基于嵌入式Linux的風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)平臺的構(gòu)建

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，同時考慮到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性，一種以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)隨之誕生。這種嵌入式系統(tǒng)能適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用系統(tǒng)。而在眾多嵌入式操作系統(tǒng)中，Linux以其體積小、可裁減、運(yùn)行速度快、網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良、源碼公開等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。特別是2.6內(nèi)核版本的Linux更是在實(shí)時性能方面有了很大的提高，因此在工業(yè)控制場合得到了越來越多的重視和應(yīng)用。

本文正是在這一背景下，為基于S3C2410的嵌入式平臺(擴(kuò)充了多種外圍設(shè)備，包括：LCD、A／D、網(wǎng)絡(luò)芯片等等)構(gòu)建出一個基于Linux2.6.16內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，以滿足風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的需求。

1系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)的硬件平臺是以32位高性能嵌入式處理器S3C2410A作為系統(tǒng)的CPU，其工作頻率最高為203 MHz，具有強(qiáng)大的處理能力。另外，還擴(kuò)展有多種外圍設(shè)備，如：分辨率為640×480的26萬色TFT液晶顯示屏、串口、USB口、網(wǎng)口、64MB Flash、64MB SDRAM等等。可以充分滿足風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的需求。

本硬件平臺的軟件構(gòu)架主要分為以下幾個部分：BSP層、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用層，圖1所示是其軟件構(gòu)架圖。本系統(tǒng)的硬件平臺是由嵌入式微處理器及其外圍設(shè)備所構(gòu)成的。硬件抽象層(BSP)是存儲在硬件平臺ROM或Flash上的負(fù)責(zé)與硬件底層交流的硬件驅(qū)動程序，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并將收集的硬件信息傳遞到接下來運(yùn)行的操作系統(tǒng)內(nèi)核中去。操作系統(tǒng)內(nèi)核通過BSP來管理系統(tǒng)硬件資源，并為上層軟件提供進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動等服務(wù)。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交流。


在完成系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)以后，就可以針對硬件平臺進(jìn)行具體的構(gòu)建了，其工作主要包括以下幾個部分：BootLoader移植、內(nèi)核移植以及文件系統(tǒng)的建立等，其中內(nèi)核移植包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、LCD和USB等驅(qū)動的移植。文中針對本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)給出了相關(guān)程序的移植。

2 BootLoader移植

BootLoader (引導(dǎo)加載程序)是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼。這段小程序用于初始化硬件設(shè)備和建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

目前，較流行的BootLoader主要有U-boot和Vivi等。本設(shè)計(jì)主要是以S3C2410為控制器的硬件平臺，因此可以選用帶有網(wǎng)絡(luò)功能的Vivi作為系統(tǒng)的BootLoader。作為引導(dǎo)程序的Vivi一般分為stage1和stage2兩大部分。stage1主要是根據(jù)CPU的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備初始化等工作，通常都用短小精悍的匯編語言來實(shí)現(xiàn)，而stage2則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。為了使Vivi更適合本系統(tǒng)的硬件平臺，設(shè)計(jì)時需要對其進(jìn)行部分修改。

(1)修改編譯器

首先要把Vivi中Makefile的有關(guān)編譯的選項(xiàng)指向安裝好的3.4.1版本的交叉編譯工具鏈，將編譯所需的Linux文件夾“UNUX-INCLUDE-DIR=”指向交叉編譯器所在的文件夾“LINUX-INCLUDE-DIR=／usr／local／arm／3.4.1／include”，并將“CROSS-COMPILE=”項(xiàng)修改為“CROSS-COMPILE=／usr／local／arm／3.4.1／bin／arm-linux-”。

(2)修改啟動參數(shù)

接著根據(jù)硬件平臺的實(shí)際情況要修改Vivi中Flash分塊情況。本系統(tǒng)將Flash劃分成四個部分：第一部分用來存放系統(tǒng)的Vivi：第二部分用來存放Vivi以及Linux操作系統(tǒng)的啟動參數(shù)；第三部分用來存放嵌入式Linux操作系統(tǒng)；最后一部分用來存放文件系統(tǒng)。具體的地址及塊大小分配如表1所列。


修改完以上兩項(xiàng)就可以對Vivi進(jìn)行編譯了，之后通過JTAG將生成的二進(jìn)制代碼燒寫到Flash的第一部分，即完成了Vivi的移植。

3內(nèi)核移植

內(nèi)核移植和BootLoader移植一樣要根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件平臺來進(jìn)行。根據(jù)本嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)，需修改內(nèi)核Makefile文件、設(shè)置Flash分區(qū)、配置與編譯內(nèi)核等，并完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、LCD以及USB等驅(qū)動的移植，下面簡單介紹一下針對本硬件平臺的相關(guān)移植工作。

