基于Linux的嵌入式工業(yè)測控系統(tǒng)

1、測控技術與儀器主要內容主要內容1234什么是嵌入式系統(tǒng)及其應用什么是嵌入式系統(tǒng)及其應用小至電子體溫計小至電子體溫計, ,大致飛機的自動導航系統(tǒng)大致飛機的自動導航系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用機頂盒機頂盒家庭網(wǎng)關家庭網(wǎng)關互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)無線無線手機手機PDA汽車汽車游戲游戲視頻視頻測控系統(tǒng)簡介測控系統(tǒng)簡介 測控系統(tǒng)是一個廣闊的領域，涉及到工控機，測控系統(tǒng)是一個廣闊的領域，涉及到工控機，總線，接口技術，傳感技術，通信總線，接口技術，傳感技術，通信 技術，控制方法，技術，控制方法，編程技術，多任務實時操作系統(tǒng)編程技術，多任務實時操作系統(tǒng)等多方面的知等多方面的知識。識。 測量與控制系統(tǒng)是人

2、類認識世界，改造世界意測量與控制系統(tǒng)是人類認識世界，改造世界意志的科學技術的實現(xiàn)。是利用最新物理學理論和效志的科學技術的實現(xiàn)。是利用最新物理學理論和效應的基礎上應的基礎上, ,利用最現(xiàn)代化的技術手段來研究客觀的利用最現(xiàn)代化的技術手段來研究客觀的學科，他的發(fā)展學科，他的發(fā)展, ,促進了自然科學的進步及生產(chǎn)的現(xiàn)促進了自然科學的進步及生產(chǎn)的現(xiàn)代化?，F(xiàn)代科學技術，特別是制造業(yè)，對測量的精代化?，F(xiàn)代科學技術，特別是制造業(yè)，對測量的精度，效率要求越來越高。已經(jīng)從靜態(tài)到動態(tài)，從實度，效率要求越來越高。已經(jīng)從靜態(tài)到動態(tài)，從實驗室到現(xiàn)場，從單要素測量到全息測量，從單純測驗室到現(xiàn)場，從單要素測量到全息測量，從單純

3、測量到反饋控制。量到反饋控制。測控系統(tǒng)實現(xiàn)測控系統(tǒng)實現(xiàn) 各種測控系統(tǒng)和智能儀器、儀表基本組成包括：各種測控系統(tǒng)和智能儀器、儀表基本組成包括：傳感器、計算機系統(tǒng)、執(zhí)行器?，F(xiàn)在，傳感器、執(zhí)傳感器、計算機系統(tǒng)、執(zhí)行器?，F(xiàn)在，傳感器、執(zhí)行器的通用性越來越好，設計自動測控系統(tǒng)或智能行器的通用性越來越好，設計自動測控系統(tǒng)或智能儀器儀表有標準的儀器儀表有標準的4 420mA20mA或或0 010mA10mA的標準信號輸?shù)臉藴市盘栞敵龅膫鞲衅骱徒邮軜藴黍寗有盘柕膱?zhí)行器供選擇，出的傳感器和接受標準驅動信號的執(zhí)行器供選擇，因此，設計者只需設計計算機系統(tǒng)部分，計算機系因此，設計者只需設計計算機系統(tǒng)部分，計算機系統(tǒng)基

4、本結構是一致的，僅涉及到具體芯片選擇，實統(tǒng)基本結構是一致的，僅涉及到具體芯片選擇，實現(xiàn)途徑大同小異，加之單片機技術的迅猛發(fā)展，其現(xiàn)途徑大同小異，加之單片機技術的迅猛發(fā)展，其集成度越來越高，功能越來越強，接口更容易，集成度越來越高，功能越來越強，接口更容易，航天測控系統(tǒng)航天測控系統(tǒng) 對運行中的航天器（運載火箭、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船和其他空對運行中的航天器（運載火箭、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船和其他空間飛行器）進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統(tǒng)。間飛行器）進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統(tǒng)。 發(fā)展概況發(fā)展概況 第二次世界大戰(zhàn)以后不久第二次世界大戰(zhàn)以后不久, ,在火箭試驗中就已采用某些光在火箭試驗中就

