（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式web+server的构建及应用研究.pdf

摘要 随着i n t e m e t 的发展和后p c 时代的来临，嵌入式系统成为当前i t 产业的焦 点之一，具有巨大的市场需求，同时嵌入式设备的i n t e m e t 网络化成为目i j 网络 发展的一个重要方向和必然结果。本设计的目的是实现银行支付系统数据的采 集及远程监控。嵌入式系统设计是一个软硬件相结合的设计过程，本设计结合 网络监控的发展过程，以a r m 9 处理器芯片a t 9 l r m 9 2 0 0 为平台，以嵌入式 l i n u x 操作系统为基础，结合相关嵌入式w e b 技术，对嵌入式w e b 服务器进行 研究。其主要内容有： 首先是分析了网络监控系统的发展历程和i i i 景，以嵌入式系统为研究背景， 结合i n t e m e t 网络传输理论，提出了一种基于a r m 平台的嵌入式w e b 服务器技 术。 然后结合实际选用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器，采用l i n u x 操作 系统，搭建了嵌入式系统的软硬件开发平台，此平台具备了开发嵌入式w e b 服 务器的功能。 开发了嵌入式w e b 服务器硬件电路系统，包括电源电路模块、时钟电路模 块、j t a g 电路模块、串口通信电路、存储模块及扩展电路等。 在设计中完成一个嵌入式系统最小系统运行需要的软件平台构建，包括内 核启动程序、内核、文件系统：并讨论如何将驱动程序如网络驱动程序加载到 内核映像文件中，编译生成u b o o t 、内核、文件系统等映像文件，通过j t a g 和 串口将它们下载到目标板上调试、运行。 深入研究了嵌入式w e b 原理，对a p p w e b 服务器的程序结构进行分析，分 析常见的t c p i p 和h t t p 协议，并成功的完成w e b 服务器在系统中的移植和基 本架构的建立。 本设计建立了通用的嵌入式l i n u x 平台，当需要丌发具体的应用系统时，实 现支持动态页面的嵌入式w e b 服务器，只需要增加业务相关的内容即可，实现 远程监控的效果。 关键词：嵌入式技术；l i n u x 操作系统：a r m 处理器；w e b 服务器；远程监控 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n dt h ec o m i n go ft h ep o s t p ce r a ，t h e e m b e d d e ds y s t e m si sb e c o m i n gt h ec e n t e ro fi n t e r e s ti nt h ec u r r e n ti ti n d u s t r ya n d e x h i b i t i n gb r o a dp o t e n t i a lm a r k e t i nt h em e a n t i m e ，t h ea c c e s so fe m b e d d e ds y s t e m s i n t ot h ei n t e r n e th a sb e c o m ea n i m p o r t a n td i r e c t i o n o ft h ep r e s e n ti n t e m e t d e v e l o p m e n t t h ep u r p o s eo ft h i sd e s i g ni st oa c h i e v et h eb a n kp a y m e n ts y s t e mo f d a t ac o l l e c t i o na n dr e m o t em o n i t o r i n g t h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi n c l u d e s d e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a f t e rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k m o n i t o rs y s t e m ，t h et h e s i sr e g a r d i n ga r m 9p r o c e s s o ro fa t 9 1r m 9 2 0 0a st h e p l a t f o r m ，b a s e do ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，c o m b i n i n g t h er e l e v a n t e m b e d d e dw e b t e c h n o l o g y , h a sc a r r i e do nr e s e a r c h0 ne m b e d d e dw e b s e r v e r , t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , u n d e n h eb a c k g r o u n do ft h es t u d yo ne m b e d d e ds y s t e m ，c o m b i n i n