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。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(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)域的特點對它進行定制開發(fā)，以滿足實際應(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

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(shè)計

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(shè)備狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。

2.3.2 Linux下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護機制，用戶空間的進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(guān)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(fù)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(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)原來標準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中實現(xiàn)的同名函數(shù)，在RTAI中實現(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中的中斷標志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標志來關(guān)中斷，解決了Linux中長期關(guān)中斷的問題。

3.2 采用RTAI增強Linux實時性的實現(xiàn)?

通過修改Linux內(nèi)核相關(guān)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(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)用程序分為實時任務(wù)和非實時任務(wù)。實時任務(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)。用戶進程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，開發(fā)圖形用戶界面程序等。實時任務(wù)之間、實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間可通過Fifo隊列和共享內(nèi)存等方法通信。RTAI-Linux應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

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)計方案

數(shù)據(jù)采集任務(wù)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(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(yīng)用于測控系統(tǒng)的基于Linux的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方案，能保證測控任務(wù)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(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

創(chuàng)新點：在嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)上，提供了開發(fā)實時應(yīng)用程序的接口;利用實時應(yīng)用接口(RTAI)來增強Linux的實時性，并引入實時硬件抽象層結(jié)構(gòu)(rthal)、實時調(diào)度器、實時FIFO等實時服務(wù);給出了在RTAI-Linux環(huán)境下開發(fā)工業(yè)測控系統(tǒng)中實時應(yīng)用程序的方法