（信号与信息处理专业论文）基于vxworks和嵌入式web服务器的远程实时控制的实现.pdf

中文摘要 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，基于w e b 服务的应用越来越广泛，新的应用 模式b r o w s e r s e r v e r 和嵌入式w e b 服务器应运而生，并应用在多个领域。嵌入 式实时操作系统v x w o r k s 是一个功能强大，性能稳定并且实时性强的嵌入式实 时操作系统，该操作系统运行在“基于嵌入式实时系统的网络摄像机系统中的 网络传输模块上，本文通过在该平台中架构一个嵌入式w e b 服务器的方式实现 了对该网络摄像机的嵌入式远程实时控制。 本论文首先介绍本课题的研究背景，然后简单介绍b r o w e r s e r v e r 模式、嵌 入式w e b 服务器以及本系统选用的嵌入式w e b 服务器g o a h e a dw e b s e r v e r ，最 后给出了基于v x w o r k s 和嵌入式w e b 服务器的远程实时控制的系统结构；第二 章介绍“基于嵌入式实时系统的网络摄像机”的整体硬件环境，并着重介绍 v x w o r k s 嵌入式实时操作系统和g o a h e a dw e b s e r v e r 共同运行的硬件平台：网 络传输模块；第三章的主要内容是嵌入式实时操作系统v x w o r k s 5 5 的i o 系统、 本机文件系统和t u r e f f s 文件系统，最后简单介绍了其集成开发环境t o r n a d 0 2 2 ； 接下来一章主要介绍了v x w o r k s 板级支持包的开发，并实现了v x w o r k s 操作系 统到网络传输模块的移植和在f l a s h 设备上建立t r u e f f s 文件系统，最后对该文 件系统进行了使用测试；第五章主要介绍如何将g o a h e a dw e b s e r v e r 移植到 v x w o r k s 操作系统中；在前面两章的基础上，本文在最后一章实现了基于 v x w o r k s 和g o a h e a dw e b s e r v e r 的远程实时控制，并简单介绍了嵌入式w e b 服 务器的工作原理及在该技术的实现过程中用到的g o a h e a dw e b s e r v e r 提供的接 口函数和h t m l 标记语言。 本文提出的基于v x w o r k s 和嵌入式w e b 服务器的远程实时控制的解决方 案，利用了嵌入式技术和w e b 技术。该解决方案具有开发效率高、使用方便、 节省资金、易于实现和容易扩展等优点，同时可以应用到工业远程控制和远程视 频监控等多个领域，具有一定的实用价值。 关键词：v x w o r k st r u e f f s 文件系统嵌入式w e b 服务器远程实时控制 a b s t r a c t w 池t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h ea p p l i c a t i o n sb a s e do nw e bs e r v i c ea r e m o r ea n dm o r ep o p u l a r b r o w s e r s e r v e ra n de m b e d d e dw e bs e r v e rc o m ei n t ob e i n g a n dt h e ya r ea p p l i e di nm a n ya r e a s v x w o r k si sv e r yh i g h - p e r f o r m a n c e ，s t a b l ea n d r e a l t i m ea sa ne m b e d d e dr e a l - t i m eo s i nt h i sa r t i c l e ，i tr u n so nt h ei n t e r a c t t r a n s m i s s i o nm o d u l ew h i c hi so n ep a r to f i n t e r n e tc a m e r ab a s e do ne m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m a n de m b e d d e dr e m o t er e a l t i m ec o n t r o li sr e a l i z e di nt h ew a yo f m i g r a t i n ga ne m b e d d e dw e b s e r v e rt ov x w o r k s i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sa r t i c l e ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di si n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h e s y s t e ms t r u c t u r eo fr e m o