gw i t h t h et h e o r yo fi n e r n e t ，t h et h e s i sp r e s e n t sat e c h n o l o g yo fe m b e d d e dw e bb a s e do n a r mp l a t f o r ma f t e ra n a l y z i n gt h ep r o c e s sa n dp r o s p e c to fn e t w o r ks u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m w i t ht h ep r a c t i c eb a s e do na t 91r m 9 2 0 0m i c r o p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i o n s y s t e m ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e nb u i l tf o re m b e d d e dd e v e l o p e d s y s t e m ，w h i c hi su s e dt od e s i g ne m b e d d e dw e b s e r v e r t h et h e s i sd e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i to ft h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hi n c l u d e st h e m o d u l ec i r c u i to fp o w e r , t i m e j t a g , s e r i a l i n t e r f a c e ，a n dm e m o r i z e r , a n ds oo n i no r d e rt om a k ee m b e d d e ds y s t e mw o r ks m o o t h l y , i ta l s on e e d st od e s i g n s o f t w a r ep l a t f o r m ，s u c ha sb o o t l o a d e r , k e r n e la n df i l es y s t e m t h ep a p e rp l a c e s e m p h a s i so f ft h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e r e s p i c a l l yn e td r i v e r , a n dd i s c u s sh o w t oc o m p i l ei ti n t ot h el i n u xk e r n e l ，a n dt h e nt h ei m a g ef i l ei sd o w n l o a d e di n t ot h e t a r g e tm a c h i n ef r o mh o s tm a c h i n et h r o u g hj t a ga n ds e r i a li n t e r f a c e r , d e b u g g e da n d r u n n i n g f i n a l l y , w h i c hi ti sb a s i ct or e s e a r c ht h ee m b e d d e dw e b s e r v e rp r i n c i p l ea n dt o a n a l y z et h es t r u c t u r eo fa p p w e bs e r v e rp r o g r a m ，t h ec o m m o np r o t o c o l so ft c p i p a n dh t t pa r eb e e na n a l y z e d ，a n dc o m p l e t et h et r a n s p l a n ta n dt h eb a s i cs t r u c t u r ei n t h ee m b e d d e dw e bs e r v e r t h i ss y s t e mp r o v i d e sag e n e r a le m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m ，a l s or e a l i z e saw e b s e r v e rw i t ht h ea b i l i t yo fd y n a m i cp a g e i to n l yn e e da d d i n gs o m ef u n c t i o nw h e n d e v e l o p i n gn e wa p p l i e a t i o ns y s t e m ，a n dr e a l i z et h ep u r p o s et ol o n g - d i s t a n c em o n i t o r a n dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ；a r mp r o c e s s o r ； w e bs e r v e r ；r e m o t em o n i t o r & c o n t r o l i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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武汉理t 大学或其它教育机构的学位或证书而使j j 过 的材料。