利用ColdFire uClinux實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸

在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，般應(yīng)用在手持設(shè)備、家庭網(wǎng)關(guān)、工業(yè)控制中。但在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中使用這項(xiàng)技術(shù)卻不是很常見，原因是uClinux不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求很高。本文介紹如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1 硬件平臺(tái) 任何嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都離不開具體的硬件平臺(tái)，這里先介紹一下系統(tǒng)采用的硬件平臺(tái)。
圖1所示即為硬件結(jié)構(gòu)的示意圖。其中，SPM是數(shù)據(jù)處理模塊，它控制前端的A/D變換，根據(jù)設(shè)定的采集周期將A/D變換后的數(shù)據(jù)保存在其內(nèi)部的RAM中；同時(shí)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位處理器ColdFire 5307自行開發(fā)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)板。其硬件配置包括：

ColdFire5307 90MHz 32位處理器；16M SDRAM；2M Flash ROM；10Mbps以太網(wǎng)接口；兩個(gè)UART串口；兩個(gè)64針的地址和數(shù)據(jù)總線接口。 ISC（圖像控制工作站）和IDS（圖像數(shù)據(jù)工作站）是兩個(gè)工作站，用來對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)處理。
XBoard和工作站處在同一個(gè)以太網(wǎng)上，該以太網(wǎng)上還配有其它的設(shè)備。uClinux所要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)地將SPM上采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到IDS上，同時(shí)接收來自ICS的命令以對(duì)SPM進(jìn)行控制。 
 

2 SPM和xBoard之間的連接

uClinux需要讀取SPM中的RAM，所以最好是把SPM中的RAM作為uClinux的內(nèi)存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之間的硬件連接如圖2所示。 SPM中RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線直接連到CPU的總線上。除了硬件上的連接之外，還需要設(shè)置MCF5307的寄存器，為SPM上的RAM分配內(nèi)存空間。XBoard在加電時(shí)首先運(yùn)行debug程序，所以在debug中進(jìn)行寄存器的設(shè)置是比較合適的。在debug源代碼中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函數(shù)中加上下面的語句： MCF5307_WR_CS_CSAR5（imm,0xa000）； SPM的地址從0xa0000000開始 MCF5307_WR_CS_CSCR5(imm,0x3d40)； 采用8位的讀方式 MCF5307_WR_CS_CSMR5（imm,0x01FF0001）； 空間大小為1M 將SPM控制的引腳和MCF5307的并口引腳相連，這產(chǎn)對(duì)SPM的控制就只需設(shè)置并口的相應(yīng)位了。

3 uClinux下的實(shí)時(shí)性

uClinux并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），如何使用uClinux完成有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)采集是需要考慮的問題。由于應(yīng)用中只一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)——從SPM中讀取數(shù)據(jù)，所以采用中斷的方式來對(duì)數(shù)據(jù)采集完的信號(hào)提供實(shí)時(shí)響應(yīng)。下面的代碼用來向uClinux注冊(cè)IRQ7中斷處理程序：result=request_irq（ECM_IRQ，ecm_interrupt，0，“ecm”，NULL）； 在中斷處理程序中，先關(guān)閉中斷，因?yàn)橹袛嗲短自谶@里是沒有意義的，還有一個(gè)重要的原因是SPM中斷信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)。CPU是利用低電平來標(biāo)志斷信號(hào)的，所以CPU可能在SPM的一個(gè)中斷信號(hào)中檢測(cè)到多次中斷。關(guān)閉中斷后，從SPM的RAM中讀取數(shù)據(jù)。由于SPM和xBoard之間的連接已得到保證，SPM的內(nèi)部RAM成為uClinux的內(nèi)存空間的一部分，所以讀的工作是很簡(jiǎn)單的，只是將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址讀到另外一個(gè)地址，讀完數(shù)據(jù)后打開中斷。讀數(shù)據(jù)之間發(fā)生的中斷都會(huì)被忽略。讀數(shù)據(jù)塊的大小為4096字節(jié)，讀完所有的數(shù)據(jù)需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情況下，系統(tǒng)無法正常工作。不過這個(gè)指標(biāo)低于應(yīng)用的要求。

4 數(shù)據(jù)的臨時(shí)存放

xBoard上并沒有大的存儲(chǔ)設(shè)備，所以u(píng)Clinux采集的數(shù)據(jù)必須及時(shí)地傳送出去。以太網(wǎng)上通過交換機(jī)連接著多個(gè)設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時(shí)候并不能保證數(shù)據(jù)會(huì)被及時(shí)地傳出去。解決這個(gè)問題的方法是開辟一個(gè)緩沖區(qū)，將暫時(shí)無法傳出去的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)中。 由于沒有MMU的支持，uClinux不能提供內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，進(jìn)程可以隨意讀取任何內(nèi)存地址。這樣，在帶來方便的同時(shí)也增加了一些麻煩。方便的一面表現(xiàn)在可以在進(jìn)程中開辟緩沖區(qū)，在內(nèi)核中用同樣的地址使用緩沖區(qū)；不利的一方面表現(xiàn)在開辟動(dòng)態(tài)內(nèi)存必須十分小心，不能和其它進(jìn)程發(fā)生重疊。 在進(jìn)程中開辟了50個(gè)數(shù)據(jù)緩沖片，這些緩沖片通過三個(gè)雙向鏈表維持形成緩沖區(qū)。所有的緩沖片被掛在一個(gè)稱為list的雙向鏈表中，退出進(jìn)程的時(shí)候，應(yīng)該將這些動(dòng)態(tài)內(nèi)存釋放。同時(shí)，將存有有效數(shù)據(jù)（即尚未被發(fā)送出去的數(shù)據(jù)）的緩沖片放在稱為dirty的雙向鏈表中，將可以使用的緩沖片放在稱為clean的雙向鏈表中。中斷處理程序每次從clean鏈表中取得一個(gè)緩沖片，存入數(shù)據(jù)后放到dirty鏈表中；相反，發(fā)送進(jìn)程每次從dirty隊(duì)列中取一個(gè)緩沖片，發(fā)送其保存的數(shù)據(jù)，然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程序上為網(wǎng)絡(luò)速度的穩(wěn)定提供緩沖。

5 uClinux上運(yùn)行任務(wù)的分析

在uClinux上運(yùn)行了三個(gè)任務(wù)：讀取采集數(shù)據(jù)、通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自ICS的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性有要求，把它用中斷處理程序來實(shí)現(xiàn)，而其它的兩個(gè)任務(wù)則通過用戶進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)和讀取采集數(shù)據(jù)的任務(wù)其享一個(gè)緩沖區(qū)，通過ioclt函數(shù)在它們它們傳遞緩沖區(qū)雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊(cè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，這也是在uClinux操作中比較特別的進(jìn)程和內(nèi)核通信的方法。同時(shí)，把對(duì)SPM的設(shè)置和查詢等操作也包裝在這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序里同，這些操作都是通過ioctl函數(shù)向程提供接口。注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)是： result=register_chrdev(ECM_MAJOR,“ecm”，%26;amp;ecm_fops)；可見，這里把SPM作為一個(gè)字符型的設(shè)備，由于緩沖區(qū)是共享，所以必須提供一個(gè)鎖相制，使得在某個(gè)進(jìn)程向緩沖片中寫數(shù)據(jù)時(shí)，其它的進(jìn)程不讀或?qū)懺摼彌_片。 UClinux不僅在信息家電、低端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和工業(yè)控制領(lǐng)域中有較廣的應(yīng)用，而且在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集和傳輸方面也有了應(yīng)用方案。