t er e a l - t i m ec o n t r o lb a s e do nv x w o r k sa n d g o a h e a dw e b s e r v e ri sp r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n to ft h es e c o n dc h a p t e ri st h e h a r d w a r ee n v i r o n m e n to ft h ew h o l e i n t e r n e tc a m e r ab a s e do ne m b e d d e dr e a lt i m e s y s t e m ”a n dt h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o nm o d u l ew h i c hv x w b r k sa n dg o a h e a d w e b s e r v e ra r er u n n i n go ni sm a i n l yd e s c r i b e d c h a p t e rt h r e en a r r a t e st h ei os y s t e m a n df i l es y s t e mo fv x w b r k s 5 5 t o r n a d 0 2 2w h i c hi sa ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r m e n tf o rv x w b r l c s 5 5i sa l s os i m p l yi n t r o d u c e d c h a p t e rf o u rp r e s e n t st h e d e v e l o p m e n to fb o a r ds u p p o r tp a c k a g ea tt h eb e g i n n i n g t h e nt h em i g r a t i o no f v x w o r k sa n dt h eb u i l d i n go f1 m e f f sf i l es y s t e ma r ea l s of i n i s h e d i nc h a p t e rf i v e ， t h em i g r a t i o no fg o a h e a dw r e b s e r v e rt ov x w o r k si sr e a l i z e d i nt h el a s tc h a p t e ro f t h i sa r t i c l e ，t h er e m o t er e a l - t i m ec o n t r o lb a s e do nv x w o r k sa n dg o a h e a dw e b s e r v e r c o m e st r u e 1 1 1 et h e o r yo fe m b e d d e dw e bs e r v e ri si n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，h n 札 l a n g u a g ea n ds o m ea p if u n c t i o n so fg o a h e a dw e b s e r v e ru s e di n t h i ss y s t e ma r e i n c l u d e d 1 1 1 es o l u t i o nw h i c hi sg i v e ni nt h i sa r t i c l ec o m b i n e se m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d w e bt e c h n o l o g yt o g e t h e r i th a sm a n ym e r i t ss u c ha se a s yt ob er e a l i z e da n de x t e n d e d ， e c o n o m i c a le t c m e a n w h i l e ，i tc a nb ea p p l i e dt om a n ya r e a s k e yw o r d s ：v x w o r k s e m b e d d e dw e bs e r v e rt r u e f f sf i l es y s t e mr e m o t e r e a l t i m ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：茅1 2 屯 签字日期： 汕。7 年f 月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：女】童以 签字日期：砌7 年1 月1 3 日 导师签名： 签字日期：a 严7 月7 夕日 第一章绪论 第一章绪论 当今嵌入式技术和i n t e r a c t 技术发展迅速，被广泛应用到各个领域，嵌入式 应用的网络化和智能化越来越符合人们的需求，从而嵌入式i n t e m e t 技术应运而 生，而且这一技术在远程监测、远程医疗和工业的远程监控等很多领域都有很好 的应用。