与我一同t 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 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理t 大学有关保留、使川学位论文的规定，即：学校有权保留并 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和电了版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理t 大学可以将木学位论义的全部内容编入有关数据库进行榆索，臼j 以采刚影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理下大学认日 f 的困家有关 机构或论义数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 。绷专翱( 巧融嗽 第1 章绪论 1 1 网络监控系统的发展 目前我们所使用的有线电话网络是公用交换电话网( p s t n ) ，已有1 0 0 多年 的历史，它基本上覆盖了有人居住的地方；近几年有线电视网、计算机通信网 络等发展很快，信息交换的途径同益增多，我国早期建设的数据网为x 2 5 和数 字数据网( d d n ) ，它们覆盖全国主要城市；近l o 年来，中国计算机互联网1 6 3 、 中国公众多媒体网1 6 9 、中国教育科研网c e r n e t 等网络规模也非常大，这几 个网共同形成通信网络的核心，成为现有各种业务和未来许多待丌发新业务综 合传输和应用平台i l 训。本课题是基于银行支付系统的数据的采集、存储和监控， 监控就是与网络连接起来，并且能够用网络来控制它们。 ( 1 ) 网络监控系统 近段时期，网络监控系统是在计算机监控系统与通信网络的基础上发展起 来的，其目的是： 1 ) 监控的地域从城市一处扩展到多处，从一个城市扩展到多个城市。 2 ) 专业人员能够监管更多的设备，从而提高了工作效率和经济效益。例如： 保安人员的监视的范围更宽、监视点更多，消防人员监控的楼宇、设备更多， 范围更宽。 3 ) 网络监控系统为动力设备，动力机房环境，大厦或者具有多设备的系统， 为更宽地域提供综合性的职能化管理。 4 ) 提高家庭生活质量。 监控系统的发展经历如下两个阶段【i9 l ： 1 ) 集散系统 最初诞生的传统监控系统是单片机、p c ( p e r s o nc o m p u t e r ) 、工控机为核心的 多个分散单元的集合体，形成早期集散控制系统的雏形。当总线出现以后，一 般借助s 1 0 0 或计算机总线形成控制系统。但是由于连线过长和过多，用这些总 线形成的测控系统的稳定性较差，抗干扰能力弱，难以实现大范围的有效测控。 随后出现的是集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处理机分散在现场的不同位置， 彼此之间以高速数据通信进行连接。这种集散系统把分散的、单回路的测控系 统采用计算机进行统一管理，用各种i o 模板代替控制室的仪表，利用计算机的 强大功能，对被从系统集中进行实时监测、控制、参数调节、告警显示及存储 历史数据等操作，极大地推动了工控技术的发展j 但是在通信方式上，处于现 场的控制级和监测级仍采用电流为4 - 2 0 m a 的模拟量通信。而现场采集设备所占 的比例最大，数据也最多，这就使得布线方式相当繁杂、安装费用增加、维护 量加大。 2 ) 现场总线的形成 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着网络与通信技术的发展，现场总线( f i e l db u s ) 技术逐步成熟和发展起来，它是现代计算机、通信和控制技术的集成，它是一 种工业总线，以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现场总线可 为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系 统通过公用传输介质交换信息。现场总线适应了工业控制系统应具有分散化、 网络化、智能化等要求，同时许多国际组织、例如国际电工委员会( i e c ) 、美国 仪表学会( i s a ) 、i s p 、i f c 、w o r l df i p 和f i n t ( f i e l db u si n t e r n a t i o n a l ) 等，多年来 为制定现场总线的标准作了大量的工作，结果出现了多种不同的现场总线标准， 例如i s p 、w o r l df i p 、h a r t 、l o nw o r k s 和i e c i s a 等，不可否认，现场总线 技术对测控领域的技术进步起到了巨大的推动作用，但也j 下是由于多种不同的 总线标准同时存在，给公司、企业基于不同现场总线形成的测控网络之间的互 联又设置了不少障碍。 ( 2 ) i n t e m e t 的发展 十几年前，计算机经历大规模和工作站，相应出现了早期的局域网城域网 ( l a n w a n ) 技术，即互联网革命的第一阶段。这阶段基本上是使用以太网、令 牌网和其它早期产品的硬件和软件进行驱动的阶段。 第二阶段，亦即i n t e r n e t 阶段，这一阶段最突出的特征就是电子邮件盛行和 浏览器的普及使用，大大拉近了人与人之白j 的距离。这个阶段基本上是软件驱 动，广泛地在操作系统中安装内部t c p i p 堆栈，使用超文本传送协议h t t p 等 进行数据传输。 第三阶段，就是现在所处的阶段，此时j 下把传统的信息孤岛综合成一个大 系统，这样网络为人们提供通用、无缝的联网结构，人与所需要的设备和各种 不同的信息类型频繁、友善地交互作用，使人更高效工作，更满足地生活。控 2 制网和互联网的无缝连接可以使人们通过现有的数据网存取、监控和控制多种 设备。 目前，在生活中，利用i n t e m e t 可以比从前更经济、更方便和更有效获得信 息并进行信息交换；在工作中，i n t e m e t 的应用主要还限于传递文字、图片和办 公信息。但人们一直在研究如何更充分应用i n t e m e t ，以实现“地球村 的梦想， 人们已经认识到，接入i n t e m e t 的不应局限于狭义的计算机，工业中的各种测量 控制装置、生活中的各种家用电器、社会不同领域和层面各种公众设备等，都 应该且必将成为i n t e m e t 的客户端。 随着w e b 技术的发展和应用，越来越多的网络通信设备甚至测试仪器都已 经实现内置的嵌入式w e b 服务器用户、操作人员可以直接使用w e b 浏览器通 过设备的以太网接口或者其他网络端口来远程访问内置w e b 服务器的专用网 页，从而实现对设备运行状态的观测和运行参数的配置等功能。嵌入式w e b s e r v e r 是嵌入式i n t e m e t 的重要组成部分，要实现嵌入式i n t e m e t ，嵌入式设备中 就必然要加入功能强大、性能稳定、体积合适的嵌入式w e bs e r v e r 憎j 。嵌入式 系统所需要的是一个在设计上尽量减小h t t p t c p i p 协议栈而不失一般标准性 的“瘦服务器”。 1 2 嵌入式系统 ( 1 ) 嵌入式系统现状 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场，目前在世界范围内嵌入式系统 带来的工业年产值已超过l 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示， 目前从事嵌入式开发的软件企业占到3 0 左右。计划从事丌发的企业占到1 4 。 尽管还没有从事该领域开发的公司占到大多数，但我国国内的嵌入式软件市场 已处于整体启动阶段，国内嵌入式软件市场未来的发展重点在于对应用范围的 拓展，而手持设备、信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点。 近年来微电子技术的迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统 领域发生了翻天覆地的变化，特别是网络的普及，嵌入式与互联网成为最热门 的技术。现在可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它与i n t e m e t 或企业内联网 连接起来，这种特性增强了嵌入式系统多方面的实用性。 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，嵌入式系统丌 3 发成为近年i t 行业的技术重点。嵌入式系统广泛应用于移动计算平台，信息家 电，无线通信设备，工业和商业控制，电子商务平台，甚至军事应用等诸多领 域。嵌入式系统本身的定义比较模糊，小到m p 3 、手机、p d a 、智能电子仪表 等微型数字化产品，大到数字家电、车载g p s 卫星定位器以及一些工业控制设 备等都可以称为嵌入式系统。 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。一般的 定义简单的表示是：“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪， 功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”硬件包括处理 器微处理器、存储器及外设器件和端口、图形控制器等。软件部分包括操作系 统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程i i i 。这种系统具有软件代码小， 高度智能化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌 入式的组成可以表示成如图1 1 所示。 心用挫序 十 ， 操作系统 ： 硬1 ；，l ：甲白 c p u 内饮 外 髑玻! 中i ： 图1 1 嵌入式系统组成 ( 2 ) 嵌入式系统特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点1 2 l ： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络 的耦合也越来越紧密。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业 的具体应用相结合的产物。