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(biāo)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(jìn)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(jī)測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計算機(jī)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(jìn)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，應(yīng)用程序可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)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(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。

　　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(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)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(jìn)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(jī)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(biāo)志*/

　　Linux_restore_flags， /*恢復(fù)中斷前的標(biāo)志*/

　　Task_and_ack_8259A， /*中斷屏蔽*/

　　Enable_8259A_irq， /*中斷使能*/

　　Linux_ack_APIC_irq，

　?。ǎ?， /*在io_apic.c文件中設(shè)置*/

　　&io_apic_irgs，

　　&irq_controller_lock，

　　irq_desc，

　　irq_vector，

　?。ǎ?， /*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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志位intr_flag設(shè)為0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF標(biāo)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(qiáng)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的態(tài)。用戶進(jìn)程可利用Linux操作系統(tǒng)提供的大量資源，進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(qiáng)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