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1、2 0 0 2正 后勤工程学院学报 第 4期 嵌入式 L i n u x 系统的实现与编程 冰 王朝霞，方卫红，水 彬，涂亚庆，税爱社(后勤工程学院后勤 自动化工程 系，重庆4 0 0 0 1 6)摘 要 为满足工业控制 系统对控制精度及组 网的要求，在一个 实际的控制 系统方案 中，提 出底层 网络 的软 硬 件 开发 平 台一种 设 计 方法 硬 件 平 台采 用 P C 1 0 4，软件 平 台采 用 嵌入式 L i n u x系统。分析 了以常用的 L i n u x系统作为原型，根据控制 系统的特殊性，实现对 L i n u x系统 内核 可 定制 裁减 并将 精 简的 内核 移植到
2、 P C 1 0 4上的 方法。最后，介 绍 了在嵌 入 式 L i n u x系统平 台上软件的编程方法。实验结果，证明该软硬件平台设计具有可行性。关键词底层控制网络；嵌入式 L i n u x系统；内核 中图分类号：T P 2 7 4 5 文献标识码：A 随着控制、计算机通信、网络技术的发展，自动化系统结构正发生巨大的变化，底层控制网络不再是 孤立的控制系统。通过 以太 网技术实现网络集成，将底层控制、过程管理控制与企业资源计划层(E R P)整合在一起，是 自动控制系统的发展方向。由于办公网络的普及性，系统整合对应的上层相关技术已经非 常成熟，而底层控制 网络 由于其对实时性、现场环境的
3、抗干扰性及电气特性等要求，在软硬件技术的选择 与实现上则有 比较大的难度。笔者在一个实际的控制系统方案中，对底层控制这一部分，提出采用嵌人式 L i n u x系统和 P C 1 0 4作为现场管理控制机 的软硬件开发平台这种设计方法，实现精确的控制与高级运 算、以太 网组网与系统管理层连接、以及向现场测控端发送有关参数等功能。1 软硬件开发平 台的选择 在系统设计时，软硬件平台的选择兼顾功能性、开放性、经济性的要求。底层控制系统的软硬件平台一般有三种：P L C、单片机、基于 P C的饼干机。P L C逻辑控制功能强、一 部分支持以太网通信接口、可定制性不强，对应的软件平台不具有通用性和可扩
4、展性，开发周期短、但开 发成本高；单片机运算能力较弱、外围硬件设计复杂、对应的软件平台不具有通用性，开发周期长，开发成 本一般；基于 P C的饼干机运算能力强，可定制性好，对应的软件平台具有通用性和可扩展性，开发周期 适 中，开发成本一般。为实现精确控制及以太网组网要求，硬件平台选用 P C 1 0 4。同时，从性价比等综合因素考虑，软件平 台采用嵌人式 L in u x 操作系统。L i n u x 的源代码是开放的，L i n u x 具有更小、更稳定、更具价格竞争力等优 势，同时也改变传统类似硬件平台下采用 M S D O S 单用户、单任务操作系统作为软件开发平台的缺 点难以完成较为复
5、杂的、分布式的多任务应用。嵌人式软件平台按实时性能可以分为两类”】。一类是面向控制、通信等领域的强实时操作系统，如 V x Wo r k s、p P O S、Q N X等。其中，在国内市场中V x Wo r k s 和 p P O S 有较大影响。另一类是面向消费电子产品 的弱实时操作系统。这类产品包括个人数字助理(P D A)、移动电话、机顶盒、电子词典、we b P h o n e等，比 较著名的有 wi n d o w s C E、P a l m O S。这些软件平台各有其优劣：微软的 Wi n C E是一个较具有代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌人式操作系统。虽然提供了较为强大的
6、类似于桌面操作系统的功能，总后物资油料部资助项 目(油 2 0 0 1 0 2 0 7)收 稿 日期：2 0 0 2 0 9 0 3 王朝霞(1 9 7 3 一)，女，四川华蓥人，讲师，硕士生，主要从事计算机控制与装置方面的研究。维普资讯 http:/ 后勤工程学院学报 2 0 0 2正 但针对嵌入式系统的特征与特性而言，Win C E显得笨拙且在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高 度可裁减性的要求。以V x wo r k s 为代表的传统嵌入式操作系统是应用最广泛、市场占有率较具优势的几 个系统，它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应用于高科技产品 中，包括
7、消费电子设备、工业 自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视与多媒体设备，具有很好的安全 性、容错性以及系统灵活性。虽然它们都提供专有的A P I 接口，但是缺乏应用的高效性、网络连接功能较 差，系统对应用程序开发支持相对较弱。对现在复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统的许多应用需 要而言，它们已显得力不从心。针对本系统的特制性，要求提供软件平台源代码层次上的支持，以及对以太网的支持，而嵌入式 L i n u x正适应了这一需求。它不仅开放源代码，系统内核小，效率高、内核网络结构完整，而且与以上几种 商业嵌入式软件平台相比，它几乎是免费的。2 嵌入式 L i n u x系统实现方法 L i