5、已采用某些光學和電子測量系統(tǒng)，例如光學跟蹤經(jīng)緯儀和多普勒測速儀。但是作為完學和電子測量系統(tǒng)，例如光學跟蹤經(jīng)緯儀和多普勒測速儀。但是作為完整的航天測控系統(tǒng)，則是在人造地球衛(wèi)星出現(xiàn)之后才逐步形成的。最早整的航天測控系統(tǒng)，則是在人造地球衛(wèi)星出現(xiàn)之后才逐步形成的。最早的較為完整的航天測控系統(tǒng)是美國航空航天局的較為完整的航天測控系統(tǒng)是美國航空航天局(NASA)(NASA)于于19611961年發(fā)射年發(fā)射“水水星星”號載人飛船時使用的全球跟蹤網(wǎng)。這個系統(tǒng)在全球布有號載人飛船時使用的全球跟蹤網(wǎng)。這個系統(tǒng)在全球布有1616個跟蹤站，個跟蹤站，其中其中1414個站有雷達測量系統(tǒng)，個站有雷達測量系統(tǒng)，1515個站

6、有遙測接收系統(tǒng)，個站有遙測接收系統(tǒng)，6 6個站有遙控系個站有遙控系統(tǒng)統(tǒng),14,14個站有對飛船的通信系統(tǒng)。每個站均有自己的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，全系個站有對飛船的通信系統(tǒng)。每個站均有自己的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，全系統(tǒng)的時間則經(jīng)與天文時間發(fā)播臺的時號相比對而統(tǒng)一起來。測控中心設統(tǒng)的時間則經(jīng)與天文時間發(fā)播臺的時號相比對而統(tǒng)一起來。測控中心設在戈達德航天中心在戈達德航天中心, ,配有配有2 2臺臺IBM-7090IBM-7090計算機作為實時計算、決策和控制計算機作為實時計算、決策和控制之用。全系統(tǒng)靠全球性的通信網(wǎng)來相互連接，但其中相當一部分線路是之用。全系統(tǒng)靠全球性的通信網(wǎng)來相互連接，但其中相當一部分線路是租用的

7、。隨后，租用的。隨后，“阿波羅阿波羅”號登月飛船、同步通信衛(wèi)星、同步氣象衛(wèi)星號登月飛船、同步通信衛(wèi)星、同步氣象衛(wèi)星和航天飛機相繼發(fā)射和航天飛機相繼發(fā)射, ,測控系統(tǒng)更趨完善測控系統(tǒng)更趨完善, ,特別是實時控制方面的功能和特別是實時控制方面的功能和自動化程度均有很大的提高。除了對近地衛(wèi)星和飛船的測控系統(tǒng)外，還自動化程度均有很大的提高。除了對近地衛(wèi)星和飛船的測控系統(tǒng)外，還建立了對行星際探測的深空測控網(wǎng)。建立了對行星際探測的深空測控網(wǎng)。 中國航天測控系統(tǒng)也是在航天事業(yè)的發(fā)展中逐步臻于完善的。在大中國航天測控系統(tǒng)也是在航天事業(yè)的發(fā)展中逐步臻于完善的。在大陸上已經(jīng)建立了多個測控站和一個測控通信中心。為了

8、擴展觀測范圍陸上已經(jīng)建立了多個測控站和一個測控通信中心。為了擴展觀測范圍, ,還還建造了海上測量船建造了海上測量船, ,以便駛往遠洋對航天器進行跟蹤觀測。在整個測控系以便駛往遠洋對航天器進行跟蹤觀測。在整個測控系統(tǒng)中使用了多臺計算機，并有貫通各個測控站、測量船和測控中心的通統(tǒng)中使用了多臺計算機，并有貫通各個測控站、測量船和測控中心的通信網(wǎng)絡。信網(wǎng)絡。 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 航天測控系統(tǒng)包括以下各種系統(tǒng)。前航天測控系統(tǒng)包括以下各種系統(tǒng)。前 3 3個系統(tǒng)，由地面?zhèn)€系統(tǒng)，由地面的和裝在航天器上的兩部分電子設備組成。的和裝在航天器上的兩部分電子設備組成。 跟蹤測量系統(tǒng)：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道。跟蹤測

