摘要：針對嵌入網(wǎng)絡設備的應用特點，介紹了嵌入式linux的主要技術及在工業(yè)控制領域的應用方法。結(jié)合硬件平臺詳細說明了嵌入式linux系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方法同時也簡要介紹了該嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核、內(nèi)存機制和文件系統(tǒng)的設計等內(nèi)容。
1 前言
隨著Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡應用越來越廣泛，對各種工業(yè)控制設備的網(wǎng)絡功能要求也越來越高。當前的要求是希望工業(yè)控制設備能夠支持TCP/IP以及Internet其它協(xié)議，從而能夠通過用戶熟悉的瀏覽器查看設備狀態(tài)、設置設備參數(shù)，或者將設備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到Window或Unix/Linux服務器上的數(shù)據(jù)庫中。這就要求工控系統(tǒng)必須具備兩方面的功能：一是要在現(xiàn)場完成復雜的測控任務，因為通常一些任務都具有一定的實時性要求;二是要求測控系統(tǒng)能夠與某一類型的控制網(wǎng)相連，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。在目前應用的大多數(shù)測控系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)的硬件采用的是8/16位單片機;軟件多采用匯編語言編程，由于這些程序僅包含一些簡單的循環(huán)處理控制流程。因此，單片機與單片機或上位機之間的通信通常通過RS232、RS485來組網(wǎng)。這些網(wǎng)絡存在通信速度慢、聯(lián)網(wǎng)功能差、開發(fā)困難等問題。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)使用的是TCP/IP協(xié)議，因而便于聯(lián)網(wǎng)，并具有高速控制網(wǎng)絡的優(yōu)點。
現(xiàn)在,32位嵌入式CPU價格的下降和性能指標的提高，為嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用提供了可能。那么，限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出地表現(xiàn)在軟件方面。盡管從上世紀八十年代末開始，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)(比較著名的有Vxwork、Psos、Neculeuus和Windows CE等)，但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價格使許多生產(chǎn)低端產(chǎn)品的小公司望而卻步;而且，源代碼的封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練、界面友善、質(zhì)量可靠、應用廣泛、易開發(fā)、多任務，并且價格低廉的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達成共識：即嵌入式linux是大勢所趨。 嵌入式linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大、易于移植等特點而正在被廣泛采用，并已成為一種新興力量。
2 嵌入式linux技術
嵌入式linux是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設計的一種小型操作系統(tǒng)，它由一個Kernel(內(nèi)核)及一些根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。Kernel一般只有幾百kB左右，即使加上其它必須的模塊和應用程序，所需的存儲空間也很小。它具有多任務、多進程的系統(tǒng)特征，有些還具有實時性。一個小型的嵌入式linux系統(tǒng)只需要引導程序、linux微內(nèi)核、初始化進程3個基本元素。運行嵌入式linux的CPU可以是x86、Alpha、Sparc、MIPS、PCC等。與這些芯片搭配的主板都很小，通常只有一張PIC卡大小，有的甚至更小。嵌入式linux所需的存儲器不是軟磁盤、硬盤、Zip盤、CD-ROM、DVD這些眾所周知的常規(guī)存儲器，它主要使用Rom、Compactflash、M-Systems和Diskonchip、Sony的Momerystick、IBM的Microdrive等體積極小(與主板上的BOIS大小相近)，且存儲容量不太大的存儲器。它的內(nèi)存可以使用普通的內(nèi)存，也可以使用專用的RAM。
