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1 引言 嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后。又一個新的技術(shù)發(fā)展方向。隨著嵌入式技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能要求越來越高，系統(tǒng)要求工業(yè)控制設(shè)備能夠支持TCP/IP，以及其他Intenet協(xié)議，用戶能方便的查看設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)能及時的傳送到windows或Unix/Linux服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。隨著集成電路的發(fā)展．32位RISC處理器更是受到青睞，ARM是業(yè)界領(lǐng)先的16/32位嵌入式RISC處理器技術(shù)提供商，占領(lǐng)了全球75％的市場。它可為一個完整系統(tǒng)的開發(fā)提供全面的技術(shù)支持，其技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。 本系統(tǒng)采用的是韓國三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410x處理器，它采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，提供1．1MIPS/MHz的性能，內(nèi)部有3個獨立的UART控制器，每個控制器都可以工作在Interrupt(中斷)模式或DMA(直接內(nèi)存訪問)模式，從而實現(xiàn)CPU和UART之間傳送數(shù)據(jù)，并且每個UART均具有16字節(jié)的FIFO(先入先出寄存器)，支持的最高波特率可達230．4Kbps。 2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 在串行通信中，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头�(wěn)定性，硬件設(shè)計是必不可少的，本系統(tǒng)選用S3C2410X作為核心器件，要完成最基本的串行通信功能，只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS232C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高低電平信號與S3C2410X系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高低電平信號完全不同，LVTTL的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)2-2.3v電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯'0’對應(yīng)0-0.4V電平，而RS232C標(biāo)準(zhǔn)采用負邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)-5~-15V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯"0"對應(yīng)+5~+15V，兩者間通信必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換，目前常使用的電平轉(zhuǎn)換電路為MAX232。該系統(tǒng)只設(shè)計了一路與URAT0相連的RS232C接口電路，通過9芯的D型插頭，與外設(shè)可方便的連接，同時設(shè)計了數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的狀態(tài)指示燈LED，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過串口傳輸時，LED閃爍，便于用戶掌握其工作狀態(tài)，以進行軟硬件調(diào)試。宿主機即計算機系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)下編寫好串口通信程序，通過JTAG接口模塊下載到目標(biāo)機中，在相應(yīng)的軟件命令的控制下，通過串行接口線即可實現(xiàn)宿主機與目標(biāo)機間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。目標(biāo)機中的電源模塊提供了開發(fā)板所需的正常電壓，各種數(shù)據(jù)信息可以通過液晶顯示器顯示出來，還可以通過鍵盤模塊來實現(xiàn)對目標(biāo)機的操作，外擴存儲器模塊可以由FLASH或SDRAM構(gòu)成，其與S3C2410X的連接如圖1所示 
圖1串口電路原理圖 在軟件系統(tǒng)方面，嵌入式Linux操作系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由于嵌入式系統(tǒng)存在內(nèi)存容量和存儲容量不足等問題，必須對Linux進行移植裁剪設(shè)計，主要涉及以下幾個方面： (1)建立開發(fā)環(huán)境，操作系統(tǒng)一般使用Redhat Linux，通過網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC交叉編譯器進行安裝，或用廠家提供的相關(guān)交叉編譯器。 (2)配置開發(fā)主機，配置MINICOM，一般的參數(shù)為波特率115200Baud/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，尤奇偶效驗，軟件硬件流控設(shè)為無。 (3)建立引導(dǎo)裝載程序BOOTLOADER，該系統(tǒng)使用的是韓國Mizi公司開發(fā)的vivi，該引導(dǎo)程序目前只支持串口傳輸，將編譯好的vivi通過Jflash軟件燒錄到開發(fā)板的FLASH中。 (4)內(nèi)核的裁剪與移植。由于標(biāo)準(zhǔn)的Linux是面向PC的，它集成了許多PC所需要而嵌入式系統(tǒng)并不需要的，因此，在編譯內(nèi)核時可以卸載不必要的模塊，這樣可以使內(nèi)核顯著減少， 從而盡可能小的占用內(nèi)存及存儲宅間，使軟硬件系統(tǒng)得到精簡。 (5)虛擬內(nèi)存機制的屏蔽，虛擬內(nèi)存是導(dǎo)致現(xiàn)有Linux實時性不強的原因，可以通過屏蔽內(nèi)核的虛擬內(nèi)存管理機制米增強Linux實時性，更好的滿足工業(yè)控制的要求，更改的途徑有兩種：一是通過POSIX，二是通過底層編程。 (6)設(shè)備驅(qū)動的編寫。 (7)開發(fā)基于閃存的文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序和重要數(shù)據(jù)通常都是以文件的形式存放在閃存文件系統(tǒng)中。 (8)上層應(yīng)用程序的編寫。針對特定的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，實現(xiàn)上層應(yīng)用程序的功能并編寫。基于篇幅的限制，這里只介紹驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā)。 在Linux中幾乎所有的設(shè)備都是文件，對設(shè)備驅(qū)動的訪問也是以文件操作實現(xiàn)的，無論是字符設(shè)備還是塊設(shè)備，用戶對設(shè)備的操作都是通過虛擬文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為設(shè)備驅(qū)動與硬件操作例程的交互，虛擬文件系統(tǒng)為用戶提供了一個統(tǒng)一的設(shè)備訪問接口，使用戶可以透明的訪問設(shè)備驅(qū)動程序從而簡化硬件的編寫。所以對設(shè)備進行操作的調(diào)用格式與對文件的操作類似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。 串口驅(qū)動中最主要的就是中斷函數(shù)的編寫，該函數(shù)最主要的就是完成接收中斷，發(fā)送中斷和流控中斷，由于S3C2410X中集成的UART控制芯片中帶有FIFO，為了保證及時接收，接收中斷必須循環(huán)處理接收字符直到接收FIFO為空。同時為了防止接收方被發(fā)送方淹沒，接收緩沖區(qū)剩余空間不足時應(yīng)立刻啟動流控，設(shè)置RTS為0，等上層提取了緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，騰出足夠的空間后在取消硬件流控，恢復(fù)接收。對于發(fā)送。為了減少發(fā)送中斷的產(chǎn)生次數(shù)，也采用在一次中斷服務(wù)中，循環(huán)發(fā)送字符直到軟件緩沖區(qū)為空的方法。但是在提取發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)時需要注意判斷軟件信號量nSemaTxGet的值，以防止緩沖區(qū)征用。流控中斷處理中，首先要判斷流控類型是停止發(fā)送還是允許發(fā)送，只需簡單的將軟件標(biāo)志nTxStop設(shè)置為1即呵；若為允許發(fā)送，除了要將nTxStop設(shè)置為0，還要主動從發(fā)送緩沖區(qū)中取出一個字符發(fā)送，以觸發(fā)發(fā)送空中斷，使硬件立刻恢復(fù)發(fā)送。其主要流程圖如下所示：
圖2串口中斷服務(wù)流程圖 將編寫好的中斷函數(shù)用request_irq()函數(shù)注冊到驅(qū)動程序中，然后將驅(qū)動程序serial．c編譯進內(nèi)核。其方法為： (1)改動serial．c源代碼，新建函數(shù)int init_serial(void)，將設(shè)備注冊到此處：result=register_chrdev(92.“serial", &serial_fops)； (2)將serial．c復(fù)制到../drivers/char目錄下，并且在../drivers/char下的men.c的intchr_dev_init()函數(shù)中增加如下代碼： #ifdef CONFIG_TESTDRIVE init__serial()； #endif (3)在～／drivers／char目錄下的Makefile中增加以下代碼： ifeq($(CONFIG_TESTDRIVE).y) L_OBJS+=serial.o endif (4)在../arch/m68knommu目錄下config.in字符設(shè)備里增加如下代碼： Bool‘support for testdrive’CONFIG_TESTDRIVE Y (6)在../dev/目錄下創(chuàng)建串口設(shè)備：mknod/dev/serial1 c 92 0c表示是字符設(shè)備，92是設(shè)備號，0是次設(shè)備號。到此已將串口的驅(qū)動程序添加到Linux的內(nèi)核中，將編譯好的內(nèi)核鶯新下載到開發(fā)板上就可以使用串口驅(qū)動程序了。 3 目標(biāo)板與宿主機間通信的實現(xiàn) (1)打開串口 打開串口和打開普通文件一樣，使用的函數(shù)同打開普通文件一樣，都是open函數(shù)fd=open ("/dev/ttyS0”，O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY)，接下來可恢復(fù)串口的狀態(tài)為阻塞狀態(tài)，用于等待串口數(shù)據(jù)的讀入，可用fcntl函數(shù)實現(xiàn)[1]，如下所示： fcntl(fd，F(xiàn)_SETFL，0)； 再接著可以測試打開文件捕述符是否引用一個終端設(shè)備，以進一步確認串口是否打開，如下所示：isatty(STDIN_FILEN0)；該函數(shù)調(diào)用成功則返回0，若失敗則返回-1。 (2)讀寫串口 讀寫串口操作和讀寫普通文件一樣，使用read()，write()函數(shù)即可。其流程網(wǎng)如下所示：
圖3串口讀寫流程圖 將讀串口程序在PC機上編譯，寫串口程序交叉編譯，分別得到宿主機與目標(biāo)機的可執(zhí)行文件，將寫串El程序通過Linux下的串口通信軟件Minicom下載到S3C241x0開發(fā)板上或?qū)⑵渲谱鞒晌募到y(tǒng)燒寫到目標(biāo)板上，先運行讀串口程序，再運行寫串口程序。最后成功的實現(xiàn)了目標(biāo)板與宿主機之間的通信。 4 結(jié)束語 如今，把嵌入式Linux內(nèi)核嵌入到32位MCU中，通過構(gòu)造TCP/IP多種網(wǎng)路協(xié)議和基本的通信協(xié)議，在利用嵌入式操作系統(tǒng)對底層硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，以及對內(nèi)核和虛擬內(nèi)存機制進行改造，可以保證系統(tǒng)的可靠性和實時性．具有廣闊的應(yīng)用前景，而且具有開發(fā)周期短，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，適應(yīng)性強等特點。 本文作者創(chuàng)新觀點：本文采用的基于ARM+Linux的系統(tǒng)，可以方便的移植操作系統(tǒng)，實現(xiàn)實時高速數(shù)據(jù)互訪，擴展應(yīng)用程序，所有數(shù)據(jù)町以便捷，可靠的傳輸?shù)竭h端。 作者：陳佳男，李欣，張海燕 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第3-2期 |