9、量系統(tǒng)：跟蹤航天器，測定其彈道或軌道。 遙測系統(tǒng)：測量和傳送航天器內部的工程參數(shù)和用遙測系統(tǒng)：測量和傳送航天器內部的工程參數(shù)和用敏感器測得的空間物理參數(shù)。敏感器測得的空間物理參數(shù)。 遙控系統(tǒng)：通過無線電對航天器的姿態(tài)、軌道和其遙控系統(tǒng)：通過無線電對航天器的姿態(tài)、軌道和其他狀態(tài)進行控制。他狀態(tài)進行控制。 計算系統(tǒng)：用于彈道、軌道和姿態(tài)的確定和實時控計算系統(tǒng)：用于彈道、軌道和姿態(tài)的確定和實時控制中的計算。制中的計算。 時間統(tǒng)一系統(tǒng)：為整個測控系統(tǒng)提供標準時刻和時時間統(tǒng)一系統(tǒng)：為整個測控系統(tǒng)提供標準時刻和時標。標。 顯示記錄系統(tǒng)：顯示航天器遙測、彈道、軌道和其顯示記錄系統(tǒng)：顯示航天器遙測、彈道、軌道

10、和其他參數(shù)及其變化情況，必要時予以打印記錄。他參數(shù)及其變化情況，必要時予以打印記錄。 通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：作為各種電子設備和通信網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：作為各種電子設備和通信網(wǎng)絡的中間設備，溝通各個系統(tǒng)之間的信息，以實現(xiàn)指揮調度。絡的中間設備，溝通各個系統(tǒng)之間的信息，以實現(xiàn)指揮調度。 工業(yè)控制發(fā)展工業(yè)控制發(fā)展 當前，在工業(yè)控制領域，網(wǎng)絡控制技術快速發(fā)展。網(wǎng)絡控制要求當前，在工業(yè)控制領域，網(wǎng)絡控制技術快速發(fā)展。網(wǎng)絡控制要求測控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場完成復雜的測控任務，測控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一方面要在現(xiàn)場完成復雜的測控任務，通常一些任務具有一定的實時性的要求；另一方面要求測

11、控系統(tǒng)能夠與通常一些任務具有一定的實時性的要求；另一方面要求測控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。而在目前應用的大多數(shù)測控系某一類型的控制網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。而在目前應用的大多數(shù)測控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用8/168/16位的單片機；軟件多采用匯編語言編位的單片機；軟件多采用匯編語言編程，僅包含一個簡單的循環(huán)處理的控制流程；單片機與單片機或上位機程，僅包含一個簡單的循環(huán)處理的控制流程；單片機與單片機或上位機之間通信通過之間通信通過RS232RS232、RS485RS485來組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功來組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差

12、、開發(fā)困難的問題。而工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領域獲能差、開發(fā)困難的問題。而工業(yè)以太網(wǎng)已逐步完善，在工業(yè)控制領域獲得越來越多的應用。工業(yè)以太網(wǎng)使用了得越來越多的應用。工業(yè)以太網(wǎng)使用了TCP/IPTCP/IP協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡的優(yōu)點?，F(xiàn)在，高速控制網(wǎng)絡的優(yōu)點?，F(xiàn)在，3232位嵌入式位嵌入式CPUCPU價格的下降，性能指標的提價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能性?；谏鲜銮闆r，我們將嵌高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能性?；谏鲜銮闆r，我們將嵌入式系統(tǒng)應用于測控系統(tǒng)，可大大提高測控系統(tǒng)的性能，嵌入式系統(tǒng)一入式系統(tǒng)應用于測控系統(tǒng)

13、，可大大提高測控系統(tǒng)的性能，嵌入式系統(tǒng)一般應用嵌入式操作系統(tǒng)來開發(fā)。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上，由于般應用嵌入式操作系統(tǒng)來開發(fā)。在嵌入式操作系統(tǒng)的選擇上，由于LinuxLinux有完整開放的源代碼，可針對具體應用修改和優(yōu)化系統(tǒng)，內核穩(wěn)定，適有完整開放的源代碼，可針對具體應用修改和優(yōu)化系統(tǒng)，內核穩(wěn)定，適用于多種用于多種CPUCPU和多種硬件平臺，支持網(wǎng)絡等特點，因而選擇和多種硬件平臺，支持網(wǎng)絡等特點，因而選擇LinuxLinux作為嵌作為嵌入式操作系統(tǒng)。入式操作系統(tǒng)。 網(wǎng)絡技術在嵌入式系統(tǒng)中的作用網(wǎng)絡技術在嵌入式系統(tǒng)中的作用 隨著網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得隨著網(wǎng)絡控制技術的快速發(fā)展，工業(yè)

