嵌入式操作系统

1引言　　计算机及其接口技术的发展和传统测试测量仪器系统暴露出来的不足，使得基于计算机的虚拟仪器设备越来越成为测试测量仪器的主导。虚拟仪器系统以其平台通用性、可扩充、易升级和高度的智能性获得了广泛的工业应用。在PC和工业控制计算机中插入基于PC总线（ISA，PCI）的数采板卡构成硬件系统，编写Windows系统平台的驱动程序和软面板实现软件功能，成为业界的主要解决方案。　　但是在野战和恶劣环境下测试任务的实践过程中，我们发现基于PC或工控机的虚拟仪器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触易松动、不紧固；以机械硬盘为主要存储介质，抗震性能差等等。　　以32位嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为特征的嵌入式计算平台使计算进入了后PC时代。嵌入式系统的小体积、高可靠能够满足实现野战和恶劣环境下的便携虚拟仪器的需要。基于嵌入式计算平台，设计虚拟仪器系统成为构建测试系统的新思路。　　通过构建基于PC104总线嵌入式计算平台，加入仪器卡及其功能程序，我们实现了针对雷达电子装备的多种测试仪器。构建基于嵌入式系统的虚拟仪器需要解决的技术问题集中在系统平台的构建、接口和驱动程序的设计以及软面板设计等方面。　　2硬件系统组成　　硬件系统包括嵌入式主板、仪器功能板、Flash存储介质（DOC或CF卡）、液晶显示屏、触摸屏和信号接口等。如图1所示。其中液晶显示屏、触摸屏实现人机交互，信号接口用于耦合测试信号、嵌入式主板作为控制和计算单元，仪器功能板实现具体仪器的功能。　　部件按叠放的顺序依次为触摸屏、液晶显示屏、PC104主板、示波器卡、万用表卡功能板卡和嵌入式主板之间通过PC104总线以叠栈的方式实现机械和电气的互连。采用这种方式有如下好处：　　1.电气接触高度紧密。电路板之间通过多排插针深入连接，比ISA和PCI的插槽连接要紧密得多。　　2.机械结构牢固。电路板之间用四个螺柱紧紧相连，使得板卡之间的机械连接非常牢固，不会存在晃动现象。　　3.PC104插针的电气特性与ISA完全兼容，PC104Plus插针的电气特性与PCI完全兼容，使得基于ISA或PCI总线设计的功能板卡可以从电原理上重用，有利于系统改造过程的平稳过渡。　　摈弃硬盘而采用DOC或CF卡作为外存储介质也能大大提高系统抗震动和冲击能力。　　采用如上所述的硬件系统能为小型、可靠的虚拟仪器系统提供硬件保障，但由此带来的系统存储容量小和资源受限等问题为软件系统的设计带来了困难。必须采用嵌入式操作系统，软件编程必须考虑体积小，效率高。　　3软件系统设计　　我们采用嵌入式Linux作为操作系统，在linux平台下编写仪器的驱动程序。利用TinyX和GTK+作为图形界面解决方案实现仪器软面板。　　3.1.嵌入式linux系统　　采用开源的linux系统，并通过编译选项裁减不需要的功能模块，得到大小为500K左右的内核模块。用busybox取代shell，在系统中加入glibc.o等库构建一个4M的Linux运行系统。关于嵌入式Linux系统的构建文献有详细的介绍和指导。　　3.2.linux下的io编程　　仪器卡的驱动程序采用端口读写来实现。Linux下对端口的操作方法在usr/include/asm/io.h中。由于端口读写函数是一些inline宏，所以在编写端口读写程序时只需要加入：#include不需要包含任何附加的库文件。另外由于gcc编译器的一个限制，在编写包含端口读写代码的程序时，要么打开编译器优化选项（使用gcc?O1或更高选项），要么在#include之前加上：#defineexternstatic　　在读写端口之前，必须首先通过ioperm（）函数取得对该端口读写的权限。该函数的使用如下：　　ioperm（from,num,turn_on）　　如果turn_on=1，则表示要获取从from开始的共num个端口的读写权限。