1. 课程导入与平台全景

在工业控制领域，传统PLC擅长逻辑联锁与高可靠I/O，但在需要复杂协议转换、边缘计算、人机界面、数据上云与远程运维的场景中，单纯依靠PLC往往力不从心。TI Sitara系列处理器正是为这类“控制+计算+通信”融合需求而设计的工业级ARM平台。它把实时控制、Linux操作系统、工业网络接口和图形显示能力集成在一颗芯片上，使开发者能够用一套软硬件架构覆盖从现场设备到云端的数据链路。

本课程以TI Sitara AM335x/AM62x等典型工业SoC为硬件基础，以Linux实时内核与工业协议栈为软件基础，围绕“平台认知—环境搭建—驱动开发—实时优化—协议集成—系统部署”的主线展开。第1章不急于写代码，而是先建立平台全景：这颗芯片里有什么、板子上有什么、Linux里跑什么、开发流程怎么走。只有把对象和路径看清楚，后续的寄存器操作、设备树修改和实时补丁才有落脚点。

核心定位：工业边缘控制器，而非通用开发板

TI Sitara在工业场景中的定位可以概括为“边缘控制节点”：向下通过工业现场总线或实时以太网连接传感器、伺服驱动器和远程I/O；向上通过以太网、4G/5G或Wi-Fi连接SCADA、MES或云平台；在本地则运行Linux，承担协议转换、数据预处理、逻辑控制和HMI显示。与通用ARM开发板不同，工业Sitara平台强调宽温、长期供货、ECC内存、看门狗、实时以太网（如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP）以及功能安全相关设计。

以AM335x为例，其内部包含ARM Cortex-A8应用核、可编程实时单元（PRU）、双千兆以太网MAC、CAN控制器、多路UART/SPI/I2C和LCD控制器。PRU是Sitara区别于普通ARM芯片的关键：它是一颗独立于主核的实时协处理器，可运行确定性代码，用于实现EtherCAT从站、编码器采集、PWM生成等对时序敏感的任务。主核跑Linux负责管理、通信和显示，PRU负责硬实时，两者通过共享内存和中断协同。这种“主核+PRU”的异构结构，是理解后续实时方案的基础。

典型应用场景：从运动控制到边缘网关

Sitara工业平台的应用大致可分为四类。第一类是运动控制与实时I/O：利用PRU实现EtherCAT从站或编码器接口，主核运行Linux完成轨迹规划与HMI，典型如包装机械、数控机床和机器人关节控制器。第二类是工业网关与协议转换：设备同时具备双网口和CAN，可在Modbus RTU、Modbus TCP、PROFINET和OPC UA之间做数据映射，把老旧串口设备接入现代SCADA。第三类是边缘计算与数据采集：在本地对振动、温度、电流信号做FFT或阈值判断，只把特征值和报警上传云端，降低带宽和延迟。第四类是HMI与显示终端：利用LCD控制器和触摸接口，运行Qt或LVGL界面，同时通过PRU保证按键响应和报警输出的确定性。

这些场景的共同点是：都需要Linux的丰富生态，又都不能容忍Linux在硬实时任务上的抖动。因此，理解“哪些任务放主核、哪些任务放PRU”是平台选型和架构设计的第一道分水岭。

软硬件组成：一张板子上的完整系统

硬件层面，一个典型的Sitara工业控制板包括：核心板（SoC + DDR3/DDR4 + eMMC + PMIC）、底板（双千兆PHY、CAN收发器、RS-485、数字输入输出隔离、LCD接口、SD卡和调试串口）。以AM335x为例，DDR3容量常见为256MB或512MB，eMMC为4GB，PMIC采用TPS65910。调试串口默认115200-8-N-1，U-Boot和内核日志都从这里输出，是开发阶段最重要的观察窗口。

软件层面，TI提供Processor SDK（Linux）作为基础。它包含U-Boot、Linux内核、设备树、根文件系统、交叉编译工具链和PRU固件开发包。开发者通常先在Ubuntu主机上安装SDK，用make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-编译内核，再通过TFTP和NFS启动目标板，最后固化到eMMC。设备树（.dts）是Sitara Linux开发的核心配置方式：引脚复用、外设使能、时钟频率、中断号都在设备树中描述，驱动通过compatible字符串匹配。修改设备树后重新编译dtb并重启，即可观察外设是否枚举成功。

整体开发流程：从裸板到可部署系统

一个完整的Sitara工业Linux项目通常按以下顺序推进，但实际项目中会反复迭代：

1. 需求与选型：确定实时性等级（周期抖动要求）、协议类型、接口数量和温度等级，据此选择AM335x、AM62x或AM64x。若需要EtherCAT从站且周期小于1ms，优先考虑带PRU的型号。
2. 环境搭建：安装Processor SDK，配置交叉编译工具链，准备TFTP/NFS服务器，连接串口和网线，确认板子能进入U-Boot命令行。
3. 启动链移植：根据板级DDR和PMIC参数修改U-Boot，配置启动参数bootargs，确保内核能从网络或eMMC启动并挂载根文件系统。
4. 设备树与驱动：按原理图配置pinmux，使能CAN、SPI、I2C等外设，编写或适配自定义驱动，通过/sys、/dev和dmesg验证。
5. 实时优化：打PREEMPT_RT补丁或使用TI RT内核，调整CPU隔离、中断亲和性和优先级，用cyclictest测量最大延迟。若仍不满足，把硬实时任务迁移到PRU。
6. 协议与应用集成：在Linux侧集成Modbus、OPC UA或EtherCAT主站，在PRU侧实现从站或高速采集，完成数据映射和HMI开发。
7. 部署与运维：固化镜像到eMMC，配置看门狗和A/B分区升级，接入远程运维通道，进行长时间老化测试。

以cyclictest为例，在AM335x上运行cyclictest -m -p 80 -n -i 1000 -l 100000，可得到1ms周期下的延迟分布。未优化内核的最大延迟可能在数百微秒甚至毫秒级，打上PREEMPT_RT并隔离CPU后，典型最大延迟可降到几十微秒。这个数据是判断是否需要PRU介入的直接依据。需要注意的是，具体数值随内核配置、负载和板级设计变化，应以实际测量为准。