摘　要：嵌入式Linux操作系統相對WinCE、pSOS、Palm OS有很多優點，有取代其他嵌入式操作系統的趨勢；使得構造一個大型機器的復雜控制系統變得簡單和容易。本文結合注塑機的工藝特點,研究將嵌入式Linux操作系統應用到塑料成型控制系統中的一些關鍵問題，來構造其控制器的軟、硬件設計思路方法。

　　關鍵詞：嵌入式操作系統 實時內核 注塑機控制

　　注塑機由模具鎖模機構、高分子塑料在螺桿加熱、液壓射膠、保壓成型等工序組成。精密注塑需要控制的參數多，對實時性能、控制精度、安全性、可靠性的要求較高。傳統的控制系統雖然可以達到上述要求，但卻存在著開發成本高、開發時間過長、擴展性差、軟件升級困難、兼容性和可移植性差、網絡功能有限等缺點。隨著嵌入式Linux的應用，其控制系統的開發變得簡單和容易。

　　 嵌入式Linux由一個Kernel（內核）及一些根據注塑機控制需要定制的模塊組成。Kernel很小，一般只有幾百KB，即使加上其他必需的模塊和應用程序，所需的存儲空間也很小。它有多任務、多進程的系統特征，另外還具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux微內核、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、PPC等。與這些芯片搭配的主板都很小，與一張PCI卡大小相當，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存儲器，它使用Rom、CompactFlash機和M-Systems的DiskOnChip、Sony的MemoryStick、IBM的MicroDrive等體積極?。ㄅc主板上的BIOS大小相近），存儲容量不太大的存儲器。它的內存可以使用普通的內存，也可以使用專用的RAM。正是這些優點，使得塑料成型控制系統的研究開發變得越來越容易和簡單。

　　1 嵌入式Linux內核體系結構

　　嵌入式Linux的內核體系結構如圖1所示，內核職能有4點。

　?、?硬件抽象層（HAL）包含了所有和硬件平臺相關的代碼，如上下文切換和I/O寄存器訪問等。它存在于嵌入式Linux的層，直接訪問和控制硬件，對其上層的硬件提供訪問和控制服務。這樣，可以簡化內核的移植工作，除了設備驅動程序之外，在移植的時候只須修改HAL的代碼即可。

　?、?內核是用來為大多數程序乃至OS（網絡、文件系統、驅動程序）構建一系列在抽象的文件上工作的抽象機，使用戶程序及上層OS組件對系統設備透明。這個內核主要實現如下一些接口：多任務、中斷、異常及定時器函數，標準C函數庫，應用程序的動態加載/卸載等等。

　?、?實時內核提供對事件優先級的調度和搶占支持，增加系統實時調度的能力。

　　④ 對應用程序提供的函數接口，專門為用戶定制網絡、圖形、視頻等接口。

　　嵌入式Linux內核的實現為微內核的體系結構，如圖1所示。使用微內核的體系結構，使得嵌入式Linux的體積很小，便于直接放在ROM中，實現ROM固化；同時，方便進行模塊化的擴展。

　　2 硬件設計體系結構

　　硬件體系結構如圖2所示。

　　圖2中，微處理器選用Intel的X86芯片；Flash Memory/ROM和RAM采用我們開發的電子盤來實現（電子盤加載驅動程序后就可以取代硬盤，作用是引導和啟動嵌入式Linux操作系統，實時內核和所有的應用程序都固化在這個電子盤上）；以太網接口用標準的網卡來實現；并口和串口都是采用標準的硬件芯片來實現，采用32位系統總線（可以根據需要改為其他的）；其他外設如液晶顯示屏等，根據需要可以很方便地添加。

　　3 構造嵌入式Linux內核

　　對構造嵌入式Linux內核框架須考慮下面幾個元素：

　?、?引導Linux內核（采用BIOS引導特征標志55、AA代碼）；

　?、?Linux微內核由內存管理、進程管理和事務處理構成；

　?、?初始化進程；

　?、?硬件設備驅動程序（盡量利用現有標準化的設備驅動程序）；

　?、?實時內核模塊（從RTLinux來定制裁剪）；

　?、?提供所需功能的應用程序（即控制程序、控制算法的計算機實現）；

　　⑦ 精簡的TCP/IP網絡協議棧（對標準TCP/IP網絡協議棧進行裁剪定制得到）。

　　實現的方法，是從標準的Linux系統資源，按照微內核(Kernel)的需求來減少，以適應諸如電子盤容量、內存容量、處理器速度以及節能限制來定制嵌入式Linux內核。系統實現步驟如下：