14、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。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)使用了工業(yè)以太網(wǎng)使用了TCP/IPTCP/IP協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高協(xié)議，便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡的優(yōu)點。隨著速控制網(wǎng)絡的優(yōu)點。隨著3232位嵌入式位嵌入式CPUCPU價格的下降，價格的下降，性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用和性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用和LinuxLinux在在嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展提供了廣闊的空間。由于LinuxLinux的的高度靈活性，可以容易地根據(jù)應用領域的特點對它進高度靈活性，可以容易地根據(jù)應用領域

15、的特點對它進行定制開發(fā)，以滿足實際應用需要。行定制開發(fā)，以滿足實際應用需要。 測控系統(tǒng)總體設計測控系統(tǒng)總體設計 設計目標設計目標 測控系統(tǒng)以基于測控系統(tǒng)以基于LinuxLinux的嵌入式系統(tǒng)為核心，設計目的嵌入式系統(tǒng)為核心，設計目標歸納起來主要有以下幾點：標歸納起來主要有以下幾點：v (1)(1)測控任務在現(xiàn)場完成。測控系統(tǒng)采用分散的控制策略，測控任務在現(xiàn)場完成。測控系統(tǒng)采用分散的控制策略，系統(tǒng)正常運行時上位機只起到狀態(tài)監(jiān)控的作用。在工業(yè)現(xiàn)系統(tǒng)正常運行時上位機只起到狀態(tài)監(jiān)控的作用。在工業(yè)現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、過程控制等多種任務，能確場完成數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、過程控制等多種任務，能確保一些

16、任務完成的實時性。保一些任務完成的實時性。v (2)(2)具有一定的自診斷、自校正的功能，將故障情況上傳具有一定的自診斷、自校正的功能，將故障情況上傳給上位機，便于維護人員查錯、排錯。具有動態(tài)顯示和數(shù)給上位機，便于維護人員查錯、排錯。具有動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲能力。據(jù)存儲能力。v (3)(3)測控系統(tǒng)可連到工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠測控系統(tǒng)可連到工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。程監(jiān)控。技術路線技術路線 嵌入式系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，運行嵌入式系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，運行嵌入式嵌入式Linux Linux 操作系統(tǒng)。應用程序可通過網(wǎng)絡進操作系統(tǒng)。應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新；通過

17、鍵盤進行人機對話；數(shù)據(jù)可通過行更新；通過鍵盤進行人機對話；數(shù)據(jù)可通過LCDLCD現(xiàn)場顯示；重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在現(xiàn)場顯示；重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在FlashFlash存存儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或輸，也可通過以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或InernetInernet發(fā)發(fā)布信息，用戶通過顯示界面查看設備狀態(tài)，設置布信息，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。設備參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。 總體框架總體框架 嵌入式系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，運行嵌入式嵌入式系統(tǒng)以嵌入式微處理

18、器為核心，運行嵌入式Linux Linux 操作系統(tǒng)。應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新；通操作系統(tǒng)。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)可通過過鍵盤進行人機對話；數(shù)據(jù)可通過LCDLCD現(xiàn)場顯示；重要現(xiàn)場顯示；重要數(shù)據(jù)可以文件形式保存在數(shù)據(jù)可以文件形式保存在FlashFlash存儲器中；數(shù)據(jù)和報警存儲器中；數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網(wǎng)口向信息可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網(wǎng)口向工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)以太網(wǎng)或InernetInernet發(fā)布信息，用戶通過顯示界面查發(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、遠程維看設備狀態(tài)，設置設備參數(shù)，

19、實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程維護。護。 硬件設計硬件設計 考慮一般測控系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)要求比較多考慮一般測控系統(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、的功能有：鍵盤接口、顯示接口、A/D(A/D(或或D/A)D/A)轉轉換單元、可擴展的換單元、可擴展的I/OI/O接口、打印機接口、與接口、打印機接口、與PCPC機機通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實現(xiàn)的嵌入式系通信的串行接口、以太網(wǎng)口等。實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)硬件框圖如下：統(tǒng)硬件框圖如下：處理器的選擇處理器的選擇 針對測控系統(tǒng)的應用，選擇針對測控系統(tǒng)的應用，選擇MotorolaMotorola的的ColdfireColdfire系列的系列的MCF53

