基于嵌入式uClinux系统工业以太网设备的设计.docx

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1、基于嵌入式uClinux系统工业以太网设备的设计基于嵌入式uClinux系统工业以太网设备的设计ronggang导语：工业以太网技术的出现和快速开展，不但很好的解决了这些问题，同时也为现场总线技术的开展开拓了一个更为广阔的空间1引言在现实的工业控制领域系统中，各厂家产品兼容性差、价格昂贵、底层通讯速度慢是现场总线技术一直没有得到大力推广的原因。工业以太网技术的出现和快速开展，不但很好的解决了这些问题，同时也为现场总线技术的开展开拓了一个更为广阔的空间。另外，嵌入式技术应用于智能测控系统中，具有以下特点:可以完成数据测量、数据处理、经过控制等多种任务;能确保一些任务的实时性;具有一定自诊断、自校

2、正的功能;便于连接工业以太网，利用工业以太网实现远程监控和数据通讯。这些都大大进步了测控系统的性能。2工业以太网的特点与其他现场总线或者工业通讯网络相比，工业以太网具有以下优点:应用广泛:以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发，如Java、VisualC+及VisualBasic等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的开展前景。因此，假如采用以太网技术，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。本钱低廉:由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与消费厂商的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由

3、于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS，FF等现场总线产品的特别之一，并且随着集成电路技术的开展，其价格还会进一步下降。通讯速率高:以太网的通讯速率已由10M转向100M的快速以太网，1000M以太网技术已经开场应用，10G以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多，可以知足对带宽的更高要求。软硬件资源丰富:由于以太网已应用多年，人们在以太网的设计、应用等方面有很多的经历，对其技术也特别熟悉。大量的软件资源和设计经历可以显著降低系统的开发和培训费用，进而可以显著降低系统的整体本钱，并大大加快系统的开发和推广速度。可持续开展潜力大:由于以太网的广泛应用，使它

4、的开展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与开展将很大程度上依靠于一个快速而有效的通讯治理网络，信息技术与通讯技术的开展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前开展。易于与企业内部网Intranet和互联网Internet连接:能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网在运用于实时的工业控制系统也有其缺乏之处，这主要是由于:以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式，在网络负荷较重大于40%时，网络通讯具有不确定性，不能知足工业控制的实时性要求。传统以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业

5、现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，以太网抗干扰EMI性能较差。假设用于可燃、易爆等危险场合，以太网不具备本安特性，同时以太网不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。3工业以太网通讯协议工业以太网即应用于工业自动化领域的以太网技术。对应于国际标准化组织的开放系统互连参考模型ISO/OSI，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用IEEE802.3标准，在网络层和传输层那么采用被称为以太网上的事实上标准的TCP/IP协议簇包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP等，它们构成工业以太网的低四层，在高层协议中，工业以太网协议通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层，也有的工业以太网协议还定义

6、了用户层，其通讯协议模型如图1所示。目前已经存在工业以太网协议有:Modbus/TCPSchneider，1999、InterbusPhoenix，1999、Ethernet/IPODVA，1999、IDAVendorAlliance，2000、HSEFoundation，2000、ProfinetProfibus，2001。图1工业以太网通讯系协议模型4系统分析及软硬件选型4.1系统分析开发工业以太网智能设备的关键是要在嵌入式系统中实现以太网技术即嵌入式以太网，而以太网上各种网络协议的实现对嵌入式系统的运行速度和系统资源都有较高的要求。因此在进展系统方案设计时，除了要考虑常规因素外，还要知足

7、网络功能所提出的需求。工业以太网智能设备的设计以高性能的微处理器和嵌入式操纵系统为核心，所以这里主要讨论它们的选型。4.2微处理器选型目前市场上主流的32位微处理器有PowerPC、68000、MIPS和ARM等。通常在选择微处理器的时候，需要考虑性能、功耗、价格、配套的开发工具以及市场供货等因素，而ARM在这些方面恰好都具有上风。ARM具有业界领先的RISC体系构造，提供各种性能和版本可供选择，各类产品间相互兼容，方便系统晋级。各大公司的支持使得产品性价比高，保证有稳定和畅通的供货渠道。此外ARM公司及其合作伙伴提供完好的技术支持，提供相对应的操纵系统，提供软硬件设计和开发工具。鉴于ARM微