故它必然是个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。因而嵌入式系统的开发和应用不容易在市场上形成 4 垄断。 3 ) 嵌入式系统的软硬件必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在处理器的具体应用中更具有竞争 力。 4 ) 嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的重要环节，它们通常要求固 件化，多被固化在只读存储器中：它们必须高质量高可靠性；有时还要求具有 实时处理能力。 5 ) 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行的，因此嵌入式产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 6 ) 嵌入式系统本身不具备自开发能力，设计完成以后用户通常不能对其中 的程序功能进行修改，必须有相应的开发工具和环境爿能进行丌发。 综上所述，嵌入式系统通常与其他设备相结合用于实时控制、监视、管理 或辅助系统中。它具有低成本、低功耗、有限资源等特点，同时它要能保证所 控制设备的实时请求。因此在嵌入式系统中进行软件丌发也必须考虑到这些因 素，对一些通用环境下的现有软件不能简单地移植到嵌入式系统中去。由于嵌 入式系统资源相差很大，有的可以把现有软件的某个模块进行精简移植，而有 的则需要在了解原理的前提下进行较大的改进甚至完全重新设计。 ( 3 ) 嵌入式系统发展趋势 就嵌入式系统发展而言，表现在如下方面1 5 i ： 1 ) 嵌入式系统网络化。网络化表现在两个方面，一个是嵌入式处理器集成 了网络接口，另一个是嵌入式设备应用于网络环境中。 现在许多嵌入式处理器集成了基本的网络功能，如串行接口必备，还有以 太网接口、c a n 总线接口等。基于这些趋势，用户开发新嵌入式系统时一般不 需要外接网络芯片，而选择具有符合功能要求的嵌入式处理器即可，所需安装 的只是物理层的收发器。 随着网络技术特别是i n t e m e t 技术的发展，未来的嵌入式系统很多要求具有 网络功能，成为网络式计算的一个节点，具有网络功能的嵌入式系统设备成为 市场的一个卖点，如支持t c p i p 协议、i e e e1 3 9 4 协议、u s b 接口、无线接口( 蓝 牙、红外线等) ，以及支持嵌入式w e b 服务器和嵌入式浏览器。通过网络技术的 集成，嵌入式设备可以随时随地与网络进行连接，实现资源共享。 2 ) 丌发平台完备化。嵌入式系统的发展是一项系统工程，设计软件、硬件、 5 系统集成等诸多方面，有的嵌入式系统部件厂商不仅提供嵌入式处理器，还提 供软硬件开发工具。此外，目前还有许多第三方丌发工具提供商致力于开发工 具的研发，如开发仿真器、软件开发工具( 编译器、连接定位器、集成开发环境) 。 一些处理器制造商也提供硬件的参考设计、板级支持包软件等。通过这些完备 的丌发工具，嵌入式系统的丌发者只需把精力放在解决实际问题上，而不是考 虑一些丌发平台方面的问题。 3 ) 系统的集成度和性能指标提高。为了提高系统的可靠性、降低系统功耗 和成本，需要设计者尽量精简系统的内核( 软件内核和硬件内核) 。除了芯片提供 商外，要求软件开发者在使用操作系统方面对操作系统进行裁减，开发应用软 件方面使用高效算法。 4 ) 友好的人机界面。提供友好的人机界面是嵌入式系统的基本要求，大多 数嵌入式系统都与人进行交互。目i j 提供图形化的人机界面是基本配置要求， 大多数图形界面采用与w i n d o w s 类似的界面，以方便用户的使用。随着嵌入式 技术的发展，新的人机界面不断被开发出来，如手写输入技术、语音输入输出 技术、图像输出技术等。 ( 4 ) 嵌入式w e b 服务器 嵌入式w e b 服务器是嵌入式技术和网络技术结合的产物，是嵌入式技术网 络化的一项重要应用。嵌入式w e b 服务器主要应用在远程监测和控制方面，将 w e b 服务器移植到接入网络的嵌入式设备后，客户端借助浏览器对远端的嵌入 式设备进行监测和控制。基于t c p i p 标准协议的w e b 服务器实现，基于h t t p 协议的b s 通信模式，基于h t m l 标准的用户控制界面，这些都为嵌入式w e b 服务器的实现提供了便利。 i n t e m e tw e b 技术应用于嵌入式系统领域将导致该领域传统运行维护模式的 一场变革：将w e b 服务器植入嵌入式系统后接入i n t e r n e t ，在世界上任何一个地 方即可通过网络浏览器从i n t e m e t 获取该w e b 服务器发布的系统实时信息，进而 实现远程实时控制、调节与维护；并且，这种基于h t m l 标准化的w e b 用户界 面降低了为不同操作平台而定制人机界面的开发费用、通信费用、人员培训费 用和系统升级维护费用。显然，嵌入式系统这种基于w e b 的远程监控维护方式 将克服传统的本地监控维护方式存在的低效率、高成本的缺陷i 引。 但是，传统的w e b 技术方案不能直接用于构造嵌入式系统中的w e b 服务器。 传统w e b 服务器以具有高运算处理能力和海量存储容量的工作站或p c 机为硬 6 件工作平台，以非实时操作系统为软件工作平台，其上运行的是大型复杂的服 务器程序，典型的如基于w i n d o w sn t 的i l s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) 、基于 u n i x 的a p a c h ew e bs e r v e r 等，服务器的这种高档配置方案对于大量使用8 位、 1 6 位或3 2 位单片机的嵌入式系统而言是不现实的要求。 