20、07.MCF5307MCF5307.MCF5307是一款高性能、低是一款高性能、低價位、高集成度的微處理器，為嵌入式控制應用而價位、高集成度的微處理器，為嵌入式控制應用而設計。設計。MCF5307MCF5307的處理能力達的處理能力達70 MIPS70 MIPS，工作頻率，工作頻率88.47 MHz88.47 MHz，總線頻率，總線頻率44.236 MHz44.236 MHz，為運行，為運行LinuxLinux提提供硬件上的支持，在開發(fā)板上還集成有供硬件上的支持，在開發(fā)板上還集成有16 M16 M的的SDRAMSDRAM、2 M2 M的的FLASHFLASH、10 baseT10 baseT以

21、太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)接口、RS232/RS485RS232/RS485串串口、口、I/OI/O接口等。接口等。 軟件設計軟件設計 嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心。我嵌入式操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心。我們選擇們選擇LinuxLinux，但典型的，但典型的LinuxLinux是為桌面配置的，內是為桌面配置的，內核十分龐大，而嵌入式系統(tǒng)的核十分龐大，而嵌入式系統(tǒng)的RAMRAM存儲容量很小，因存儲容量很小，因此，要把此，要把LinuxLinux操作系統(tǒng)裝入有限的內存，就要對它操作系統(tǒng)裝入有限的內存，就要對它進行裁剪，在裁剪過程中涉及的主要技術有：進行裁剪，在裁剪過程中涉及的主要技術有：(1) (

22、1) 內核的精簡。內核的精簡。 標準標準LinuxLinux是面向是面向PCPC的，集成了許多的，集成了許多PCPC需要而嵌需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的功能。對一些可獨立加上或卸入式系統(tǒng)并不需要的功能。對一些可獨立加上或卸下的功能塊，可在編譯內核時，僅保留嵌入式系統(tǒng)下的功能塊，可在編譯內核時，僅保留嵌入式系統(tǒng)所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能。例如，所需的功能支持模塊，刪除不需要的功能。例如，測控系統(tǒng)要連入以太網(wǎng)，就要提供對測控系統(tǒng)要連入以太網(wǎng)，就要提供對TCP/IPTCP/IP的支持，的支持，編譯時加上編譯時加上TCP/IPTCP/IP棧；而棧；而SCSISCSI、 FloppyFloppy

23、之類的外設之類的外設在我們的嵌入式系統(tǒng)中完全沒有必要，編譯時可去在我們的嵌入式系統(tǒng)中完全沒有必要，編譯時可去掉。這樣，重新編譯過的內核顯著減小。掉。這樣，重新編譯過的內核顯著減小。(2) (2) 虛擬內存機制的屏蔽。虛擬內存機制的屏蔽。 經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內存是導致經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，虛擬內存是導致LinuxLinux實時性不強的原因之一。在工實時性不強的原因之一。在工業(yè)控制中一些任務要滿足一定的實時性的要求，屏蔽內核的虛擬內存管業(yè)控制中一些任務要滿足一定的實時性的要求，屏蔽內核的虛擬內存管理機制可以增強理機制可以增強LinuxLinux的實時性。當要更改內核的某項機制時，一般不必的實時性。當要更改

24、內核的某項機制時，一般不必大規(guī)模的改寫代碼，可采用條件編譯的方法。思路是用大規(guī)模的改寫代碼，可采用條件編譯的方法。思路是用#ifdef#ifdef或或 #ifndef#ifndef屏蔽現(xiàn)有語句，在屏蔽現(xiàn)有語句，在#else#else宏編譯語句中包括自己編寫的代碼。實宏編譯語句中包括自己編寫的代碼。實現(xiàn)虛擬內存的機制有：地址映射機制、內存分配和回收機制，緩存和刷現(xiàn)虛擬內存的機制有：地址映射機制、內存分配和回收機制，緩存和刷新機制、請頁機制、交換機制、內存共享機制，將實現(xiàn)這些機制的數(shù)據(jù)新機制、請頁機制、交換機制、內存共享機制，將實現(xiàn)這些機制的數(shù)據(jù)結構和函數(shù)屏蔽或修改，還要修改與之相關的文件。需要改