在这一发展过程中，新的w e b 模型b r o w s e r s e r v e r 和嵌入式w e b 服务 器产生了，本课题就是将二者结合并应用到了“基于嵌入式实时系统的网络摄像 机”课题中。本章将分别介绍本研究课题的背景、b r o w e r s e r v e r 模式和嵌入式 w e b 服务器，并着重介绍本系统用到的一种嵌入式w e b 服务器g o a h e a d w e b s e r v e r 。基于以上背景和介绍，在本章的最后一节提出了解决方案，并给出 了本远程实时控制系统的结构以及各部分之间的关系。 1 1 研究课题背景介绍 “基于嵌入式实时系统的网络摄像机”课题是天津市科技发展计划研究项 目，该课题已经成功完成并通过了专家验收。本论文的课题是为了改进其中的部 分功能而提出的。 “基于嵌入式实时系统的网络摄像机”是基于嵌入式技术实现的，整个系统 由三大部分组成：前端d s p 的图像采集模块、中间以嵌入式微处理器a r m 7 为 核心的网络传输模块和远程的p c 端图像显示部分，如图1 1 所示。该系统的核 心部分之一是中间的网络传输模块，其功能是将前端采集过来的图像压缩数据通 过网络进行传输。在该模块的核心处理器a r m 7 中运行着高性能的嵌入式实时 操作系统v x w o r k s 。本部分的网络通信功能和其他功能的嵌入式软件实现都是基 于v x w o r k s 操作系统的。网络通信功能的软件设计采用c l i e n t s e r v e r 模式实现， 该网络传输模块被设计为客户端，而远程的p c 作为服务器端。 但是整个系统只能进行单向通信，即前端d s p 采集的图像压缩数据被传输 到网络传输模块，然后通过网络传输到远程的p c 端，最后由p c 端对其进行接 收和显示。由于是单向通信，所以远程客户端只能被动的接收图像和显示图像， 无法根据系统和应用的需要对该系统进行远程控制和查询系统状态等操作，其应 用也受到了一定程度的限制。解决该问题的一种方式是完善c l i e n t s e r v e r 模式通 信的功能，但是该方法的软件设计需要在网络传输模块和p c 端同时进行，而且 第一章绪论 二者需要协调一致，这必然需要不少的时间和人力去实现。嵌入式w e b 服务器 技术的发展和新的b s 模式的兴起为此问题的解决提供了另一种解决方案。本文 就是将w e b 模型b r o w s e r s e r v e r 思想和嵌入式w e b 服务器技术结合，应用到该 “基于嵌入式实时系统的网络摄像机”系统中去，解决了该系统只能单向通信的 问题，实现了对该系统的远程实时控制。 d s p 图像 采集 模块 网络传输模块 图1 1基于嵌入式实时系统的网络摄像机的总体结构 1 2 嵌入式w e b 服务器 w e b 服务器是响应客户端浏览器软件的连接请求并将网页文件返回给客户 端浏览器的一类服务器软件。它是i n t e m e t 上的一类重要的服务器类软件。从网 络的o s i 模型来看，w e b 服务器的实现是建立在t c p 协议基础上的、符合h t t p 协议标准的一类网络通讯类软件。而嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r ， e w s ) 是指将w e b 服务器引入到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软 件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备了以t c p i p 为底层通信 协议，以w e b 技术为核心的基于互联网的网络测试和控制设备。与传统的w e b 应用相比，e w s 系统简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的 测控设备中。它适应嵌入式发展的需求，可以简化嵌入式设备的管理、信息发布 等功能的实现。如某些网络设备( 如网关) ，其参数的配置是通过p c 机上的浏 览器来实现的。在浏览器内输入网关的i p 地址及管理端口，即可弹出网关的参 数配置网页。再比如，有些数据采集设备，其数据的发布是通过网页的形式发布 的，甚至有些远程视频采集设备，也是通过网页来发布视频图像的。 嵌入式w e b 服务器可以运行在单片机、a r m 、d s p 等多种嵌入式处理器上。 既可以在无操作系统的嵌入式环境中运行，也支持很多嵌入式实时操作系统。嵌 入式设备中架构了嵌入式w e b 服务器之后，用户可以无需设计客户端软件，将 主要的开发重点放到了嵌入式服务器端，从而简化系统的设计以及客户端的维护 工作。 在现有的一些嵌入式w e b 服务器中，g o a h e a dw e b s e r v e r 是一款源代码开 2 第一章绪论 放，功能强大，可以运行在多个平台的嵌入式w e b 服务器。任何人都可以在该 公司的网站上下载、评估并修改代码。该服务器有如下几种特性： 1 支持a s p 和嵌入式的j a v a s c r i p t 。 