8、处理器的诸多优点，用它来开发硬件平台必定是理想的选择。由于ARM微处理器有多达十几种的内核构造，几十个芯片消费厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，所以还需要作进一步比拟。根据工业以太网设备网络应用的特点，重点考虑微处理的运行速度和片内外围电路后，选择了三星公司的S3C4510B芯片。该芯片属于ARM7系列，典型处理速度为0.9MIPS/MHz，系统时钟可达50MHz，速度已经可以适应绝大多数应用的要求。S3C4510B在片内集成了以太网MAC层控制器，可以简化网络接口电路的设计并进步系统的可靠性。此外该芯片具有同步动态存储器SDRAM控制逻辑，可以以低廉的价格方便地扩展大容量的存储器空间来运

9、行操纵系统。4.3嵌入式操纵系统选型固然嵌入式系统的应用程序完全可以在裸机上运行，但是随着测控设备功能的增强，嵌入式系统所需完成的任务越来越复杂，程序代码越来越庞大，需要治理的外设越来越多，传统的软件开发形式已经显得力不从心。而采用嵌入式操纵系统作为软件开发平台，就可以由操纵系统来完成任务的治理和系统资源的分配，开发工作的重点才能集中于实际应用系统性能的进步。此外，在操纵系统根底上可实现统一标准的编程，使程序具有良好的可读性和可移植性，并可进步开发的效率。嵌入式操纵系统通常分为商用型和免费型两类。商用的嵌入式操纵系统有WindRiver风河的VxWorks和pSOS、美国ATI的Nucleus

10、Plus以及Microsoft微软的WindowsCE等。免费的嵌入式操纵系统有嵌入式Linux、uC/OS等。商用型操纵系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后效劳，但往往价格昂贵。免费型操纵系统具有源代码公开和无需版税的上风，但也存在着开发困难的缺乏。嵌入式操纵系统的选择需要根据用户的硬件平台和实际应用来确定，本系统选用嵌入式uClinux作为软件开发平台。uClinux属于免费型操纵系统，是嵌入式Linux的一个分支，已经成功移植到多种像S3C4510B这样不带MMU的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。更为重要的是uClinux具有完好的TCP/IP协议，可直接在其根底

11、上进展应用层协议开发，大大加快软件开发进程。当然该系统也并非十全十美，它的非实时性就使应用受到一定的限制。不过目前存在两种不同的方案提供uClinux对实时性的支持:RTLinuxRTL和RTAI，可对内核进展修改使uClinux应用到对实时性要求较高的场合。5关键技术介绍5.1ARM微处理器ARMAdvancedRISCMachines是对一类基于RISC精简指令集计算机架构的32位微处理器的统称，这类微处理器由于采用英国ARM公司的知识产权IP而得名。ARM公司成立于1991年，是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司。作为知识产权供给商，ARM公司本身不直接从事芯片消费，而主要出售芯

12、片设计技术的受权。世界各大半导体消费商从ARM公司购置其设计的ARM微处理器内核，针对各自不同的应用领域，参加适当的外围电路，进而形成自己的ARM微处理器进入市场。ARM微处理器由于具有性能高、本钱低、功耗低、体积小等优点而在众多领域得到广泛应用。到目前为止，其应用已经普及工业控制、消费类电子产品、通讯网络、无线通讯等领域，占32位RISC微处理器应用75%以上的市场份额。ARM在32位微处理器领域的领先地位就如同51系列单片机在8位微控制器领域的地位一样。另外，全球已有几十家大的半导体公司使用ARM公司的受权，这使得ARM技术可以获得更多的第三方的工具、制造和软件的支持。ARM微处理器是典型

13、的RISC架构，该架构是针对传统CISC复杂指令集计算机架构存在的缺乏而提出来的。CISC架构指令集庞大，指令长度不固定，指令执行周期有长有短，这使得指令译码和流水线的实如今硬件上非常复杂，给芯片的设计开发和本钱降低带来了极大困难。ARM微处理器采用RISC架构并结合一些独特的技术，形成以下特点:采用固定长度的单周期指令和灵敏简单的寻址方式，执行效率高;大量使用存放器，数据处理指令仅对存放器进展操纵，指令执行速度快;支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，能很好的兼容8/16位器件;可用加载/存储指令批量传输数据，以进步数据的传输效率;硬件上采用桶型移位器，可在一条数据处理指令中同

14、时完成逻辑处理和移位处理;在循环处理中使用地址的自动增减来进步运行效率。RM微处理器目前主要包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore以及Inter的Xscale和StrongARM等系列。每个系列除具有ARM体系构造的共同特点以外，都有各自的特点和应用领域。5.2uClinux嵌入式操纵系统uClinux是嵌入式Linux的一个分支，是专门针对没有内存治理单元MMU的微处理器设计的嵌入式操纵系统，是针对微控制领域的Linux系统。uClinux由Linux2.0/2.4内核派生而来，是通过对标准Linux进展小型化裁剪、优化和代码改写后形成的一个高度优化、代码紧凑的