25、動的文件主結構和函數(shù)屏蔽或修改，還要修改與之相關的文件。需要改動的文件主要在要在 /include/linux/include/linux、/mm/mm、/drivers/char/drivers/char、/fs/fs、/ipc/kernel/ipc/kernel、/init/init目錄下。主要的改動如下：與虛存有關的主要的數(shù)據(jù)結構是目錄下。主要的改動如下：與虛存有關的主要的數(shù)據(jù)結構是vm_area_structvm_area_struct，將進程的，將進程的mm_structmm_struct結構中的結構中的vm_area_structvm_area_struct去掉，去掉，vm_are

26、a_structvm_area_struct利用了利用了vm_opsvm_ops來抽象出對虛擬內存的處理方法，屏蔽與來抽象出對虛擬內存的處理方法，屏蔽與虛擬內存操作有關的函數(shù)。內存映射主要由虛擬內存操作有關的函數(shù)。內存映射主要由do_mmap()do_mmap()實現(xiàn)，改寫此函數(shù)實現(xiàn)，改寫此函數(shù)的代碼。取消交換操作，屏蔽用于交換的結構和函數(shù)聲明，以及實現(xiàn)交的代碼。取消交換操作，屏蔽用于交換的結構和函數(shù)聲明，以及實現(xiàn)交換的代碼。取消內核守護進程換的代碼。取消內核守護進程kswapd.kswapd.(3) (3) 設備驅動程序的編寫。設備驅動程序的編寫。 確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編

27、確定了內核的基本功能后，就要為特定的設備編寫驅動程序，可按照在寫驅動程序，可按照在LinuxLinux下編寫驅動程序的規(guī)則下編寫驅動程序的規(guī)則編寫。編寫的設備驅動程序應具有以下功能：對編寫。編寫的設備驅動程序應具有以下功能：對設備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內核傳到硬件和從設備初始化和釋放；把數(shù)據(jù)從內核傳到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應用程序傳遞給設備文件的硬件讀取數(shù)據(jù)；讀取應用程序傳遞給設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測和處理設數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)；檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。備出現(xiàn)的錯誤。Linux Linux 操作系統(tǒng)優(yōu)化操作系統(tǒng)優(yōu)化 實現(xiàn)上述步驟后，一個小型的實現(xiàn)上述步驟后，一

28、個小型的Linux Linux 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)就構造完成了。構造后的就構造完成了。構造后的LinuxLinux包括進程管理、內存包括進程管理、內存管理和文件管理，支持多任務并行；開發(fā)基于閃存管理和文件管理，支持多任務并行；開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)，應用程序和重要數(shù)據(jù)以文件的形式被的文件系統(tǒng)，應用程序和重要數(shù)據(jù)以文件的形式被存放在閃存文件系統(tǒng)中；有完整的存放在閃存文件系統(tǒng)中；有完整的TCP/IPTCP/IP協(xié)議棧，協(xié)議棧，LinuxLinux內建有對以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太內建有對以太網(wǎng)控制器的支持，可以通過以太網(wǎng)口連到工業(yè)以太網(wǎng)上，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。網(wǎng)口連到工業(yè)以太網(wǎng)上，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。內核

29、的移植、編譯內核的移植、編譯 還要將裁剪好的內核移植到所用的目標板還要將裁剪好的內核移植到所用的目標板上，通常移植內核時，首先要將內核編譯成針對該上，通常移植內核時，首先要將內核編譯成針對該處理器的目標代碼。而我們所用的嵌入式微處理器處理器的目標代碼。而我們所用的嵌入式微處理器MCF5307 MCF5307 是是ColdFireColdFire系列，它有一些不同于其它系列，它有一些不同于其它CPUCPU的地方，一些內核程序要改寫，涉及到編寫的地方，一些內核程序要改寫，涉及到編寫LinuxLinux的的引導代碼和修改與體系結構相關部分的代碼，主要引導代碼和修改與體系結構相關部分的代碼，主要是內存

30、管理和中斷處理部分。將是內存管理和中斷處理部分。將FlashFlash作為系統(tǒng)的啟作為系統(tǒng)的啟動設備，引導代碼放在動設備，引導代碼放在FlashFlash上。系統(tǒng)加電后，由引上。系統(tǒng)加電后，由引導代碼進行基本的硬件初始化，然后把內核映象裝導代碼進行基本的硬件初始化，然后把內核映象裝入內存運行。入內存運行。應用程序的開發(fā)應用程序的開發(fā) 對于應用程序的開發(fā)，針對測控系統(tǒng)的具體應用，利用對于應用程序的開發(fā)，針對測控系統(tǒng)的具體應用，利用Linux Linux 提供提供APIAPI接口開發(fā)應用程序。測控系統(tǒng)要完成多個任務，接口開發(fā)應用程序。測控系統(tǒng)要完成多個任務，因為屏蔽了虛擬內存機制，所有的任務共同享

