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基于linux的机车显示系统平台的设计
论述了以Linux作为操作系统的机车显示系统在性能、成本、可靠性等各方面的优势，分析了在构造带图形用户界面(GUI)的嵌入式Linux系统中所用到的关键技术.
0 引言 内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。为了减低不必要的复杂性，内核中不采用kernel module支持，把需要的东西直接编译到内核里；如果使用CompactFlash卡作为存储介质，IDE支持是必不可少的，因为Linux认CompactFlash卡为IDE硬盘；内核对网络的支持可以视用户需求进行添加或删除；至于SCSI、Floppy之类的外设在我们的嵌入式系统中完全没有必要，编译时可去掉。这样，重新编译过的内核显著减小。 linux的一个特性是虚拟内存交换，这一特性使应用程序的内存需求量可以无限制上升，因为操作系统在磁盘中提供了交换空间。而在存储容量相对较小的机车显示系统中，这种特性就用不上了。事实上，在一个要求比较严格的定时系统中，它会导致定时功能的失控。 实现虚拟内存的机制有：地址映射机制、内存分配和回收机制，缓存和刷新机制、请页机制、交换机制、内存共享机制，将实现这些机制的数据结构和函数屏蔽或修改，还要修改与之相关的文件。需要改动的文件主要在/include/linux、/mm、drivers/char、/fs、/ipc/kernel、/init目录下。主要的改动如下：与虚存有关的主要的数据结构是vm_area_struct，将进程的mm_struct结构中的vm_area_struct去掉，vm_area_struct利用了vm_ops来抽象出对虚拟内存的处理方法，屏蔽与虚拟内存操作有关的函数。内存映射主要由do_mmap()实现，改写此函数的代码。取消交换操作，屏蔽用于交换的结构和函数声明，以及实现交换的代码。取消内核守护进程kswapd. 另一种比较简单的办法是将系统的交换空间大小简单地置为0，就可以关掉虚拟内存的分页交换机制了。当程序要求内存大于实际的内存时，系统的表现就如同交换空间溢出时一样，程序不会被加载，或者当要求过多内存时，malloc调用失败 在机车显示系统中，需要用到两类比较重要的设备驱动程序：帧缓冲(frame buffer)驱动程序和闪存MTD驱动程序。 这是最重要的驱动程序之一，因为通过这个驱动程序才能使系统屏幕显示内容。帧缓冲驱动程序通常有三层。最底层是基本控制台驱动程序linux/drivers/char/console.c,它提供了文本控制台常规接口的一部分。通过使用控制台驱动程序函数，我们能将文本打印到屏幕上——但图形或动画还不能（这样做需要使用视频模式功能，通常出现在中间层，也就是linux/drivers/video/fbcon.c中）。这个第二层驱动程序提供了视频模式中绘图的常规接口。 参考文献 [1] 王学龙. <<嵌入式Linux系统设计与应用>>. 清华大学出版社. 2001.8 IBM developerWorks网站. 2002.3
当前，机车网络控制系统发展迅速，系统硬件和软件平台不断更新，信息在网络上的传输及响应愈发快捷，但是机车显示器作为网络系统上极其重要的人机接口设备，其软件平台仍停留在传统的DOS操作系统，显示应用软件采用DOS下的C语言编程，所有任务如数据的传输、显示、设备参数设置等都包含一个循环处理的控制流程中，从而导致数据刷新相对缓慢，开发过程繁琐，难以控制。Linux为我们提供了一个极有吸引力的选择来解决上述问题，首先，他是多任务的操作系统，我们可以采用消息传递机制来实现任务的调度；其次，在linux上有许多专门为嵌入式系统定制的GUI系统，我们可以充分利用它们所提供的图形函数来实现图形化的编程环境，加快应用软件开发进度；另外，linux还有很多优点，如它有完整免费开放的源代码，可针对具体应用修改和优化系统，内核稳定，适用于多种CPU和多种硬件平台，支持网络等，因此用它来构建机车显示系统操作平台是一个不错的解决方案。
