基于嵌入式Linux系統(tǒng)的遠程監(jiān)控模塊設(shè)計詳解

?引言

嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置”（devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要功能是通過計算機可使遠程專家和相關(guān)技術(shù)人員在異地通過系統(tǒng)的客戶器端監(jiān)控多臺設(shè)備的運行狀態(tài)。系統(tǒng)在設(shè)備端的服務(wù)器端不僅僅承擔(dān)一些實時檢測系統(tǒng)狀態(tài)的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ARM7TDMI核心的S3C44BOX作為微處理器芯片，系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)圖如圖l所示，其電路原理圖如圖2所示。

1.1 存儲模塊設(shè)計

系統(tǒng)的FLASH采用的是HY29LV160，容量大小為2M字節(jié)，充當S3C44BOX的程序存儲器，其內(nèi)部存放啟動代碼、uclinux內(nèi)核、以太網(wǎng)MAC地址以及應(yīng)用程序等。HY29LV160的單片存儲容量為16M位（2 M字節(jié)），工作電壓為2.7 V～3.6 V，采用48腳TSOP封裝或48腳FBGA封裝，16位數(shù)據(jù)寬度，可以以8位（字節(jié)模式）或16位（字模式）數(shù)據(jù)寬度的方式工作。在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮到uclinux操作系統(tǒng)帶應(yīng)用程序的最大容量不會超過l_7 MB，因此，F(xiàn)lash采用大小為2MB的FLASH存儲器就可以滿足系統(tǒng)的需求。DRAM采用的是HY57V641620，用于設(shè)置程序堆棧和存放各種變量。HY57V641620存儲容量為4組x 16 M位（8 M字節(jié)），工作電壓為3.3 V，根據(jù)系統(tǒng)需求，可構(gòu)建16位或32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)。但為充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)采用32位的SDRAM存儲器系統(tǒng)，共16 MB的SDRAM空間。

Flash 是一種創(chuàng)作工具，設(shè)計人員和開發(fā)人員可使用它來創(chuàng)建演示文稿、應(yīng)用程序和其它允許用戶交互的內(nèi)容。Flash 可以包含簡單的動畫、視頻內(nèi)容、復(fù)雜演示文稿和應(yīng)用程序以及介于它們之間的任何內(nèi)容。通常，使用 Flash 創(chuàng)作的各個內(nèi)容單元稱為應(yīng)用程序，即使它們可能只是很簡單的動畫。您也可以通過添加圖片、聲音、視頻和特殊效果，構(gòu)建包含豐富媒體的 Flash 應(yīng)用程序。Flash 特別適用于創(chuàng)建通過 Internet 提供的內(nèi)容，因為它的文件非常小。Flash 是通過廣泛使用矢量圖形做到這一點的。與位圖圖形相比，矢量圖形需要的內(nèi)存和存儲空間小很多，因為它們是以數(shù)學(xué)公式而不是大型數(shù)據(jù)集來表示的。位圖圖形之所以更大，是因為圖像中的每個像素都需要一組單獨的數(shù)據(jù)來表示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用的是RTL8019AS。它是一款10 M以太網(wǎng)芯片，能夠為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)的接入。RTL8019AS數(shù)據(jù)總線寬度為16位。因此設(shè)計中將IOCS16B引腳上拉。RTL8Ol9AS內(nèi)部集成了兩塊RAM。一塊16 kB，地址為0x4000—7FFF；一塊32字節(jié)，地址為0x0000一Ox001F。16 k的RAM用作收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，一般將0x4000—0x46FF作為發(fā)送緩沖區(qū)，0x4700—0x7FFF作為接收緩沖區(qū)。RTL8019的中斷輸出INTO與S3C44BOX的EINTO端相連。

I0S2上拉，其它懸空，當RTL8019AS的引腳懸空時，引腳的輸入狀態(tài)為低電平，里面有一個100 kΩ的下拉電阻，因此IOSO，IOSI，I0S3均為低電平，芯片的I／0基址是200H。片選AEN接處理器的nGCS5也就是Bank5，因此RTL8019在系統(tǒng)中分配的地址范圍為：0xoa000000—0xoc000000。由于數(shù)據(jù)總線寬度為16位，處理器的A1連接8019的SA0，20F001是網(wǎng)卡濾波器，內(nèi)部包含一對低通濾波器和一對隔離變壓器。

2 系統(tǒng)軟件平臺的構(gòu)建

uclinux表示micro-control linux.即“微控制器領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的。它已經(jīng)被成功地移植到了很多平臺上。由于沒有MMU，其多任務(wù)的實現(xiàn)需要一定技巧。

uclinux經(jīng)過對標準Linux內(nèi)核的改動，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，但uclinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持，以及標準豐富的API，適合遠程配置模塊的建立。

系統(tǒng)采用GNU的套件arm-elf工具鏈：arm—elf-tools-20030314.sh建立對uclinux進行編譯的交叉環(huán)境。將arm-elf-tools-20030314.sh拷貝到根目錄，運行安裝：

sh arm-elf-tools-20030314.sh即可對uclinux進行編譯和移植了

交叉編譯成功后，在uClinux-dist／目錄下產(chǎn)生images目錄，其中包含的3個二進制文件文件image.ram，image.rom和romfs.img。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件是實現(xiàn)遠程配置模塊的核心，首先編寫bootloader的過程，以優(yōu)化系統(tǒng)在開發(fā)板上的執(zhí)行，然后實現(xiàn)了應(yīng)用程序以及設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。應(yīng)用程序的開發(fā)主要是基于Socket應(yīng)用程序的編寫。

3.1 Bootloader的設(shè)計

Bootloader的設(shè)計主要是為了在系統(tǒng)上電復(fù)位之后，將系統(tǒng)程序執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)內(nèi)核的執(zhí)行地點。針對這個主要的功能，必須對微處理器的內(nèi)核以及其他部分進行初始化以及其它的功能擴展，Bootloader它主要完成了以下幾個過程：

（1）建立中斷向量表

（2）初始化各種處理器模式

（3）引入特殊變量

（4）初始化memory

（5）代碼復(fù)制

完成了系統(tǒng)的硬件初始化過程后，將CPU使用權(quán)交給了操作系統(tǒng)，從而完成了。Bootloader的最終目的。

3.2設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)

Linux對設(shè)備的操作Linux系統(tǒng)訪問設(shè)備就像訪問文件—樣。例如打開設(shè)備使用系統(tǒng)調(diào)用open（），關(guān)閉設(shè)備使用