31、有物理內存，因為屏蔽了虛擬內存機制，所有的任務共同享有物理內存，存在于統(tǒng)一的線性空間中。任務中的地址為真正的物理地址，存在于統(tǒng)一的線性空間中。任務中的地址為真正的物理地址，由于不需要進行地址空間映射，在任務切換時的上下文切換由于不需要進行地址空間映射，在任務切換時的上下文切換時間大大減少，提高了響應的速度，實時性增強。時間大大減少，提高了響應的速度，實時性增強。LinuxLinux采用采用基于優(yōu)先級的輪轉法調度策略，能夠實現(xiàn)多個任務并行。各基于優(yōu)先級的輪轉法調度策略，能夠實現(xiàn)多個任務并行。各個任務的實時性要求不同，可通過劃分優(yōu)先級，使實時性要個任務的實時性要求不同，可通過劃分優(yōu)先級，使實時性要

32、求高的任務劃分為實時進程，具有較高的優(yōu)先級，優(yōu)先得到求高的任務劃分為實時進程，具有較高的優(yōu)先級，優(yōu)先得到調度，保證一定的實時性的要求。任務間通過信號量、消息調度，保證一定的實時性的要求。任務間通過信號量、消息隊列等機制通信。隊列等機制通信。應用程序的開發(fā)應用程序的開發(fā) 在嵌入式系統(tǒng)中軟件開發(fā)的主要模塊有：數(shù)據(jù)在嵌入式系統(tǒng)中軟件開發(fā)的主要模塊有：數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，通信和采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，通信和數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，故障診斷模塊。其中故障診斷模塊數(shù)據(jù)發(fā)布模塊，故障診斷模塊。其中故障診斷模塊實現(xiàn)實時自診斷，在系統(tǒng)工作期間，對系統(tǒng)內部進實現(xiàn)實時自診斷，在系統(tǒng)工作期間

33、，對系統(tǒng)內部進行部分測試。即將診斷程序設置在嵌入式系統(tǒng)中中行部分測試。即將診斷程序設置在嵌入式系統(tǒng)中中斷級別最低的中斷服務程序，在不影響系統(tǒng)工作的斷級別最低的中斷服務程序，在不影響系統(tǒng)工作的前提下，進行實時診斷。如發(fā)現(xiàn)故障且復診后仍有前提下，進行實時診斷。如發(fā)現(xiàn)故障且復診后仍有錯，通過顯示界面顯示，并上傳給上位機，保證系錯，通過顯示界面顯示，并上傳給上位機，保證系統(tǒng)的可靠性。統(tǒng)的可靠性。應用程序的開發(fā)應用程序的開發(fā) 在嵌入式在嵌入式LinuxLinux的開發(fā)中，采用主的開發(fā)中，采用主從模式，通過串從模式，通過串行口或以太網(wǎng)口，使目標板和宿主機相連。使用的是行口或以太網(wǎng)口，使目標板和宿主機相連。

34、使用的是GNUGNU的系列工具，的系列工具，GNUGNU具有免費開放的源代碼，也為我們開發(fā)具有免費開放的源代碼，也為我們開發(fā)基于基于LinuxLinux的應用程序提供了方便。它包括一系列的開發(fā)的應用程序提供了方便。它包括一系列的開發(fā)調試工具。主要組件有：調試工具。主要組件有：gccgcc：編譯器，可做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)：編譯器，可做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)編譯目標機上可運行的二進制文件；編譯目標機上可運行的二進制文件；v BinutilsBinutils：一些輔助工具，包括：一些輔助工具，包括objdump(objdump(可以反編譯二進可以反編譯二進制文件制文件)