1 linux系统平台构建中的关键技术
1.1 系统硬件设计
考虑一般测控系统对嵌入式系统要求比较多的功能有：键盘接口、显示接口、与PC机通信的串行接口、机车网络接网口等。实现的嵌入式系统硬件框图如下：
图2 硬件框图
针对机车显示系统的应用，现在用得比较多的是PC104卡，它采用x86系列的CPU，具有小巧、坚固、扩展性强的特点；另外一种选择是采用以ARM9为核心的高端嵌入式CPU，比如Motorola PowPC系列的MPC823处理器和Intel的Xscale系列处理器等，它们专们为嵌入式产品的开发而设计，具有广泛的外部设备接口，也就是我们常说的片上系统(System on Chip)，可用于多种通信显示控制系统，具有更高的性价比。
1.2 系统软件平台设计
由于象Red Hat或Mandrake这样的Linux分发版体积庞大（如果带X-Windows基本都在1G以上），是不可能装在存储容量很小的嵌入式系统上的，因此，需要对linux进行相应的裁减和定制，这其中涉及到的关键技术有：
1) 内核精简及编译
FrameBuffer的优点在于其高度的可移植性、易使用性、稳定性。使用Linux内核的FrameBuffer驱动，可以轻松支持到1024X768X32bpp以上的分辩率。而且目前可得到的绝大多数linux版本所发行的内核中，已经预编译了FrameBuffer支持，通常不需要重新编译内核就可以使用。进入FrameBuffer可以简单地在系统启动时向kernel传送vga=mode-number的参数来激活FrameBuffer设备
闪存MTD驱动程序
MTD 设备是象闪存芯片、小型闪存卡、记忆棒等之类的设备，它们在嵌入式设备中的使用正在不断增长。MTD 驱动程序是在 Linux 下专门为嵌入式环境开发的新的一类驱动程序。相对于常规块设备驱动程序，使用 MTD 驱动程序的主要优点在于 MTD 驱动程序是专门为基于闪存的设备所设计的，所以它们通常有更好的支持、更好的管理和基于扇区的擦除和读写操作的更好的接口。Linux 下的 MTD 驱动程序接口被划分为两类模块：用户模块和硬件模块。
用户模块：这些模块提供从用户空间直接使用的接口：原始字符访问、原始块访问、FTL（闪存转换层，Flash Transition Layer — 用在闪存上的一种文件系统）和 JFS（即日志文件系统，Journaled File System — 在闪存上直接提供文件系统而不是模拟块设备）。用于闪存的 JFS 的当前版本是 JFFS2（稍后将在本文中描述）。
硬件模块：这些模块提供对内存设备的物理访问，但并不直接使用它们。通过上述的用户模块来访问它们。这些模块提供了在闪存上读、擦除和写操作的实际例程。
为了访问特定的闪存设备并将文件系统置于其上，需要将 MTD 子系统编译到内核中。
(4) 文件系统(filesystem)
系统需要一种以结构化格式存储和检索信息的方法，这就需要文件系统的参与。Ext2fs 是 Linux 事实上的标准文件系统，它已经取代了它的前任——扩展文件系统（Extfs）。因为 Ext2 文件系统的稳定性、可靠性和健壮性，所以几乎在所有基于 Linux 的系统（包括台式机、服务器和工作站——并且甚至一些嵌入式设备）上都使用 Ext2 文件系统。然而，当在机车显示系统中使用 Ext2fs 时，它有一些缺点：
● Ext2 文件系统没有提供对基于扇区的擦除／写操作的良好管理。在 Ext2fs 中，为了在一个扇区中擦除单个字节，必须将整个扇区复制到 RAM，然后擦除，然后重写入。考虑到闪存设备具有有限的擦除寿命（大约能进行 100,000 次擦除），在此之后就不能使用它们，所以这不是一个特别好的方法。
