文 摘:该文针对当前工业控制领域网络控制技术的快速发展，给出了一种应用于测控系统的基于Linux的嵌入式系统的设计方案。利用Linux自身提供的条件编译系统，初步解决了Linux作为嵌入式操作系统面临的一些问题。并利用实时应用接口(RTAI)来增强Linux的实时性，引入实时硬件抽象层结构(RTHAL)，利用Linux的内核模块机制提供实时服务和完成实时任务，解决了Linux实时性不足的问题。通过数据采集程序的实现给出了在RTAI-Linux环境下开发实时应用程序的设计方法。
关键词：Linux；嵌入式系统；测控系统；实时操作系统；RTAI
1、前言
随着网络控制技术的快速发展，工业以太网得到逐步完善，在工业控制领域获得越来越广泛的应用。工业以太网使用了TCP/IP协议，便于联网，并具有高速控制网络的优点。随着32位嵌入式CPU价格的下降，性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用和Linux在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空间。由于Linux的高度灵活性，可以容易地根据应用领域的特点对它进行定制开发，以满足实际应用需要。
2、基于Linux的嵌入式系统在测控系统中的设计
计算机测控系统本质上就是计算机控制系统，为了对被控对象实施控制，对其参数和状态进行检测是必不可少的。
2.1 测控系统整体设计
测控系统以基于Linux的嵌入式系统为核心，应用程序可通过网络进行更新，通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD现场显示。重要数据可以文件形式保存在Flash存储器中，数据和报警信息还可通过串口向上位机传输，也可通过以太网口向Inernet发布信息。用户通过显示界面查看设备状态，设置设备参数，实现远程监控、远程维护。
2.2 总体框图[1]
图2-1 嵌入式系统总体框图
2.3 嵌入式系统硬件设计
2.3.1 硬件框图
考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有:键盘接口、显示接口、A/D(或D/A)转换单元、可扩展的UO接口、打印机接口、与PC机通信的串行接口、以太网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如图2-2所示[3]:
图2-2 嵌入式系统硬件框图
2.3.2 Linux下设备驱动程序的开发
Linux系统中，内核提供保护机制，用户空间的进程一般不能直接访问硬件。Linux设备被抽象出来，所有设备都看成文件。用户进程通过文件系统的接口访问设备驱动程序，设备驱动程序主要完成如下功能:
①探测设备和初始化设备；②从设备接受数据并提交给内核；③从内核接受数据送到设备；④检测和处理设备错误。
3、基于 RTAI-Linux的嵌入式系统的软件实现
3.1 RTAI实时硬件抽象层的实现机理
引入新的数据结构rt_hal，形成了实时硬件抽象层RTHAL(Real Time Hardware Abatract Layer),rt_hal结构体的定义如下:
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中初始化为rthal:
struct rt_hal rthal
{
idt_table, /*中断向量表*/
Linux_cli, /*关中断函数*/
Linux_sti, /*开中断函数*/
Linux_save_flags, /*保存中断前的标志*/
Linux_restore_flags, /*恢复中断前的标志*/
Task_and_ack_8259A, /*中断屏蔽*/
Enable_8259A_irq, /*中断使能*/
Linux_ack_APIC_irq,
(), /*在io_apic.c文件中设置*/
&io_apic_irgs,
&irq_controller_lock,
irq_desc,
irq_vector,
(), /*在io_apic.c文件中设置*/
&ret_from_imr,
gdt_table, /*全局描述符表*/
&idle_weight,
()
};
初始化rthal时，指向函数的指针变量指向实现原来标准Linux中开、关中断等功能的函数如下:
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);
}
当加载RTAI模块时，执行rt_mount_rtai函数如下:
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中指向函数的指针变量指向了RTAI中实现的同名函数，在RTAI中实现的关中断函数如下:
static void linux_cli(void)
{
processor[hard_cpu_id()].intr_flag=0;
}
在RTAI中引入新的数据结构processor，描述和中断有关的处理器的状态:
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];
当执行关中断时，只是将数据结构processor中的中断标志位intr_flag设为0，而不是真正的清除eflags寄存器的IF标志来关中断，解决了Linux中长期关中断的问题。
3.2 采用RTAI增强Linux实时性的实现[4]
通过修改Linux内核相关的源文件，形成实时硬件抽象层。执行insmod命令，挂载上提供实时服务的rtai,rtai_sched,rtai_fifos模块，得到如下信息[2]:
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