15、嵌入式Linux操纵系统。固然uClinux内核非常小，但它仍沿袭了Linux系统的绝大局部特性，为在硬件平台上更好的运行各种程序提供了保证。uClinux嵌入式操纵系统具有如下特点:遵循GPL版权协议，源代码完全开放，可免费获取和使用丰富的软件资源，使软件开发周期大为缩短;是一个功能强大，性能高效稳定的多任务嵌入式操纵系统;内核小巧512k左右且采用模块化设计，可根据应用需要灵敏地裁剪内核和定制功能;具有成熟、完善的网络协议栈，支持所有标准因特网协议，可快速开发嵌入式系统在网络方面的应用;支持多种体系构造，已经在多种硬件平台上成功移植;同标准Linux系统的API函数保持一致，几乎不受没有M

16、MU的影响;具有一整套开发工具，轻易建立嵌入式系统的开发环境，并可直接使用内核调试器来进展调试和查错;支持主要的文件系统，如:FAT、EXT2、ROMFS、JFFS等;本身不具有实时性，但已有方案可对内核修改以应用到对实时性要求较高的场合。uClinux的根本架构如图2所示:图2uClinux根本构造BootLoader:负责Linux内核启动的代码，用于初始化系统资源以建立Linux内核运行环境，并从Flash存储器中装载初始化ramdisk。内核初始化:内核的入口点是start_kernel函数。它初始化内核的其他局部，包括捕捉，IRQ通道，调度，设备驱动，标定延迟循环，最重要的是可以fo

17、rkinit进程，以启动整个多任务环境。系统调用函数/捕捉函数:在执行完init程序后，内核对程序流不再有直接的控制权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件例如硬件中断和为系统调用提供进程。设备驱动:设备驱动占据了uClinux内核很大局部。同其他操纵系统一样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操纵系统提供接口。文件系统:文件系统使得用户可以查看存储设备上的文件和途径而无须考虑实际物理设备的文件系统类型。uClinux透明的支持很多不同文件系统，将各种安装文件和文件系统以一个完好的虚拟文件系统的形式呈现给用户。6完毕语随着以太网技术的飞速开展，以太网应用于工业领域的障碍已根本解除。首先是以太网通讯速

18、率一再进步。以太网产生迟延的主要原因是由于碰撞，而碰撞产生的概率是由网络负荷决定的。通讯速率的进步就意味着一样数据吞吐量条件下，网络负荷减轻和传输延时减少。其次采用双工星型网络拓扑构造和以太网交换技术。以太网交换机实现冲突域的隔离，使各端口之间数据帧输入输出不再受CSMA/CD机制的制约，再加上全双工通讯方式使端口间两对双绞线或者两根光纤上可以同时接收和发送数据，以太网通讯确定性和实时性得到保障。同时很多公司也相继开发出适用于工业环境的以太网器件。美国Synergetic微系统公司和德国Hirschmann、JetterAG等公司专门开发和消费了导轨式集线器、交换机产品，安装在标准DIN导轨上

19、，并有冗余电源供电，接插件采用结实的DB-9构造。美国NETsilicon公司采用NET+ARM体系，研制出低本钱的工业以太网通讯接口芯片。2003年公布的IEEE-802.3af标准中，对以太网的总线供电标准进展了定义。凡此种种，给以太网进入实时控制领域创造了条件。正由于如此，美国权威调查机构ARCAutomationResearchCompany预测今后以太网不仅将继续垄断贸易计算机网络通讯和工业控制系统的上层网络通讯市场，也必将指导将来现场总线的开展，Ethernet和TCP/IP将成为器件总线和现场总线的根底协议。美国VDCVentureDevelopmentCorp的调查报告也指出，Ethernet在工业控制领域中的应用将越来越广泛，世界占有率将由2000年的11%增加到2005年的23%3。S3C4510B与uClinux系统构成具有工业以太网接口的嵌入式智能设备，并利用TCP套接字实现工业以太网上的数据通讯，这种方式综合了uClinux嵌入式系统和工业以太网的优点，能知足当前工业控制领域对测控任务的要求，保证测控任务完成的实时性、可靠性，将会在工业控制领域得到越来越广泛应用。