8、n u x内核可直接从 I n t e r n e t 上下载，也可从一发行版本如 R e d H a t L i n u x、T u r b o L i n u x 得到。L i n u x 核 心源代码执行 G P L 版权协议，任何人都可在遵循 G P L 版权协议的条件下对 L i n u x 核心进行修改和补充，并可根据 自身应用系统的需求，进行裁减定制，形成针对应用的嵌入式 L in u x内核。下面简要介绍在 L i n u x 系统中，裁减定制 L i n u x 内核的步骤。2 1 配置 内核 在配置内核前，先阅读 L i n u x资源文件“c o n fi g i n”，
9、了解该版本 内核是否支持所安装的硬件。然后，进j k u s r s r Mi n u x目录下，可以采用三种不 同的方式来配置内核。命令行半交互式配置，对应命令 ma k e c o n f i g；菜单交互式配置，对应命令ma k e me n u c o n fi g；X Wi n d o w下的配置窗 口，它的窗 口界面 比菜单界面要更友好，而且采用鼠标操作。不管采用以上何种配置方式，用户只需根据 自身应用选择所需支持模块，并确定所选部分是以模块 化方式存在，还是被直接包括进新内核中。模块化方式适于不经常使用的功能块，如软驱驱动、声卡驱动 等，由内核守护进程根据系统需要动态加载与卸载，
10、也可在系统运行时利用 i n s m o d和 r m mo d命令手工加 载与卸载不再需要的模块，以减少系统运行时的资源开销。对于频繁使用的功能块，如文件系统支持、以 太网卡驱动等，宜直接编译进内核中，在系统启动时随内核一并被加载并常驻 R A M中，以提高系统的整 体响应速度。2 2 编译 内核 配置内核结束，即可编译内核。顺序如下：运行“m a k e d e p”依赖性检查将建立所有的从属文件中所调用的头文件的全路径名；对于一些旧版本，系统还会提示“m a k e c l e a n”清除残余文件，这将删除所有的目标文件和旧版 本遗留下的其他一些文件；运行“m a k e z I m
11、a g e”或“m a k e z d i s k”编译内核，m a k e z l m a g e 将内核编译生成后的映像文件“z l m a g e”存放：i a r e M3 8 6 boo t 目录下，这是一个新的压缩后的内核，而 m a k e z d i s k 也做同样的事，只是 将相应的映像文件存放在软盘上这是测试新内核的好办法，如果 m a k e z l m a g e 生成的内核尺寸太 大，系统将提示用户使用“m a k e b z l m a g e”来生成尺寸更小的内核；如果在前面配置内核其中的一部分属性为模块化方式，必须使用“m a k e m o d u l e
12、s”和“m a k e mo du l e s_i n s t a l l”来编译并安装可加载驱动模块，m a k e m o d u l e s 将编译所有 的模块并更g f l i n u x m o d u l e s目 录，在该 目录下，会出现许多符号连接，指向内核树上的相应的目 标文件，m a k e m o d u le s _ i n s t a l l 将拷贝所 有新建的模块到l ib m o d u l e s k e r n e l _ r e le a s e 录下。2-3 安装内核 将编译好的新内核文件拷贝到目,b o o t 下，修i b o o t v m l i
13、n u z 文件，使其指向新内核文件，之后再编 维普资讯 http:/ 第 4 期 王朝 霞等嵌入式 L i n u x系统的实现与编程 3 5 v e tc l i l o c o n f 文件，最后运行 l i l o 以安装新的内核，重新启动系统即可加载新内核。以上步骤经过多次试验才能达到根据开发需要而定制的嵌入式内核。为了满足 P C 1 0 4电子盘容量 较小的要求，定制时，尽量去掉不必要的驱动程序，这样定制的新内核一般较小。要将定制好的内核安装 到电子盘上，可以将电子盘(在 L i n u x中类型为 r a m)M o u n t 1 R a mD i s k 上，在电子盘上制作
14、引导和启动 盘。这样就建立了一个适用于 P C 1 0 4的嵌入式 L i n u x操作系统。3 L i n u x编程 软硬件开发平台搭建好后，就可以在上面进行编程实现。L i n u x自带有 C语言编辑器e m a c s 等，以及 g c c 编译器。因此，可以采用 C语言进行编程，在 e m a c s 等编辑器环境下编辑，然后通过 g c c 编译，生成可 执行文件嘲。下面以 L i n u x 下的通信应用软件为例进行简单的说明。L in u x 系统在嵌入式系统中受到追捧 基于以下原因：除了开放的源代码，可定制等特性外，另一个重要原因就是它支持 T C P A P协议，可以实