2 支持标准的c g i 执行，驻留在内存中的c g i 进程g o f r o m s 是对c g i 的一种改 进，其运行效率要比c g i 高。 3 扩展的a p i ，g o a h e a d w e b s e r v e r 提供了很多接口函数供用户使用。 4 快速响应，每秒可处理超过5 0 个请求。 5 完全和标准兼容，支持h t t p l 0 ，并支持h t t p l 1 的部分特性。 6 w e b 页面可以存在r o m 或文件系统中。 7 j 支持多种操作系统，包括v x w o r k s 、l 1 n u x 、p s o s 、w i n c e 等。 8 有用户管理功能。 本章已经在上一节大体介绍了本嵌入式w e b 服务器的运行环境网络传 输模块。根据g o a h e a dw e b s e r v e r 的以上特性，该模块的硬件和软件环境都完全 满足g o a h e a d 对运行环境的需求。从硬件环境上讲，该部分选用的核心处理器 a r m 7 处理器为三星公司生产的$ 3 c 4 5 1 0 b ，该处理器对网络功能支持很好；从 软件方面考虑，g o a h e a dw e b s e r v e r 要求其运行的软件环境支持t c p i p 栈和时 间定时器。而运行在$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器之上的v x w o r k s 操作系统是一款性能良 好的嵌入式实时操作系统，该操作系统支持t c p i p 协议和h t t p 协议，满足 g o a h e a dw e b s e r v e r 的需求，用户可以根据自己的需要对各模块功能进行裁减。 并且g o a h e a dw e b s e r v e r 支持该操作系统，可以将该嵌入式w e b 服务器移植到 v x w o r k s 中去，比自己编写设计嵌入式w e b 服务器要节省很多时间和资源。另 外，v x w o r k s 提供对t r u e f f s 文件系统的支持，本文在第四章就实现了在网络 传输模块的f l a s h 设备上建立t r u e f f s 文件系统。因为有了嵌入式文件系统 t r u e f f s ，可以很方便的用来存放网页和其他的数据资源。而且该嵌入式w e b 服 务器具有响应速度快，执行效率高，支持标准c g i 和具有用户管理功能等特性， 所以本文选择将g o a h e a dw e b s e r v e r 移植到v x w o r k s 操作系统之上，帮助实现 对“基于嵌入式实时系统的网络摄像机”的远程控制，其具体实现将在最后一章 介绍。 1 3 b r o w s e r s e r v e r 模式及其特点 随着i n t e r n e t 技术的不断发展，尤其是基于w e b 的信息发布和检索技术，导 致了整个应用系统的体系结构从c s 的主从结构向灵活的多级分布式结构演变， 这种新的多级分布式结构就是浏览器服务器系统( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 。 3 第一章绪论 b s 模式应用系统由浏览器和服务器组成，该模式奉行的是“瘦客户胖服务器 的概念，客户端是标准的浏览器( 如i n t e r n e te x p l o r e ，n e t s c a p en a v i g a t o r 等) ， 用户可以利用标准浏览器通过w e b 页向服务器发送命令；服务器端为标准的 w e b 服务器，主要的应用程序都安装在服务器上，数据存储和相应的处理都在 服务器上完成。每当有浏览器请求，服务器启动相应的进程响应请求并做相应处 理，处理后的数据经网络返回到w e b 页显示。客户端“瘦”到只有浏览器，极 大地减轻了客户端的负担和维护量。从根本上说，b s 模式将c s 模式从二级结 构升级为三级结构，使逻辑更为清晰合理。 b s 模式带来的优点是： 1 使用简单、易于维护。 2 保护企业投资：由于b s 模式采用标准的t c p i p 、h t t p 协议，它可以与企 业的现有网络很好地结合。 3 信息共享度高：h t m l 是数据格式的一个开放标准，同时采用m i m e ( m u l t i p u r p o s ei n t e m e tm a i le x t e n s i o np r o t o c 0 1 ) 技术，使b r o w s e r 可访问多 种格式文件。 4 扩展性好：t c p i p 协议和h t t p 协议的标准性使得b s 模式可直接连入 i n t e m e t ，具有良好的扩展性。 5 安全性好：防火墙技术将保护现代企业网络的安全性。 1 4 本远程实时控制系统的总体架构 基于以上背景和技术，本文提出了以下解决方案，并给出了系统结构图。 如图l - 2 所示，本系统在运行于$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器上的v x w o r k s 嵌入式实 时操作系统中架构了一个嵌入式w e b 服务器g o a h e a dw e b s e r v e r ，并采用新兴 的b s 模式的思想，将整个系统按b s 模式进行设计。