　?、?重新編譯Linux內核，去掉內核中不需要的模塊，諸如PCMCIA之類的外設支持模塊等，加入自己編寫的內核模塊；

　?、?編寫Boot Loader，制作電子盤用于加載嵌入式Linux內核到內存中；

　?、?重新設計以太網驅動程序、串／并口驅動程序以及I/O卡驅動程序；

　?、?設計嵌入式Linux應用程序，管理打印服務的應用。

　　4 實時內核的實現

　　要將Linux應用到工業控制系統中，首先要解決的問題就是其實時性問題。

　　本系統的實時內核是通過內核模塊編程的方法來實現的。實現的途徑，是參考美國新墨西哥州大學計算機科學系Victor Yodaiken和Michael Brananov開發的RTLinux，并在RTLinux的源代碼基礎上，結合POSIX.1b的實時擴展規范，對其定制成標準的Linux可加載/卸載的內核模塊。這個模塊主要提供一些必要的功能，如底層任務創建、中斷服務程序，并且為底層任務、ISR和Linux進程之間進行通信排隊。

　　實時內核模塊提供了實時任務的編程和控制接口（API）。通過使用這些API，可以提供對實時任務的創建和刪除、任務調度和控制等功能，從而實現工業上的實時控制。

　　實時內核提供的編程和控制接口（API）模塊主要有：

　　① 中斷控制API函數；

　?、?時鐘控制和獲??；

　?、?線程的創建和刪除以及線程優先級和調度策略的控制API函數；

　?、?POSIX方式的驅動接口；

　　⑤ FIFO設備驅動程序；

　?、?串口驅動程序的API函數；

　?、?mbuff驅動API函數；

　?、?浮點運算API函數。

　　一些主要的任務處理函數：rt_task_init()用來創建并開始一個任務，能指定堆棧的大小和優先級；rt_task_make_periodic()以一定間隔周期性地設置任務運行；rt_task_wait()阻塞任務。實時任務與Linux進程之間通信的主要方法是FIFO：rtf_create()創建 一個一定大小的FIFO，用rtf_put()將數據送入FIFO，如果FIFO滿，則返回一個錯誤。類似地，rtf_get()從FIFO中取出數據，如果FIFO空，則返回一個錯誤。線程管理：pthread_create（）創建一個線程，pthread_delete（）刪除一個線程，并且釋放該線程的所有資源，pthread_setschedparam（）設置一個線程的調度參數。時鐘函數：clock_getres（）獲得clock時鐘的解析度，等等。

　　5 實驗和程序調試方法

　　實驗裝置采用486/586微機主板作為注塑機的硬件電路，用電子盤作為嵌入式操作系統的引導和啟動設備，去掉硬盤、軟盤和其他設備，TCP/IP接口用標準網卡來實現，調試程序的時候可以加上鍵盤和顯示器，驅動信號從并口/串口輸出（調試時）。

　　以上方法，在標準Linux環境下，編寫好電子盤的設備驅動程序和控制算法的計算機程序（外加I/O板時還需要I/O板的驅動程序），定制好嵌入式Linux內核和實時內核(為zImage)，并將電子盤（在Linux中是ram）Mount到/RamDisk上，在電子盤上制作引導和啟動盤。具體制作方法如下：

　?、?修改LILO.CONF，使得系統可以直接從電子盤啟動；

　?、?創建一個內核文件系統ext2：mke2fs -i 8192 -m 0 /dev/ram 50；

　?、?在/RamDisk目錄下，建立運行系統所必需的目錄文件：bin dev etc lib mnt proc sbin tmp usr var，以及各個目錄下必要的文件，特別是應用程序所需要的庫文件；

　?、?設置內核鏡像文件中的ramdisk的偏移量，以指出如何確定定位根文件系統，可以通過命令rdev來設置；

　?、?將內核文件放到RamDisk中：

　　#dd if=zImage of=/dev/ram bs=1k

　?、?加載根系統文件：

　　#dd if=/tmp/ram_image.gz of=/dev/fd0 bs=1k seek=內核數據塊數

　　其中ram_image.gz壓縮后的根系統文件，內核數據塊數就是內核的大小。

　　這樣就做成了系統啟動盤，可以去掉硬盤、軟盤等部件，直接從電子盤來啟動系統。在根文件系統中存放有RT Linux的啟動模塊和各種控制算法應用程序，再接上控制信號的驅動裝置和一些其他必要的裝置，就可以直接對機器的各個參數進行控制了。

　　6 小 結

　　嵌入式Linux的出現使得構造工業控制系統有了更好的選擇。Linux操作系統的高性能、高可靠性、眾多高效免費的開發工具和應用程序，使得可以在很短的時間內設計出一個強大、高效、復雜、低成本的控制系統。

　　參考文獻

　　1 Mantegazza P，et al. RTAI: Real-Time Application Interface
　　2 Rick Lehrbaum. Using Linux in Embedded and Real-time Systems. http://www.linuxdevices.com