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系统设计
1 硬件设计
嵌入式系统的硬件运行平台是开发应用程序的基础，整个开发板可基于IntelRSA-1110 微处理器架构。
嵌入式系统的硬件结构框图。该硬件针对网络服务的应用选择了Intel系列中的Strong ARM MCU。Strong ARM SA-1110是一款高性能、低价位、高集成度微处理器。SA-1110芯片内部集成有能以206MHz运行的32-bit Intel Stron-ggarm RISC处理器，以及速度可达100MHz的存储器总线和灵活的存储器控制器，可支持SDRAM、SMROM以及variable-latency I/O 设备，并可为系统设计提供较高的存储带宽。由于SA-1110可以适应较大流量的网络应用，因而可为运行Linux提供硬件上的支持。此外，SA-1110还在开发板上集成有32MB的SDRAM、8MB的Flash、10 base T以太网接口、RS232/RS485串口、I/O接口以及扩展Flash卡存储器等。有关SA-1110更详细的资料可参考有关资料。
2 软件设计
嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。如前面所述，嵌入式系统在内存容量和存储容量不足的情况下，必须对Linux进行裁减设计。在裁剪过程中，所涉及的主要技术有下面几种。
(1)内核的精简
标准Linux是面向PC的，它集成了许多PC所需要而嵌入式系统并不需要的功能。因此，对一些可独立加上或卸下的功能块，可在编译内核时，仅保留嵌入式系统所需的功能模块，而删除不需要的功能块。这样，重新编译过的内核就会显著减小。
(2)虚拟内存机制的屏蔽
经过分析发现，虚拟内存是导致Linux实时性不强的原因之一。在工业控制中，一些任务要满足一定的实时性要求，屏蔽内核的虚拟内存管理机制可以增强Linux的实时性。当要更改内核的某项机制时，一般不必大规模地写代码，可采用条件编译的方法。同时由于Linux系统对应用进程采用的是公平的时间分配调度算法，但这一算法也不能保证系统的实时性要求，因此要求对其进行更改。更改途径有两种：一是通过POSIX，二是通过底层编程。笔者是通过Linux的实时有名管道(FIFO)的特殊队列来处理实时任务的先后顺序。实际上，实时有名管道就象实时任务一样从不换页，因而可以大大减少由于内存翻页而造成的不确定延时。
(3)设备驱动程序的编写
确定了内核的基本功能后，就要为特定的设备编写驱动程序，可按照在Linux下编写驱动程序的规则进行编写。编写的设备驱动程序应当具有以下功能：
●对设备进行初始化和释放;
●完成数据从内核到硬件设备的传送和从硬件读取数据两项功能;
●读取应用程序传递给设备文件的数据以及回送应用程序请求的数据;
●检测和处理设备出现的错误。
(4)开发基于闪存的文件系统JFFS
应用程序和重要数据通常以文件的形式被存放在闪存文件系统中。JFFS2 文件系统是日志结构化的，这意味着它基本上是一长列节点。每个节点包含着有关文件的部分信息。JFFS2是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理，因而具有其它文件系统不可比拟的优点。具体如下：
●JFFS2 在扇区级别上执行闪存擦除/写/读操作要比 Ext2文件系统好。
●JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩溃/掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2文件系统会将整个扇区复制到内存(DRAM)中，并在内存中合并成新数据再写回整个扇区。而JFFS2 则可以随时更改需要的(不是重写)整个扇区，同时还具有崩溃/掉电安全保护功能。
实现上述几个步骤后，一个小型的Linux操作系统就构造完成了。构造后的Linux包括进程管理、内存管理和文件管理等三部分。它支持多任务并行，有完整的TCP/IP协议，同时Linux内建有对以太网控制器的支持，可以通过以太网口连到以太网上，以实现远程配置与监控。
将裁剪好的内核移植到所用的目标板上时，首先应将内核编译成针对该处理器的目标代码。由于不同硬件体系的移植启动代码会有所不同，因此，一些内核程序可能要改写。涉及到编写Linux的引导代码和修改与体系结构相关部分代码主要是启动引导、内存管理和中断处理部分。将M-System公司的DOC 2000作为系统的启动设备时，引导代码可以放在DOC上。这样3系统加电后，引导代码即可进行基本的硬件初始化，然后把内核映象装入内存并运行,最后，再将调试好的内核和应用程序烧录到闪存中。由于此时裁剪后的Linux已成功移植到目标平台上,因此,在启动可运行的开发系统时,就可以根据具体的应用来开发应用程序。如数据采集模块、数据处理模块、通信和数据发布模块等等。
结束语
如今，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心，因此,用工控系统与Internet相结合来实现网络化已是一种必然的趋势。而把嵌入式Linux微处理器内核嵌入到基于Strongarm SA1110 的32位MCU系统中，然后通过构造TCP/IP多种网络协议和基本网络通信协议，再利用嵌入式操作系统对底层硬件和网络协议的支持，以及对工控系统实时性要求的Linux内核和虚拟内存机制进行改造，即可保证测控任务完成的实时性和可靠性。可以预见，这种方案在工业控制领域具有很好的应用前景，而且具有开发周期短、系统性能稳定可靠、适应性强等特点。 |
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