基于ColdFire5307处理器和uClinux操作系统实现数据采集系统的设计

作者：陆宝辂，李荐民，李刚

在ColdFire上嵌入uClinux操作系统是一项比较成熟的技术，般应用在手持设备、家庭网关、工业控制中。但在数据采集应用中使用这项技术却不是很常见，原因是uClinux不是实时操作系统，而数据采集应用对数据采集的实时性要求很高。本文介绍如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系统的方法来实现数据的采集和传输。

1 硬件平台

任何嵌入式应用系统都离不开具体的硬件平台，这里先介绍一下系统采用的硬件平台。

图1所示即为硬件结构的示意图。其中，SPM是数据处理模块，它控制前端的A/D变换，根据设定的采集周期将A/D变换后的数据保存在其内部的RAM中；同时发出一个中断信号。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位处理器ColdFire 5307自行开发的嵌入式应用开发板。其硬件配置包括：

ColdFire5307 90MHz 32位处理器；16M SDRAM；2M Flash ROM；10Mbps以太网接口；两个UART串口；两个64针的地址和数据总线接口。 ISC（图像控制工作站）和IDS（图像数据工作站）是两个工作站，用来对系统实现控制，对图像数据实现处理。

XBoard和工作站处在同一个以太网上，该以太网上还配有其它的设备。uClinux所要实现的功能是实时地将SPM上采集的数据通过以太网传到IDS上，同时接收来自ICS的命令以对SPM进行控制。

2 SPM和xBoard之间的连接

uClinux需要读取SPM中的RAM，所以最好是把SPM中的RAM作为uClinux的内存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之间的硬件连接如图2所示。 SPM中RAM的地址线、数据线和控制线直接连到CPU的总线上。除了硬件上的连接之外，还需要设置MCF5307的寄存器，为SPM上的RAM分配内存空间。XBoard在加电时首先运行debug程序，所以在debug中进行寄存器的设置是比较合适的。在debug源代码中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函数中加上下面的语句： MCF5307_WR_CS_CSAR5（imm，0xa000）； SPM的地址从0xa0000000开始 MCF5307_WR_CS_CSCR5（imm，0x3d40）； 采用8位的读方式 MCF5307_WR_CS_CSMR5（imm，0x01FF0001）； 空间大小为1M 将SPM控制的引脚和MCF5307的并口引脚相连，这产对SPM的控制就只需设置并口的相应位了。

3 uClinux下的实时性

uClinux并不是一个实时操作系统（RTOS），如何使用uClinux完成有实时性要求的数据采集是需要考虑的问题。由于应用中只一个实时的任务——从SPM中读取数据，所以采用中断的方式来对数据采集完的信号提供实时响应。下面的代码用来向uClinux注册IRQ7中断处理程序：result=request_irq（ECM_IRQ，ecm_interrupt，0，“ecm”，NULL）； 在中断处理程序中，先关闭中断，因为中断嵌套在这里是没有意义的，还有一个重要的原因是SPM中断信号的低电平持续时间比较长。CPU是利用低电平来标志断信号的，所以CPU可能在SPM的一个中断信号中检测到多次中断。关闭中断后，从SPM的RAM中读取数据。由于SPM和xBoard之间的连接已得到保证，SPM的内部RAM成为uClinux的内存空间的一部分，所以读的工作是很简单的，只是将数据从一个地址读到另外一个地址，读完数据后打开中断。读数据之间发生的中断都会被忽略。读数据块的大小为4096字节，读完所有的数据需要2ms。所以在采集周期低于2ms的情况下，系统无法正常工作。不过这个指标低于应用的要求。

4 数据的临时存放

xBoard上并没有大的存储设备，所以uClinux采集的数据必须及时地传送出去。以太网上通过交换机连接着多个设备，在网络繁忙的时候并不能保证数据会被及时地传出去。解决这个问题的方法是开辟一个缓冲区，将暂时无法传出去的数据放在缓冲区中。 由于没有MMU的支持，uClinux不能提供内存保护机制，进程可以随意读取任何内存地址。这样，在带来方便的同时也增加了一些麻烦。方便的一面表现在可以在进程中开辟缓冲区，在内核中用同样的地址使用缓冲区；不利的一方面表现在开辟动态内存必须十分小心，不能和其它进程发生重叠。 在进程中开辟了50个数据缓冲片，这些缓冲片通过三个双向链表维持形成缓冲区。所有的缓冲片被挂在一个称为list的双向链表中，退出进程的时候，应该将这些动态内存释放。同时，将存有有效数据（即尚未被发送出去的数据）的缓冲片放在称为dirty的双向链表中，将可以使用的缓冲片放在称为clean的双向链表中。中断处理程序每次从clean链表中取得一个缓冲片，存入数据后放到dirty链表中；相反，发送进程每次从dirty队列中取一个缓冲片，发送其保存的数据，然后把它放到clean链表中。这样可以在一定程序上为网络速度的稳定提供缓冲。

5 uClinux上运行任务的分析

在uClinux上运行了三个任务：读取采集数据、通过以太网发送数据、接收和执行来自ICS的命令。其中的读取采集数据任务对实时性有要求，把它用中断处理程序来实现，而其它的两个任务则通过用户进程来实现。通过以太网发送数据的任务和读取采集数据的任务其享一个缓冲区，通过ioclt函数在它们它们传递缓冲区双向链表的地址。所以还需要为SPM注册一个驱动程序，这也是在uClinux操作中比较特别的进程和内核通信的方法。同时，把对SPM的设置和查询等操作也包装在这个驱动程序里同，这些操作都是通过ioctl函数向程提供接口。注册驱动程序的函数是： result=“register”_chrdev（ECM_MAJOR，“ecm”，%26;amp;ecm_fops）；可见，这里把SPM作为一个字符型的设备，由于缓冲区是共享，所以必须提供一个锁相制，使得在某个进程向缓冲片中写数据时，其它的进程不读或写该缓冲片。 UClinux不仅在信息家电、低端网络设备和工业控制领域中有较广的应用，而且在简单的数据采集和传输方面也有了应用方案。