如ioperm（0x300,5,1）就表示获取从端口0x300到0x304共5个端口的读写权。最后一个参数turn_on表示是否获取读写权（turn_on=1表示获取，turn_on=0表示释放）。一般在程序的硬件初始化阶段调用ioperm（）函数。　　ioperm（）函数需要以root身份运行或使用seuid赋予该程序root权限。　　端口的读取使用inb（port）和inw（port）函数来完成，其中inb（port）读取8位端口，inw（port）读取16位端口。　　对8位和16位端口的写操作分别用函数outb（value,port）和outw（value,port）来完成。其中各函数的第一个参数表示要写的数值，第二个参数表示端口地址。　　宏inb_p（），outb_p（），inw_p（）和outw_p（）的作用与对应的上述四个端口读写函数一样，只是在端口操作后附加一定时间的延时以保证读写可靠。可以通过在#include前加上：#defineREALLY_SLOW_IO获得约4微秒的延时。　　3.3.基于TinyX和Gtk+的软面板编程　　仪器软面板的设计涉及linux下GUI的选择和编程，考虑到XWindows的成熟性和与桌面系统的一致性，我们选用精简的XWindows系统TinyX作为底层GUI解决方案。使用Gtk+1.2库作为控件集来开发仪器软面板程序。　　基于TinyX和Gtk+库的图形界面开发方案使得软面板的开发与桌面环境下基于Gnome的开发比较接近，很多的桌面环境下的linux工具可以直接使用。　　Gtk+图形库是GNOME桌面系统的底层基础，它包含比较完整的GUI控件集合（GtkWidgets）。基于面向对象的方法，GTK+用C语言实现了一套对象系统和消息及回调机制，并将整个图形控件集纳于对象框架中，使得控件集的扩充比较方便。　　针对虚拟仪器领域的应用需求，可以构建常见的GUI单元的控件集。我们以GtkWidgets的形式开发了示波器，信号源等仪器的面板控件和一些关键的GUI单元控件。这些都有利于用户的二次开发和软件单元的重用。　　4结论　　基于嵌入式主板和嵌入式软件环境，我们给出一个构造虚拟仪器的通用解决方案。同时，通过构建基于TinyX和Gtk+库的GUI环境，再加上我们自主开发的一系列面板单元控件，我们提供了对虚拟仪器软面板开发的支持。　　基于以上的方案，我们开发了集示波器、万用表和微波信号源等仪器功能于一体的雷达故障检测仪。　　部队野战环境下的实践表明该系统机械结构牢固、可靠性高，携带使用方便。

高低温交变试验箱控制器均是基于嵌入式系统研发，且具有较为明显的地域区分。欧美公司偏向于应用WinCE嵌入式系统作为控制器的操作系统，而亚洲公司则偏向于应用Linux嵌入式系统作为控制器的操作系统。高低温交变试验箱两种控制器嵌入式系统优劣如下： 嵌入式Linux与WinCE相比具有以下优点： 1、Linux是开放源代码的，开发自由度极高；而WinCE则是非开放性OS，实现第三方产品定制成本较高。 2、Linux的内核相对较小、效率较高；而WinCE的系统较为臃肿，占用过多的RAM，应用程序也较为庞大。 3、Linux不仅支持x86芯片，还是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持20到30种CPU，采用Linux环境开发产品，几乎不会遇到更换平台的困扰。 4、Linux在内核结构的设计中考虑适应系统的可裁减性的要求，Windows CE在内核结构的设计中并末考虑适应系统的高度可裁减性的要求。 嵌入式Linux与WinCE相比具有以下弱点： 1、Linux系统应用软件开发难度较高，需要很高的技术实力；WinCE平台上可以使用微软大部分编程工具，如Visual Basic、Visual C++等，而由于微软编程工具的普及程度极高，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在WinCE平台上继续使用。 2、Linux核心调试工具不全，调试不太方便，尚没有很好的用户图形界面；而WinCE则继承了传统的Windows图形界面，实现HMI十分简便。 3、简化后的Linux虽然占用较小的内存，但其稳定性相对与WinCE还是有一定差距。 4、部分Linux的应用程序需要虚拟内存，而嵌入式系统中并没有或不需要虚拟内存，因此并非所有的Linux应用程序都可以在嵌入式系统中运行。