與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux的源代碼是開放的，不存在黑箱技術。Linux作為一種可裁剪的軟件平臺系統(tǒng)，很可能發(fā)展成為未來嵌入式設備產(chǎn)品的絕佳資源。Linux與生俱來的優(yōu)秀網(wǎng)絡血統(tǒng)更為今后的發(fā)展鋪平了一條寬廣平坦的大路。因此，在保持Linux內(nèi)核系統(tǒng)更小、更穩(wěn)定、更具價格競爭力等優(yōu)勢的同時，對系統(tǒng)內(nèi)核進行實時性優(yōu)化，更加使之能夠適應對工業(yè)控制領域高實時性的要求。這也正是嵌入式Linux操作系統(tǒng)在嵌入式工控系統(tǒng)中的發(fā)展所在。同時也使Linux成為嵌入式操作系統(tǒng)中的新貴。
標準的Linux內(nèi)核通常駐留在內(nèi)存中，每一個應用程序都是從磁盤運到內(nèi)存上執(zhí)行。當程序結(jié)束后，它所占用的內(nèi)存就被釋放，程序就被下載了。而在一個嵌入式系統(tǒng)里，可能沒有磁盤。有兩種途徑可以消除對磁盤的依賴，一是在一個簡單的系統(tǒng)里，當系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核和所有的應用程序都存在內(nèi)存里。這是大多數(shù)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的工作模式，同樣Linux。第二種就是Linux所特有的功能，因為Linux已經(jīng)有能力“加載”和“卸載”程序，因此，一個嵌入式系統(tǒng)就可以利用它來節(jié)省內(nèi)存。一個比較典型的系統(tǒng)有大約8MB到16MB的閃存和8MB RAM而閃存可以被用作文件系統(tǒng)。用閃存驅(qū)動程序作為從閃存到文件系統(tǒng)的界面就是一種選擇。當然，也可以用一個閃存磁盤。用閃存來擺脫系統(tǒng)對一個磁盤的需求(依賴)具有Diskonchip技術以及Compactflash卡等方式。
用來連接Flashmemory和文件系統(tǒng)的程序都以文件形式存儲在Flash文件中，需要時可以裝入內(nèi)存，這種動態(tài)的、根據(jù)需要加載的能力是支持其它一系列功能的重要特征。它能使初始化代碼在系統(tǒng)引導后被釋放。實際上，Linux同樣還有很多內(nèi)核外運行的公用程序，這些程序通常在初始化時運行一次，以后就不再運行。而且，這些公用程序可以用它們相互共有的方式一個接一個地按順序運行。這樣，相同內(nèi)存空間可以被反復使用以“召入”每一個程序，就象系統(tǒng)引導一樣。這樣可以節(jié)省內(nèi)存，特別是那些配置一次以后就不再更改的網(wǎng)絡堆棧。如果將Linux可加載模塊的功能包括在內(nèi)核里，驅(qū)動程序和應用程序就都可以被加載。由于它可以檢查硬件環(huán)境并且為硬件裝上相應的軟件，從而消除了用一個程序占用許多Flashmemory來處理多種硬件的復雜性。另外，軟件的升級更加模塊化，可以在系統(tǒng)運行時在Flash上升級應用程序和加載驅(qū)動程序，其配置信息和運行時間參數(shù)可以作為數(shù)據(jù)文件儲存在Flash中。
3 嵌入式工業(yè)控制網(wǎng)絡的實現(xiàn)方案
基于嵌入式Linux的工控系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心來運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)。應用程序可通過網(wǎng)絡進行更新，并可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)可用文件形式保存在Flash等閃存存儲器中;數(shù)據(jù)和報警信息可通過串口向上位機傳輸，也可以通過以太網(wǎng)向工業(yè)以太網(wǎng)或Internet發(fā)布，用戶還可通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程維護。更為關鍵的是，可充分利用Internet上已有的軟件和協(xié)議(如：flp，http以及ApachePHPMYSQL等應用程序)迅速搭建前臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)測控系統(tǒng)和后臺管理系統(tǒng)的通訊。這種方式的優(yōu)點有：
(1)不需專用的通信線路即可用現(xiàn)成的INTER-NET網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到任何地方。
(2)不僅能夠傳遞數(shù)據(jù)信號，也可以傳遞音頻和圖像信號。
(3) 由于目前的INTERNET協(xié)議是現(xiàn)成和公開的，因此，利用大到幾十兆的 Microsoft IE瀏覽器，或小到只有600kb的Mosaic瀏覽器都可以對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行讀取。