在本文第五章，实现了将 嵌入式w e b 服务器g o a h e a dw e b s e r v e r 移植到v x w o r k s 中，在最后一章基于此 系统实现了对整个网络摄像机系统的远程实时控制。在本文设计的远程控制系统 中，用户在客户端只需要标准w e b 浏览器，通过访问存放在远程嵌入式w e b 服 务器端的嵌入式文件系统t r u e f f s 文件系统里的网页，就可以向远程控制端发送 控制命令和接受反馈信息。嵌入式w e b 服务器端的g o a h e a dw e h s e r v e r 在接收 到命令以后，通过启动g o f o r m s 或者c g i 进程，对请求进行处理。根据用户的 请求调用需要的系统应用程序，完成相应的控制功能，并且将完成的信息及时通 过g o a h e a dw e b s e r v e r 反馈给浏览器( 客户端) 。在该结构图中还可以看到，本 系统可以通过网页实现与d s p 图像采集端的数据通信。其过程是先由用户从网 4 第一章绪论 页发送控制信息，然后通过g o a h e a dw e b s e r v e r 调用v x w o r k s 中的负责h p i 通 信的系统应用程序实现。从图1 2 可以看出，本文所给出的系统结构是已经是一 个简单的b r o w e r s e r v e r 模式。 图1 2 系统架构 基于以上系统架构，本论文在接下来的章节中，将分别介绍本系统结构中的 各个环节，包括该系统的硬件平台、v x w o r k s 操作系统、v x w o r k s 操作系统移 植的实现、t r u e f f s 文件系统的建立和g o a h e mw e b s e r v e r 到v x w o r k s 移植的 实现，最后介绍基于v x w o r k s 和g o a h e a dw e b s e r v e r 的远程实时控制的实现以 及相关知识。 第二章网络传输模块的硬件环境 第二章网络传输模块的硬件环境 该网络传输模块的硬件环境是由a r m 7 微处理器及其外围设备构成的，该系 统是一种嵌入式网络设备。本章将首先介绍“基于嵌入式实时系统的网络摄像机” 的整体硬件结构，然后着重介绍网络传输模块的核心处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 以及该模 块的其他各部分。 2 1 网络摄像机的系统结构 r 一一一一一一一一 l l k 一 、广一 泌p 图2 1 系统框图 如图2 1 所示，框内部分为网络传输模块，前端d s p 和终端p c 部分不属于 网络传输模块，但是它们与网络传输模块一起实现了“基于嵌入式实时系统的网 络摄像机一功能。其中d s p 部分负责视频数据采集和j p e g 压缩，之后将压缩 数据通过f i f o 传输给网络传输模块。网络传输模块负责传送从d s p 模块采集的 数据并通过网络传输给远程p c 。同时，网络传输模块还负责实现对整个系统的 实时控制，其具体实现方法将在第六章详细讲述。p c 接收到远程传来的压缩数 据以后，需要进行j p e g 解压缩，并在p c 上显示。另外p c 端还负责通过w e b 浏览器向整个系统发送控制信息。这就是整个系统的构成及各大模块的功能。 2 2 网络传输模块的硬件环境介绍 6 第二章网络传输模块的硬件环境 网络传输模块总体上分为五大部分，其中核心是三星公司生产的a r m 7 处 理器一$ 3 c 4 5 1 0 b ，其他扩展部分包括与d s p 图像采集压缩模块的接口、与p c 机通信接口、网络接口以及存储器。 铆 2 2 1 $ 3 c 4 5 10 b 微处理器介绍 下面先介绍一下a r m 微处理器特点及其应用，然后详细介绍本模块的核心 处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 。 a r m 微处理器有多种系列，分为a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、 a r m i o e 系列、x s c a l e 和s t r o n g a r m 等。在本网络传输模块中，使用的是a r m 7 系列。a r m 7 系列有多种内核如a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 2 0 t 和 a r m 7 e j 。其中a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属 低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ；支 持片上d e b u g ；内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ；嵌入式i c e ，支持片上断点和调 试点。其中$ 3 c 4 5 1 0 b 就是一款以a r m 7 t d m i 为内核的专门面向网络应用的高 性能处理器。该处理器是一款不带m m u 功能的处理器。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能。 2 支持t h u m b ( 1 6 位) 删( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器 件。 