基于嵌入式技术的嵌入式w e b 服务器的出现为解决以上问题开辟了一条崭 新途径。嵌入式w e b 服务器以8 位、1 6 位或3 2 位单片机为硬件工作平台，或 有嵌入式实时多任务操作系统( r t o s ) 支持，其上运行小型精简的服务器程序。 嵌入式w e b 服务器的成功开发案例体现于通信领域中的路由器、交换机、网络 视频监控等产品。近年来如何使用w e b 浏览器对嵌入式设备进行监控己越来越 引起人们的注意1 9 j 。w e b 浏览器是用户界面的合理选择，从技术上讲，浏览器就 是w e b 客户端，则嵌入式系统必须是w e b 服务器。由于t c p 成了一个传输网页 的工具，而目l j i 用来生成动态网页的软件都是为大型多用户操作系统设计，则 让嵌入式系统能生成动态实时数据的网页问题是亟待解决的另一问题i 。 目前许多嵌入式系统的管理主要是通过类似于d o s 界面的控制台程序和 t e l n e t 来管理，但这两种方法各有缺陷。使用控制台程序的方法不能实现远程管 理嵌入式系统，而t e l n e t 方法虽然可以远程管理嵌入式系统，但t e l n e t 的命令行 界面使用户管理极不方便，要求用户具备较高的计算机操作基础。嵌入式w e b 服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现远程管理、监控嵌 入式系统的功能，并且可以在服务器端结合嵌入式w e b 服务器提供的接口进行 进一步丌发，不需要额外的客户端软件采用的都是公丌的标准的协议。而且 控制信息可以直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图像、 表格或语音，实时数据可以自动更新，而且客户能上网就能够操作。 1 3 本文的研究内容及论文结构 在工业应用、家庭网络中，一般的系统大多是控制在现场解决，而将少量 的一些现场参数通过网络传送远方用于监控，远方发出的控制通常也不多。如 果为每台设备都嵌入一个w e b 服务器，从成本和可行性上考虑都是不很理想， 通过分析比较了国内外嵌入式系统接入i n t e m e t 的几种实现方法，并阅读了大量 国内外文献，本文提出一种基于a r m 9 + l i n u x 实现嵌入式w e b 服务器的方案， 该系统实现直接在设备中嵌入嵌入式w e b 服务器，其它低档处理器设备通过1 2 c 7 总线与本系统进行通信，即它同时具有一定的网关的功能【l5 1 。 除了用户界面，大部分嵌入式系统还有一个用来进行状态监控和系统诊断 的外部界面。传统上这是串口终端的形式实现的，但在工业中逐渐发现了远程 诊断的好处，因为w e b 浏览器广泛使用，所以它是用户界面的合理选择。 目i i 存在许多传统的、e b 服务器，传统w 曲服务器主要用于处理较大的客 户量同时并发访问。在硬件方面有强大的处理器和内存支持，在软件方面有商 业数据库支持。而嵌入式设备处理器能力，存储容量有限，这样的服务器并不 能用来在嵌入式设备上面运行，并且要对其进行裁减来适应嵌入式环境也有难 度。本课题的基本任务就是建立一个嵌入式软硬件开发平台，包括c p u 的选型、 嵌入式操作系统的裁剪移植、各种驱动程序的添加和w e b 服务器。 本文的内容结构如下： 第l 章：分析了网络监控系统的发展历程和前景，以嵌入式系统为研究背景， 结合i n t e m e t 网络传输理论，提出了一种基于a r m 平台的嵌入式w e b 服务器技 术。 第2 章：首先提出系统的需求：在从嵌入式硬件平台构建，包括芯片的选型 的原则确定主芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，在根据嵌入式系统需求确定外围的模块：从 嵌入式软件平台构建，选择操作系统，以及操作系统编译环境的搭建。 第3 章：丌发了嵌入式w e b 服务器硬件电路系统，包括电源电路模块、复位 电路模块、串口通信电路、存储模块及扩展电路等，完成了总体硬件电路原理 图的设计。 第4 章：嵌入式操作系统，特别是对l i n u x 操作系统进行详细的介绍，重点 在系统的引导程序b o o t l o a d e r 裁剪移植，系统l i n u x 内核程序的裁剪移植，驱动 程序的编译移植加载和文件系统的研究。 第5 章：首先是对h t t p 协议和t c p i p 相关协议的分析，其中重点讲解了 t c p 协议中三次握手的建立以及整个通信过程的状念转换；介绍s o c k e t 编程系 统函数以及s o c k e t 通信过程流程。通过阅读源代码，综合考虑硬件资源限制， 安全，后期w e b 开发，w e bs e r v e r 的管理等因素，最后推荐选用a p p w e b 作为该 系统的w e bs e r v e r 。详细介绍a p p w e b 的特点及移植过程，以及a p p w e b 的配置文 件，后期采用e s p 来调用c 函数来实现服务器的数据的传递，实现w e b 服务器 的远程监控，甚至于系统的升级。 8 第2 章嵌入式系统总体平台构建 嵌入式系统总体设计的主要工作是首先找出目标系统的实现方案，然后从 方案中选择最合理的方案。本章首先从系统需求出发，分析了实现网络w e b s e r v e r 功能的嵌入式系统开发方案的要求，并对系统的硬件和软件设计平台构建 进行了详细的说明。 