基于嵌入式Linux的風力發電監控系統開發平臺的構建

為了適應不同的應用場合，同時考慮到計算機系統的靈活性、可伸縮性以及可裁剪性，一種以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪的嵌入式操作系統隨之誕生。這種嵌入式系統能適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的應用系統。而在眾多嵌入式操作系統中，Linux以其體積小、可裁減、運行速度快、網絡性能優良、源碼公開等優點而被廣泛采用。特別是2.6內核版本的Linux更是在實時性能方面有了很大的提高，因此在工業控制場合得到了越來越多的重視和應用。

本文正是在這一背景下，為基于S3C2410的嵌入式平臺(擴充了多種外圍設備，包括：LCD、A／D、網絡芯片等等)構建出一個基于Linux2.6.16內核的嵌入式系統開發平臺，以滿足風力發電監控系統開發的需求。

1系統構架

本系統的硬件平臺是以32位高性能嵌入式處理器S3C2410A作為系統的CPU，其工作頻率最高為203 MHz，具有強大的處理能力。另外，還擴展有多種外圍設備，如：分辨率為640×480的26萬色TFT液晶顯示屏、串口、USB口、網口、64MB Flash、64MB SDRAM等等。可以充分滿足風力發電監控系統開發的需求。

本硬件平臺的軟件構架主要分為以下幾個部分：BSP層、操作系統層以及應用層，圖1所示是其軟件構架圖。本系統的硬件平臺是由嵌入式微處理器及其外圍設備所構成的。硬件抽象層(BSP)是存儲在硬件平臺ROM或Flash上的負責與硬件底層交流的硬件驅動程序，主要負責對系統進行初始化，并將收集的硬件信息傳遞到接下來運行的操作系統內核中去。操作系統內核通過BSP來管理系統硬件資源，并為上層軟件提供進程調度、內存管理、文件系統、設備驅動等服務。應用層主要負責與用戶進行交流。


在完成系統的構架設計以后，就可以針對硬件平臺進行具體的構建了，其工作主要包括以下幾個部分：BootLoader移植、內核移植以及文件系統的建立等，其中內核移植包括網絡設備、LCD和USB等驅動的移植。文中針對本系統的設計給出了相關程序的移植。

2 BootLoader移植

BootLoader (引導加載程序)是系統加電后運行的第一段代碼。這段小程序用于初始化硬件設備和建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。

目前，較流行的BootLoader主要有U-boot和Vivi等。本設計主要是以S3C2410為控制器的硬件平臺，因此可以選用帶有網絡功能的Vivi作為系統的BootLoader。作為引導程序的Vivi一般分為stage1和stage2兩大部分。stage1主要是根據CPU的體系結構進行設備初始化等工作，通常都用短小精悍的匯編語言來實現，而stage2則通常用C語言來實現，這樣可以實現更加復雜的功能，且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。為了使Vivi更適合本系統的硬件平臺，設計時需要對其進行部分修改。

(1)修改編譯器

首先要把Vivi中Makefile的有關編譯的選項指向安裝好的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=”項修改為“CROSS-COMPILE=／usr／local／arm／3.4.1／bin／arm-linux-”。

(2)修改啟動參數

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


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

3內核移植

內核移植和BootLoader移植一樣要根據設計的硬件平臺來進行。根據本嵌入式系統硬件平臺的設計，需修改內核Makefile文件、設置Flash分區、配置與編譯內核等，并完成網絡設備、LCD以及USB等驅動的移植，下面簡單介紹一下針對本硬件平臺的相關移植工作。

(1)內核編譯與移植

在交叉編譯內核之前，要先對編譯選項進行配置。執行“make menuconfig”指令，進人Syetem Type選項，選擇對S3C2410系統板的支持，然后配置File System和Block device，接下來使用“make dep”指令設置依賴關系，之后便可以使用“make zImage”指令進行編譯。編譯內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內核文件。將編譯好的內核鏡像文件寫入到Flash中，即完成了內核的移植。

(2)網絡設備移植

系統中采用CS8900A作為網絡芯片，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。其驅動移植方法如下：

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

2)在smdk2410_init函數中完成相應寄存器設置；在cs8900_probe()函數中對S3C2410的網絡控制寄存器進行設置：加入_raw_writel(0x221ldll0,S3C2410_BWSCON)；和_raw_writel(0x1f7c,S3C2410_BANKCON3)；兩個語句；

3)將網卡的物理地址(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 []結構數組中添加如下內容：{vSMDK2410_ETH_IO，0x19000000，SZ_1M，MTl_DEVICE}；

4)配置網絡設備驅動的Makefile、Kconfig文件，并對頭文件做部分修改。

(3) LCD移植

在2.6.16內核中已經包含了S3C2410的LCD驅動程序，因此，移植的主要工作是要根據驅動程序及LCD屏的實際情況進行初始化。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進行相應的設置才能順利地啟動LCD，這些參數包括：液晶屏類型(TFT屏或CSTN屏)、顏色位數、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。

本系統采用的是SHARP 8.0英寸的TFT液晶屏。參考該液晶屏手冊，根據實際情況設置各個寄存器的參數如表2所列。


設置好液晶屏的參數后，再在平臺初始化函數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文件系統建立

每種操作系統都有適合自己的文件系統，如：Windows一般采用FAT32或NTFS文件系統格式，Linux采用EXT2或EXT3文件系統格式，而嵌入式Linux操作系統是建立在一種稱為YAFFS2(YAFF文件系統的改進版)的針對嵌入式Linux的文件系統之上。因此可根據本系統的硬件平臺設計及所采用的Linux內核。構建出YAfTS2文件系統，步驟如下：

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

(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)根據表1在內核中修改NAND分區；

(5)配置內核時，應選中MTD支持和YAFFS2支持；

(6)編譯內核并將其下載到開發板的Flash中；

(7)制作根文件系統下載到Flash的指定地址(地址如表1所示)。

至此，就搭建好了風力發電監控系統開發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開發的風力發電監控系統的截圖。



5結束語

本文根據一個特定的目標平臺，介紹了如何構建基于Linux 2.6.16的嵌入式開發平臺，介紹了移植的主要技術和整個流程，并在Qt／Embedd下開發了風力發電監控軟件。掌握這些移植和開發技術，對于開發嵌入式Linux應用系統十分重要，同時對于開發其它類型的嵌入式系統也具有一定的參考意義。