通過使用ColdFire uClinux完成數據采集和傳輸論文
摘要：介紹了利用ColdFire uClinux實現數據采集和傳輸。這項技術被用在大型集裝箱檢測系統中，取得了很好的效果。
關鍵詞：ColdFire uClinux 數據采集
在ColdFire上嵌入uClinux操作系統是一項比較成熟的技術，般應用在手持設備、家庭網關、工業控制中。但在數據采集應用中使用這項技術卻不是很常見，原因是uClinux不是實時操作系統，而數據采集應用對數據采集的實時性要求很高。本文介紹如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系統的方法來實現數據的采集和傳輸。
1 硬件平臺
任何嵌入式應用系統都離不開具體的硬件平臺，這里先介紹一下系統采用的硬件平臺。圖1所示即為硬件結構的示意圖。其中，SPM是數據處理模塊，它控制前端的A/D變換，根據設定的采集周期將A/D變換后的數據保存在其內部的RAM中；同時發出一個中斷信號。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位處理器ColdFire 5307自行開發的嵌入式應用開發板。其硬件配置包括：
ColdFire5307 90MHz 32位處理器；16M SDRAM；2M Flash ROM；10Mbps以太網接口；兩個UART串口；兩個64針的地址和數據總線接口。
ISC（圖像控制工作站）和IDS（圖像數據工作站）是兩個工作站，用來對系統實現控制，對圖像數據實現處理。XBoard和工作站處在同一個以太網上，該以太網上還配有其它的設備。uClinux所要實現的功能是實時地將SPM上采集的數據通過以太網傳到IDS上，同時接收來自ICS的命令以對SPM進行控制。
(收集整理)
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、數據線和控制線直接連到CPU的總線上。除了硬件上的連接之外，還需要設置MCF5307的寄存器，為SPM上的RAM分配內存空間。XBoard在加電時首先運行debug程序，所以在debug中進行寄存器的設置是比較合適的。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，這產對SPM的控制就只需設置并口的相應位了。
3 uClinux下的實時性
uClinux并不是一個實時操作系統（RTOS），如何使用uClinux完成有實時性要求的數據采集是需要考慮的問題。由于應用中只一個實時的任務——從SPM中讀取數據，所以采用中斷的方式來對數據采集完的信號提供實時響應。下面的代碼用來向uClinux注冊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，先關閉中斷，因為中斷嵌套在這里是沒有意義的，還有一個重要的原因是SPM中斷信號的低電平持續時間比較長。CPU是利用低電平來標志斷信號的，所以CPU可能在SPM的一個中斷信號中檢測到多次中斷。關閉中斷后，從SPM的RAM中讀取數據。由于SPM和xBoard之間的連接已得到保證，SPM的內部RAM成為uClinux的內存空間的.一部分，所以讀的工作是很簡單的，只是將數據從一個地址讀到另外一個地址，讀完數據后打開中斷。讀數據之間發生的中斷都會被忽略。讀數據塊的大小為4096字節，讀完所有的數據需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情況下，系統無法正常工作。不過這個指標低于應用的要求。
4 數據的臨時存放
xBoard上并沒有大的存儲設備，所以uClinux采集的數據必須及時地傳送出去。以太網上通過交換機連接著多個設備，在網絡繁忙的時候并不能保證數據會被及時地傳出去。解決這個問題的方法是開辟一個緩沖區，將暫時無法傳出去的數據放在緩沖區中。
由于沒有MMU的支持，uClinux不能提供內存保護機制，進程可以隨意讀取任何內存地址。這樣，在帶來方便的同時也
增加了一些麻煩。方便的一面表現在可以在進程中開辟緩沖區，在內核中用同樣的地址使用緩沖區；不利的一方面表現在開辟動態內存必須十分小心，不能和其它進程發生重疊。
在進程中開辟了50個數據緩沖片，這些緩沖片通過三個雙向鏈表維持形成緩沖區。所有的緩沖片被掛在一個稱為list的雙向鏈表中，退出進程的時候，應該將這些動態內存釋放。同時，將存有有效數據（即尚未被發送出去的數據）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鏈表中取得一個緩沖片，存入數據后放到dirty鏈表中；相反，發送進程每次從dirty隊列中取一個緩沖片，發送其保存的數據，然后把它放到clean鏈表中。這樣可以在一定程序上為網絡速度的穩定提供緩沖。
5 uClinux上運行任務的分析
在uClinux上運行了三個任務：讀取采集數據、通過以太網發送數據、接收和執行來自ICS的命令。其中的讀取采集數據任務對實時性有要求，把它用中斷處理程序來實現，而其它的兩個任務則通過用戶進程來實現。通過以太網發送數據的任務和讀取采集數據的任務其享一個緩沖區，通過ioclt函數在它們它們傳遞緩沖區雙向鏈表的地址。所以還需要為SPM注冊一個驅動程序，這也是在uClinux操作中比較特別的進程和內核通信的方法。同時，把對SPM的設置和查詢等操作也包裝在這個驅動程序里同，這些操作都是通過ioctl函數向程提供接口。注冊驅動程序的函數是：
result=register_chrdev(ECM_MAJOR,“ecm”，&ecm_fops)；可見，這里把SPM作為一個字符型的設備，由于緩沖區是共享，所以必須提供一個鎖相制，使得在某個進程向緩沖片中寫數據時，其它的進程不讀或寫該緩沖片。
UClinux不僅在信息家電、低端網絡設備和工業控制領域中有較廣的應用，而且在簡單的數據采集和傳輸方面也有了應用方案。
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