基于三星$ 3 c 2 4 1 0 的处理器的开 发套件作为该嵌入式监控系统开发的主要开发板。 3 2k r i e - - lin u x 软件开发工具 3 2 1 嵌入式l in u x 常见开发工具 该嵌入式监控系统开发工具主要采用g n ut o o l s ( g n u 开发工具集) 。 g n ut o o l s 是l ir l u x 环境下最主要的开发工具合集，遵守g p l 协议的嵌入式 l i n u x 系统的常用开发工具主要可以分为三个部分：编辑开发工具如v i 、g c c 等， 调试工具如g d b 等，软件工程工具如m a k e f i l e 、c v s 等。其中主要的工具如下： ( 1 ) 编辑工具v i 。v i 是l i n u x u n i x 系统通用的全屏幕文本编辑工具； 1 4 嵌入式系统在工业控制中的应用 ( 2 ) g u 编详工具集g c c 。自由软件g n ug c c 编洋器是一套完整的多种语言 交叉编译器包括c 、c 十 、a d “、p a s c a l 等) ，包括g n uc 语言交叉编 译器g c c 、g n uc 语言交叉编译器预处理器c p p 、基本符合i s 0 标准的 c 4 + 编译器g “； ( 3 ) 二进制_ 具程序集b i n u t i l s 。辅助g n u 编译工具集g c c 的主要软件，包括 g n u 的交叉汇编工具a s 、反汇编工具o b j d u m p 、连接工具1 d 、复制和转 换o b j e c t 的工具o b j c o p y 等； ( 4 ) g n u 的m a k e 。m a k e 程序和m a k e f i1 e 文件是l i n u x u n i x 系统实现自动编 译的工具： ( 5 ) 调试工具6 d b 。调试工具g d b 作为g n ug c c 编译器一个组成部件，支持 交叉调试，因此可作为嵌入式k t 0 & k i n u x 系统的主要调试工具； ( 6 ) 版本控制系统c v s ； 为了监控系统，该嵌入式监控系统需要提供网络服务功能。为能够提供及时 的网络通讯和处理，准备采用通过一系列相互连接层的软件来实现协议地址族， 并且完全遵守t c p f l p 协议族实