3 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 4 寻址方式灵活简单，执行效率高。 5 指令长度固定。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：工业 控制领域、无线通信领域、网络应用、消费类电子产品和成像和安全产品，除此 以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多其他领域，并会在将来取得更加广泛 的应用。 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器是用在基于以太网系统的高性价比、高性能的1 6 3 2 位 r i s c 处理器。其主要特点如下： 1 提供系统所需要的可配置的8 k b 一体的c a c h e s r a m 和e t h e r n e t 控制器。 2 含有在本系统中所需要的一些外围功能模块，如2 个u a r t 通道、2 个g d m a 通道、2 个3 2 位定时器和1 8 个可编程i o 口。 3 片上逻辑包括中断控制器、d r a m s d r a m 控制器以及用于 r o m s r a m f l a s h 存储器的控制器。 4 系统管理部分还包括一个内部3 2 位系统总线仲裁器和一个外部存储器控制 第二章网络传输模块的硬件环境 器。 5 该处理器可以工作在1 0 m 和5 0 m 两种工作频率上。 2 2 2 其他各部分功能简介 与d s p 图像采集压缩模块的接口共有两个：f i f o 和h p i 。第一个接口负责 接收由d s p 采集压缩后的j p e g 图像数据。采用了f i f o 存储器作为缓冲区的方 式与d s p 模块进行数据通信。系统中的f i f o 芯片选用了i d t 公司的i d t 7 2 v 0 6 。 该芯片是一款双端口的f i f o 存储器，支持异步地同时进行读写访问，访问时间 为1 5 n s ，使用3 3 v 电源供电，存储容量为1 6 k * 9 b i t 。正常情况下，该f i f o 芯 片可以缓存4 帧图像，完全能够满足程序和系统实现的需求。另外一个接口是 d s p 主机接口，简称h p i 。a r m 处理器通过h p i 与d s p 进行通信。通过h p i ， a r m 处理器将d s p 的存储器看作是自身存储器的扩展，d s p 成为a r m 的外设。 在整个系统中，h p i 用来完成与a r m 与d s p 的双向通信，主要是完成控制信息 的传输和接收。 与p c 机的通信接口：主要有r s 2 3 2 ，e t h e m e t 和j t a g 三个。其中最主要 的是以太网接口( e t h e m e t ) ，该接口负责将压缩的图像数据通过以太网一帧一 帧的传输给远程p c ，其传输速率是1 0 0 m b p s 。同时，该接口还有其他的作用， 在系统调试阶段，通过以太网接口下载v x w o r k s 系统映像，并通过该接口与 t o r n a d o 集成交叉开发环境建立连接。r s 2 3 2 串口和j t a g 接口主要在系统调试 阶段使用。在移植v x w o r k s 嵌入式实时操作系统以及调试v x w o r k s 应用程序的 时候可以通过串口向超级终端打印调试信息，以帮助对程序进行调试。j t a g 接 口是一种硬件调试接口标准，通过该接口以及a r m u l a t o r 和a d s 等开发工具实 现对硬件开发板的调试以及系统移植过程中的辅助调试。同时，该接口还可以用 来将b o o t r o m 下载到f l a s h 中去。 存储器部分主要是s d 删和f l a s h 。这些都是根据系统的不同需求对a r m 内部存储器的扩展。其中s d 删主要是运行v x w o r k s 嵌入式操作系统、嵌入 式w e b 服务器和应用程序，需要对图像数据进行处理，该存储模块容量为1 6 m b 。 f l a s h 存储器具有掉电不丢失数据的特点，主要用它来存放需要长期存放的数据 文件等，比如b o o t r o m ，v x w o r k s 系统映像，系统控制所需的网页等文件。在没 有在f l a s h 上建立t m e f f s 文件系统的情况下，该芯片可以在3 3 v 电压下，通 过j t a g 接口和f l a s h p r o g r a m 烧写器对其进行数据烧写和擦除等。后来在该f l a s h 上建立了t r u e f f s 文件系统，并和b o o t r o m 共享一个f l a s h ，可以方便的在f l a s h 上读写文件。该存储器容量为2 m b ，基本满足需要。 以上是对整个开发板硬件环境的介绍，以下所有的工作包括v x w o r k s 操作 第二章 网络传输模块的硬件环境 系统移植和其他的软件开发工作都是在该硬件平台上实现的。 9 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 嵌入式实时操作系统是嵌入式操作系统的一种，它是指能对外部事件在限定 的时间内作出并完成响应的多任务操作系统，是嵌入式计算机中重要的系统资 源。