接触过传感器整合到嵌入式系统的人都知道，连接和获取来自传感器的数据并不总是直线前进或那么容易，以下有5个技巧以协助缓解工程师与传输接口到传感器的第一次战争。[b]方法1：先从总线工具开始[/b]第一步，工程师应当采取首次介接到传感器时，是透过一个总线工具的方式以限制未知。一个总线工具连接一台个人计算机（PC），然后到传感器的I2C、 SPI或其他可让传感器可以“说话”的协议。与总线工具相关的PC应用程序，提供了一个已知与工作来源用以发送和接收数据，且不是未知、未经认证的嵌入式微控制器（MCU）驱动程序。在总线工具的工作环境下，开发人员可以传送和接收讯息以得到该部分如何运作的理解，在试图于嵌入式等级操作之前。[b]方法2：Python编写传输接口码[/b]一旦开发者已尝试使用总线工具的传感器，下一步就是为传感器编写应用程序代码。并非直接跳到微控制器的代码，而是在Python编写应用程序代码。许多总线 工具在编写脚本（writing scripts）配置了插件（plug-in）和范例码，Python通常是随着.NET中可用的语言之一。在Python编写应用程序是快速且容易的， 其并提供一个方法已在应用程序中测试传感器，这个方式并未如同在嵌入式环境测试的复杂。拥有高层级的代码，将使非嵌入式工程师易于挖掘传感器的脚本及测 试，而不需要一个嵌入式软件工程师的照看。[b]方法3：以Micro Python测试传感器[/b]在Python写下第一段应用程序代码的其中一个优势是，透过调用Micro Python，应用程序调用到总线工具应用程序编程接口（API）可易于进行更换。Micro Python运作在实时嵌入式软件内，其中有许多传感器可供工程师来了解其价值，Micro Python运作在一个Cortex-M4处理器，且其是一个很好的环境，以从中为应用程序代码除错。不仅是简单的，这里也不需要去写I2C 或SPI驱动程序，因为它们已被涵盖在Micro Python的函式库中。[b]方法4：利用传感器供货商代码[/b]任何可以从传感器制造商“搜括”到的范例码，工程师需要走一段很长的路才能了解传感器如何工作的原理。不幸的是，许多传感器供货商并非嵌入式软件设计的专家，因此不要期待可以发现一个可投入生产的漂亮架构和优雅的例子。就使用供货商代码，学习这部分如何运作，之后重构的挫折感将出现，直到它可以被干净利索地整合到嵌入式软件。它可能如“意大利面条般（spaghetti）”开始，但利用制造商对其传感器如何运作的理解，在产品推出之前，将有助于减少许多得被毁掉的周末时间。[b]方法5：使用一个传感器融合函式库[/b]机会是，传感器的传输接口并不是太新，且先前没有人这么做过。已知的所有函式库，如由许多芯片制造商提供的“传感器融合函式库”，以协助开发人员快速掌握、 甚至更好，更可避免他们陷入重新开发或大幅修改产品架构的轮回。许多传感器可以被整合至一般类型或类别，而这些类型或类别将使驱动程序顺利被开发，若处理得当，几乎是普遍或是少可重复使用。寻找这些传感器融合函式库，并学习它们的优点和短处。[b]写在最后[/b]感测器被整合至嵌入式系统时，有许多方式可以帮助提高设计时程和易用性。开发者在开始设计时，透过一个高层次抽象概念，以及在把传感器整合进一个较低等级的 系统之前，学习传感器如何运作，就绝对不会“走错路”。今天存在的众多资源将可协助开发人员“旗开得胜”，而无须从头开始。