(1)內(nèi)核編譯與移植

在交叉編譯內(nèi)核之前，要先對編譯選項(xiàng)進(jìn)行配置。執(zhí)行“make menuconfig”指令，進(jìn)人Syetem Type選項(xiàng)，選擇對S3C2410系統(tǒng)板的支持，然后配置File System和Block device，接下來使用“make dep”指令設(shè)置依賴關(guān)系，之后便可以使用“make zImage”指令進(jìn)行編譯。編譯內(nèi)核交叉編譯時間相對較長。最終會生成一個文件zImage，這就是編譯成功后的ARM Linux內(nèi)核文件。將編譯好的內(nèi)核鏡像文件寫入到Flash中，即完成了內(nèi)核的移植。

(2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備移植

系統(tǒng)中采用CS8900A作為網(wǎng)絡(luò)芯片，最高支持10 Mb／s的傳輸率，它使用S3C2410的nGCS3作為片選線，IRQ_EINT9作為外部中斷信號線。其驅(qū)動移植方法如下：

1)在linux／driver／net／arm目錄下加入芯片的驅(qū)動程序文件cs8900．h和cs8900．c：

2)在smdk2410_init函數(shù)中完成相應(yīng)寄存器設(shè)置；在cs8900_probe()函數(shù)中對S3C2410的網(wǎng)絡(luò)控制寄存器進(jìn)行設(shè)置：加入_raw_writel(0x221ldll0,S3C2410_BWSCON)；和_raw_writel(0x1f7c,S3C2410_BANKCON3)；兩個語句；

3)將網(wǎng)卡的物理地址(0x19000000)映射到vSMDK2410_ETH_IO所指向的虛擬地址上去，即在／arch／arm／mach-s3c2410／mach-smdk2410．c文件中的smdk2410_iodesc []結(jié)構(gòu)數(shù)組中添加如下內(nèi)容：{vSMDK2410_ETH_IO，0x19000000，SZ_1M，MTl_DEVICE}；

4)配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的Makefile、Kconfig文件，并對頭文件做部分修改。

(3) LCD移植

在2.6.16內(nèi)核中已經(jīng)包含了S3C2410的LCD驅(qū)動程序，因此，移植的主要工作是要根據(jù)驅(qū)動程序及LCD屏的實(shí)際情況進(jìn)行初始化。S3C2410自帶5個LCD控制器，每個控制器有不同的功能，必需對每個控制器的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能順利地啟動LCD，這些參數(shù)包括：液晶屏類型(TFT屏或CSTN屏)、顏色位數(shù)、垂直度、水平度、控制信號線的極性以及液晶屏的分辨率等等。

本系統(tǒng)采用的是SHARP 8.0英寸的TFT液晶屏。參考該液晶屏手冊，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置各個寄存器的參數(shù)如表2所列。


設(shè)置好液晶屏的參數(shù)后，再在平臺初始化函數(shù)smdk2410_devices[]_initdata中啟動液晶屏。最后，修改drivers／video目錄下的Kconfig和drivers／video目錄下的Makefile文件。

4文件系統(tǒng)建立

每種操作系統(tǒng)都有適合自己的文件系統(tǒng)，如：Windows一般采用FAT32或NTFS文件系統(tǒng)格式，Linux采用EXT2或EXT3文件系統(tǒng)格式，而嵌入式Linux操作系統(tǒng)是建立在一種稱為YAFFS2(YAFF文件系統(tǒng)的改進(jìn)版)的針對嵌入式Linux的文件系統(tǒng)之上。因此可根據(jù)本系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計(jì)及所采用的Linux內(nèi)核。構(gòu)建出YAfTS2文件系統(tǒng)，步驟如下：

(1)在內(nèi)核中建立YAFFS2目錄fs／yaffs2，并把下載的YAFFS2代碼(可以從網(wǎng)上下載開源的YAFFS2的源碼)復(fù)制到該目錄下面；

(2)修改Kconfig和Makefile，使其可以配置YAFFS2；

(3)在YAFFS2目錄中生成Makefile和Kconfig文件；

(4)根據(jù)表1在內(nèi)核中修改NAND分區(qū)；

(5)配置內(nèi)核時，應(yīng)選中MTD支持和YAFFS2支持；

(6)編譯內(nèi)核并將其下載到開發(fā)板的Flash中；

(7)制作根文件系統(tǒng)下載到Flash的指定地址(地址如表1所示)。

至此，就搭建好了風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)所需要的軟硬件平臺。圖2所示是基于搭建好的平臺并使用Qt／Embeded開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的截圖。



5結(jié)束語

本文根據(jù)一個特定的目標(biāo)平臺，介紹了如何構(gòu)建基于Linux 2.6.16的嵌入式開發(fā)平臺，介紹了移植的主要技術(shù)和整個流程，并在Qt／Embedd下開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控軟件。掌握這些移植和開發(fā)技術(shù)，對于開發(fā)嵌入式Linux應(yīng)用系統(tǒng)十分重要，同時對于開發(fā)其它類型的嵌入式系統(tǒng)也具有一定的參考意義。