与通用平台的操作系统不同，它往往嵌入到目标机硬件设备内部运行，一般 用户无法看到它的运行界面，因而又被称为嵌入式操作系统。在嵌入式微处理器 的应用开发中，嵌入式实时操作系统是核心软件。 嵌入式实时操作系统应用十分广泛，包括数据通信、信息家电、航空航天、 工业控制、电信设备、国防武器控制等领域，在嵌入式系统开发中使用嵌入式实 时操作系统已成为一种不可逆转的趋势。 这一章将主要介绍嵌入式实时操作系统v x w o r k s 5 5 及其两个模块y o 系统 和文件系统，并着重介绍t r u e f f s 文件系统。最后一节将简单介绍v x w o r k s 5 5 的集成开发环境t o r n a d 0 2 2 。 3 1 v x w o r k s 5 5 操作系统 v x w o r k s 是由美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司( 以下简称风河公司) 于1 9 8 3 年推出的一款嵌入式实时操作系统。自推出以来，已经成功应用在航空、航天、 医疗、通信等多个领域，现在已经成为事实的工业标准和军用标准。风河公司最 近又推出了v x w o r k s 6 2 及新的开发环境w o r k b e n c h 2 4 ，并且高版本的v x w o r k s 完全兼容低版本的v x w o r k s 。针对不同的微处理器，其开发环境也有不同的版 本，比如有t o r n a d of o ra r m ，t o r n a d of o rm i p s 等，用户可以根据自己的硬件 需要选择不同的开发版本。本文介绍课题中使用的v x w o r k s 5 5 及其开发环境 t o r n a d 0 2 2f o ra r m 版本。 3 1 1v x w o r k s 5 5 的特点 v x w o r k s 操作系统是现在所有独立于处理器的实时系统中最具特色的操作 系统之一。其微内核w i n d 是一个具有较高性能的、标准的嵌入式实时操作系统 内核。目前的v x w o r k s 5 5 操作系统具有如下一些主要的特点： 1 高可靠性。稳定、可靠一直是v x w o r k s 的一个突出优点。它已经成功的应用 在美国的“勇气”号火星车中。 l o 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 2 高性能的w i n d 微内核设计。该内核支持所有的实时功能：多任务、中断等， 这个内核最小可以被裁减到只有8 k b 左右。 3 可裁剪性。可根据具体应用定制系统，使系统对资源的需求最小，利用率最 高。v x w o r k s 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模 块组成。 4 实时性。实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事 件作出响应的能力。v x w o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小， 进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的 延迟很短。 5 支持应用程序的动态链接和动态下载，应用程序各模块可分别编译、下载、 动态链接，方便易用。 6 具有丰富的网络协议栈，特别适合于网络应用的相关场合。 7 绝大部分系统代码是用c 编写的，具有良好的移植性。 3 1 2v x w o r k s 的构成模块 图3 1v x w o r k s 基本模块 v x w o r k s 操作系统由4 0 0 多个相对独立的、短小精练的模块组成，用户可 以根据自己的需要来裁减和配置系统。其基本构成模块如图3 1 所示。 1 w i n d 内核：v x w o r k s 的实时内核w i n d 主要包括基于优先级的任务调度、 任务同步和通信、中断处理、定时器和内存管理。微内核设计减少了系统开 销，从而保证了对外部事件的快速、准确的反应。 2 i o 系统：v x w o r k s 提供快速灵活的与a n s i c 相兼容的i o 系统，包 括u n i x 标准的缓冲i o 和p o s i x 标准的异步i o 。 3 文件系统：v x w o r k s 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 支持使用块设备( 如磁盘) 的本地文件系统和s c s i 磁带设备的本地文件系 统。v x w o r k si o 体系结构甚至还支持在一个单独的v x w o r k s 系统上并存几 个不同的文件系统。 4 综合的网络工具：v x w o r k s 是第一个支持工业标准t c p i p 的实时操作系统。 创新的传统伴随着v x w o r k st c p i p 协议栈，它支持最新的b e r k e l e y 网络特 性。 5 虚拟内存( 即v x v m i 选项) 与共享内存( 即v x m p 选项) ：v x v m i 为带有 m m u 的目标机提供了虚拟内存机制。v x m p 提供了共享信号量、消息队列 和在不同处理器之间的共享内存区域。 