35、)、as(as(匯編編譯器匯編編譯器) )、ld(ld(連接器連接器) )等等；等等；GdbGdb：調試器，可使用多種交叉調試方式，如：調試器，可使用多種交叉調試方式，如gdbserve(gdbserve(使用使用以太網(wǎng)絡調試以太網(wǎng)絡調試) )。最終的調試、測試最終的調試、測試 最后，將調試好的內核和應用程序燒錄到閃最后，將調試好的內核和應用程序燒錄到閃存中。裁剪后的存中。裁剪后的LinuxLinux已成經(jīng)功移植到目標平臺上，已成經(jīng)功移植到目標平臺上，在開發(fā)板上運行良好。經(jīng)過測試，已滿足一般的在開發(fā)板上運行良好。經(jīng)過測試，已滿足一般的實時性要求。實時性要求?？偨Y總結 我們開發(fā)的基于我們開發(fā)的基

36、于Linux Linux 的嵌入式系統(tǒng)應用于的嵌入式系統(tǒng)應用于測控系統(tǒng)，能滿足當前工業(yè)控制領域對測控系統(tǒng)測控系統(tǒng)，能滿足當前工業(yè)控制領域對測控系統(tǒng)提出的要求，保證測控任務完成的實時性、可靠提出的要求，保證測控任務完成的實時性、可靠性，可連到工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。其硬件，性，可連到工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。其硬件，接口采用插板的形式，結構簡單，易于裝卸，方接口采用插板的形式，結構簡單，易于裝卸，方便系統(tǒng)集成和維護。軟件方面，用戶可針對具體便系統(tǒng)集成和維護。軟件方面，用戶可針對具體應用作相應修改或刪除即可，因而提高了測控系應用作相應修改或刪除即可，因而提高了測控系統(tǒng)的開發(fā)效率，在工業(yè)控制領域有很好

37、的應用前統(tǒng)的開發(fā)效率，在工業(yè)控制領域有很好的應用前景。景。設計過程設計過程 在智能儀器的開發(fā)和設計中，首先要明確設計準則及要在智能儀器的開發(fā)和設計中，首先要明確設計準則及要求，其次制定系統(tǒng)方案，最后是方案的具體實施。設計準則求，其次制定系統(tǒng)方案，最后是方案的具體實施。設計準則及要求，就是使設計的智能儀器根據(jù)實際的需要采用先進技及要求，就是使設計的智能儀器根據(jù)實際的需要采用先進技術，進行標準化、系統(tǒng)化設計，使其具有較完善的操作性能，術，進行標準化、系統(tǒng)化設計，使其具有較完善的操作性能，同時要求智能儀器可靠、安全、實用、性能價格比高。制定同時要求智能儀器可靠、安全、實用、性能價格比高。制定系統(tǒng)方案

38、，是根據(jù)設計的任務要求提出幾種設想、規(guī)劃，并系統(tǒng)方案，是根據(jù)設計的任務要求提出幾種設想、規(guī)劃，并且加以比較推敲，選擇一種認為是可行、較好的方案作為初且加以比較推敲，選擇一種認為是可行、較好的方案作為初步方案，然后對系統(tǒng)的指導思想、技術原則、技術指標、可步方案，然后對系統(tǒng)的指導思想、技術原則、技術指標、可靠性、性價比進行方案評估，最后根據(jù)評價的結果制定系統(tǒng)靠性、性價比進行方案評估，最后根據(jù)評價的結果制定系統(tǒng)的設計方案。方案實施需要對系統(tǒng)的硬件、軟件設計部分進的設計方案。方案實施需要對系統(tǒng)的硬件、軟件設計部分進行調試，在各部分通過之后，在進行統(tǒng)調，從而完成智能儀行調試，在各部分通過之后，在進行統(tǒng)調，從而完成智能儀器的實際。下面就系統(tǒng)設計與開發(fā)方案實施過程的一些主要器的實際。下面就系統(tǒng)設計與開發(fā)方案實施過程的一些主要步驟加以說明。步驟加以說明。v1. 1. 確定系統(tǒng)規(guī)模大小。系統(tǒng)總體方案確定之后，確定系統(tǒng)規(guī)模大小。系統(tǒng)總體方案確定之后，則首先要預估系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模的大小，硬件核則首先要預估系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模的大小，硬件核心部件選型，容量，對外的心部件選型，容量，對外的I/OI/O數(shù)，通道數(shù)，模塊數(shù)，通道數(shù)，模塊數(shù)等。數(shù)等。2. 2. 軟、硬件權衡分配。軟、硬件權衡分配。v 2. 2.