15、现 嵌入式系统网络化、信息集成等要求，从而使控制系统远程维护、远程升级等成为可能。L i n u x 应用软件与管理机或服务器通过 B S D S o c k e t 网络套接口进行通信，既作为客户方又作为服务 方，作为服务方主要是监听管理机发送来的命令并进行相应的处理；作为客户方主要是主动向管理机及 数据库服务器发送现场信息，如现场实时数据及报警信息。程序流程图及部分关键函数见图 1 和图2。创建套接口S o e k e t O r 1 1绑定 端口B i n d 0 r 1 1 监听 端口L i s t e n O 否 是 本 端 二 ，接 受 连 接A c c e p t0 卜 叫进 入
16、 处 理 程 序H 关 闭 套 接 口 C 1。s e 0 创建套接口S o c k e t O 广 _，1绑定端口B i n d 0 r 1 1连接服务器端口 进入发送程序S e n d 0 r 1 1 关闭套接口C l o s e 0 图 1 客户应用流程图 目前，嵌入式 L in u x 应用已经受到越来越多的关注，但是在控制系统中的具体应用尚不多见。通过对 L i n u x操作系统进行裁减，定制小容量 内核并移植到 P C 1 0 4电子盘中，并在嵌入式 L i n u x平台上进行编程 实现，证明该系统方案提出的软硬件平台的可行性。同时，为后续的研制提供了技术储备。参考文献 1 林
17、建明嵌入式操作系统技术发展趋势 计算机工程，2 o o 2，2 7(1 0)：1 4 2 张轶博，孙 占峰 L I NU X应用大全 北京：机械工业出版社，2 0 0 0：1 8 1 1 9 9 3 贾明，严世贤 L I N U X下的 C编程 北京：人民邮电出版社，2 0 0 1 Th e I mp l e me n t a n d Pr o g r a mmi n g o f t he Embe d e d Li n u x W ANG Z h a o x i a，F ANG We i h o n g,S HU I Bi n，T U Ya q i n g，S HUI Ai s h e (D
18、 e p t o f L o g i s t i c a l A u t o ma t i c E n g ，L E U，C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 6，C lfi n a)ABS TRACT I n o r d e r t o f u J 1 1 t h e d e ma n d o f p r e c i s i o n a n d c o n fi g u r a t i o n n e t i n t h e c o n t r o l s y s t e ma d e s i gu me t h o d 0 f s o f t w a r e h a r
19、d w are p l a t f o r m i n a ma t e r i a l b a s i c c o n t r o l s y s t e m i S p u t f o r wa r d i n w h i c h P C1 0 4 i s a d o p t e d a s t h e h a r d w a r e p l a t f o rm，w h i l e t h e e mb e d e d L i II U X s y s t e m a s t h e s o f t w a r e S B a s e d o n t h e p a r t i c u
20、l a r i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e mt h e e m d e d L i n u x k e r n e l i s i mp l e me n t e d a n d i mp l an t e d t o t h e h ard wa r e p l a t f o rm T h e p r o g r a mmi n g me t h o d o n t h e s o f t wa r e p l a t f o rm i s t e l l e d T h e e x p e rime n t p r mre d t h a t t h e p l a t f o rm S d e s i g n i S foa s i b l e Ke y wo r d s：b a s i c c o n t r o l s y s t e m；t h e e mb e d e d L i n u x s y s t e m：k e rne 1 维普资讯 http:/