● 在出现电源故障时，Ext2fs 不是防崩溃的。 机车显示系统要求经常性的掉电保护，使用Ext2fs文件系统将造成文件数据的丢失。
● Ext2 文件系统不支持损耗平衡，因此缩短了扇区／闪存的寿命。（损耗平衡确保将地址范围的不同区域轮流用于写和／或擦除操作以延长闪存设备的寿命。）
由于这些原因，通常相对于 Ext2fs，在机车显示系统中使用 MTD/JFFS2 组合是更好的选择。
JFFS2，作为用于微型嵌入式设备的原始闪存芯片的实际文件系统而出现。JFFS2 文件系统是日志结构化的，相对于Ext2文件系统，JFFS2有以下优点：
● JFFS2 在扇区级别上执行闪存擦除／写／读操作要比 Ext2 文件系统好。
● JFFS2 提供了比 Ext2fs 更好的崩溃／掉电安全保护。当需要更改少量数据时，Ext2 文件系统将整个扇区复制到内存（DRAM）中，在内存中合并新数据，并写回整个扇区。这意味着为了更改单个字，必须对整个扇区（64 KB）执行读／擦除／写例程 — 这样做的效率非常低。要是运气差，当正在 DRAM 中合并数据时，发生了电源故障或其它事故，那么将丢失整个数据集合，因为在将数据读入 DRAM 后就擦除了闪存扇区。JFFS2 附加文件而不是重写整个扇区，并且具有崩溃／掉电安全保护这一功能。
● 这可能是最重要的一点：JFFS2 是专门为象闪存芯片那样的嵌入式设备创建的，所以它的整个设计提供了更好的闪存管理。
在linux下，用mkfs.jffs2命令创建JFFS2文件系统。
2 图形用户界面(GUI) -- MiniGUI
从用户的观点来看，图形用户界面（GUI）是系统的一个最至关重要的方面：用户通过 GUI 与系统进行交互。所以 GUI 应该易于使用并且非常可靠。但它还需要是有内存意识的，以便在我们的内存受限的显示系统上可以无缝执行。所以，它应该是轻量级的，并且能够快速装入。另一个要考虑的重要方面涉及许可证问题。一些 GUI 分发版具有允许免费使用的许可证，甚至在一些商业产品中也是如此。另一些许可证要求如果想将 GUI 合并入项目中则要支付版税。
现在面向嵌入式Linux 系统的图形用户界面很多，如MicoroWindows/NanoX ，OpenGUI，Qt/Embedded，MiniGUI等，我们选用MiniGUI ,到目前为止，已经非常成熟和稳定。从MiniGUI的官方网站（http://www.minigui.org）上可以下载MiniGUI的源代码，
因为MiniGUI 是以源代码的形式发布的，在硬盘上以编译的方法产生的MiniGUI的libminigui 目录下包含了这些源代码以及编译时生成的中间文件，所以需要的空间很大，是不可能将它全部拷贝到容量受限的嵌入式系统上的，我们需要的文件有：
● MiniGUI 的函数库，包括 libminigui、libmywins 和 libmgext 等，还包括其他的应用程序函数库。
● MiniGUI 的配置文件，即 /usr/local/etc/MiniGUI.cfg 文件。
● MiniGUI 所使用的资源文件。在 PC 上安装之后，MiniGUI 的资源文件保存在usr/local/lib/minigui/res 目录下。
如果还是觉得太大，参照下面的方法进行修改：
1. 首先可以修改编译选项，把不用的功能去掉，比如说繁体支持等。这样库会小一些。
2. 去掉无用的资源，默认安装的资源在/usr/local/lib/MiniGUI下面。其中FONTS目录可以只保留一种字体，IMETAB下面可以只保留一种输入法，RES下面也可以删除一些位图文件，调整MiniGUI 的配置文件内容。
在拥有图形用户界面的机车显示系统Linux操作平台已经搭建完成后，就可以在开发系统上写自己的应用程序，然后将它烧录至闪存设备上运行。
3 结束语
目前，该操作系统平台已经在株洲电力机车研究所研制成功，硬件平台采用PC104卡,存储介质为CompactFlash卡,经测试，数据刷新及显示满足一般的实时性要求。