6 目标机开发工具：在t o r n a d o 交叉开发环境中，开发工具是驻留在主机上的。 t o r n a d o 通过目标代理与目标机相连，目标代理遵循w b d ( w i n d d e b u g ) 协议。 下面将详细介绍i o 系统及本地文件系统，然后着重介绍v x w o r k s 为各种 f l a s h 存储器提供的块设备接口t m e f f s 文件系统。 3 1 3 v x w o r k s 的i 0 系统 图3 2 清晰的表明了v x w o r k s 的i o 系统的各个部分的关系。以左侧函数 调用为主线，用户应用程序的下层是基本i o 层。v x w o r k s 的基本i o 层为各种 设备提供了统一的、与设备无关的访问接口。同时，基于基本i o 层，v x w o r k s 还提供了带缓存的i o 接口和格式化的i o 接口，它们也都是通过基本i o 层对 下一层进行访问。在基本i o 层下面是驱动层，该层是与具体的硬件设备打交道 的。v x w o r k s 的设备分为：字符设备( 如串口，网络设备) 和块设备( 如存储 设备等) 。其中字符设备可以通过基本i o 层直接挂接到i o 系统中，但是块设 备需要通过文件系统挂接到i o 系统中。 v x w o r k s 共提供了7 个基本的i o 接口，应用程序通过这些标准接口调用相 应的驱动程序来访问硬件设备，如图3 3 所示。 v x w o r k s 下，所有的设备都被识别为文件，比如串口为“t y c o o ，网络 文件系统设备为“一，而“p i p e ”表示管道设备等等。文件通过文件描述符来 唯一的标识和被引用。文件描述符是一个通过调用o p e n ( ) 或e r e a t 0 函数返回的一 个整数。其他的基本i o 接口函数通过文件描述符来访问某个文件。 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 图3 2i o 系统结构 图3 - 3 基本i o 接口 v x w o r k s 除了提供基本的i o 操作以外，还提供了对设备的缓冲操作。对于 频繁的对设备的操作，如果不采用缓冲i o ，会花掉大量的系统开销。这是因为 大多数的驱动程序都会采用互斥或队列的机制来避免发生因同时调用一个驱动 程序而导致多个任务互相影响的情况，这就会使系统频繁的将任务在各种状态之 间的切换，从而消耗了系统资源。也就是说使用缓冲的操作会使得系统对底层驱 动程序的调用机会大大减少，只有在读缓冲区空或者写缓冲区满的情况下，系统 才会去访问底层的驱动，这样就减少了系统开销。 v x w o r k s 还提供了其他的一些格式化的i o 操作，比如p r i n t f 0 、p r i n t f 0 、 s c a n f f ) 、p r i n t e r r ( ) 、f d p r i m f 0 和l o g m s 9 0 等。这些函数都是常用的格式化i o 函 数，符合a n s i - c 标准。要使用这些函数，都必须包含库f i o l i b 。 3 1 4 本机文件系统 第三章嵌入式实时操作系统v x w o r k s 及其开发环境 如图3 2 ，在v x w o r k s 中，文件系统使用与设备驱动程序相同的标准i o 来 访问底层设备，但是同时它又是个独立的系统。这样，在一个v x w o r k s 系统中 可以有多个文件系统，并且互相之间不发生冲突。 v x w o r k s 下的文件系统主要有以下几种： 1 d o s f s 文件系统：适用于块存取设备( 磁盘) 的实时操作，与m s d o s 文件 系统兼容。 2 原始文件系统( r a w f s ) ：提供了一种简单的原始文件系统。该文件系统将整 个磁盘当作一个单独的大文件。 3 磁带文件系统( t a p e f s ) ：适用于不使用标准文件或目录结构的磁带设备。实 际上将磁带盘当作一个原始设备并将整个磁带盘当作一个大文件。 4 c d r o m 文件系统：允许应用程序从c d r o m 设备上读取数据，该c d r o m 设备是按照i s o9 6 6 0 标准文件系统格式化的。 5 目标服务器文件系统( t s f s ) ：通过使用t o m a d o 软件中的目标服务器，使 得目标机可以访问主机系统中的文件。 在后面建立t f f s 文件系统的时候用到了d o s f s 文件系统，所以在这里只介 绍d o s f s 文件系统。 d o s f s 文件系统是一个专门为实时使用块设备而设计的文件系统，并与 m s d o s 文件系统兼容。在后面建立的t r u e f f s 文件系统必须和d o s f s 文件系统 绑定才能像使用其他的文件系统一样供用户正常使用。 d o s f s 文件系统的主要特点有： 1 支持层次化的文件和目录结构，能够在磁盘中建立并管理一定数量的文件。 2 可以分别指定每一个文件为连续存储的或者是非连续存储的。 3 支持各种存储媒体( 软盘、硬盘等) 。 4 可以通过d o s f s 文件系统引导v x w o r k s 操作系统。 5 既支持8 3 格式的文件名也支持长文件名。 6 支持网络文件系统n f s 。 7 支持v f a t ( m i c r