2 1 嵌入式系统需求 系统的设计目的是为支持嵌入式w e bs e r v e r 应用的丌发提供一个稳定的软 硬件平台然后在此基础上开发具备各种专门用途的应用系统，必然有大量的 网络处理运算和工业控制等特定业务的处理功能，因此在性能上比一般的嵌入 式系统有着更高的要求。功能上的要求主要包括以下几个方面： ( 1 ) 处理器有较高的处理能力： ( 2 ) 存储器有较高的数据存储能力； ( 3 ) 带有两个或两个以上的网络接口： ( 4 ) 系统的可靠性、稳定性； ( 5 ) 支持多种设备接口： ( 6 ) 可扩展的硬件接口； ( 7 ) 软件有友好的交互接口： 2 2 嵌入式硬件选型 嵌入式系统在硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、i 0 设备、 通信模块等必要的外设，其中处理器的选型是最重要的。 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有1 2 j ： ( 1 ) 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等所有的寄存器等。对于许多需要使用处理器的 嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能 9 够完成功能的处理器和v o 子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考 虑某些新的处理器，其价格相对低廉，如a t m e l 和t i 。 ( 2 ) 技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要 求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其 次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器， 串行设备、时钟等的配套。 ( 3 ) 功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是各种消费类电子产品 和有特定用途的工业场合。这些产品中选购的微处理器，典型的特点是要求高 性能、低功耗。 ( 4 ) 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件丌发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 ( 5 ) 调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期，降低调试 的难度。 在这个过程中，主要从处理器性能、软件的支持程度、成本、功耗、稳定 性这几个方面进行分析，选择a t m e l 公司推出的a r m 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作 为核心器件。a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线，提供高 性能和低功耗的宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的m m u 指令和数据c a c h e 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使整个系 统消耗降到最低。j 下是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配 置附加设备的麻烦。片上集成的功能主要包括以下几个方面1 1 6 j ： ( 1 ) 基于a r m 9 2 0 t 的内核支持a r m 和t h u m b 指令集的处理器： 1 ) 1 8 0m h z 时每秒可执行两百力条指令，内嵌m m u ( 内存管理单元) 2 ) 1 6 k b y t e 数据c a c h e ，1 6 k b y t e 指令c a c h e ，写缓冲 3 ) i n c i r c u i te m u l a t o ri n c l u d i n gd e b u gc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l 4 ) m i d l e v e li m p l e m e n t a t i o ne m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ( 2 5 6 - b a l lb g a p a c k a g eo n l y ) ( 2 ) 低能耗：v d d c o r e 输入电流为3 0 4m a ，待机模式下为3 1m a ( 3 ) 附加内存：1 6 kb y t e s 的s r a m 以及1 2 8 kb y t e s 的r o m ( 4 ) 扩展总线接u i ( e b i ) ：支持s d r a m ，s t a t i cm e m o r y ，b u r s tf l a s h ，无缝 连接到c o m p a c t f l a s ha n dn a n df l a s h s m a r t m e d i a 1 0 ( 5 ) 增强性能的系统外设： 1 ) 增强的时钟发生器以及电源管理控制器 2 ) 两个片上p l l 振荡器 3 ) 超低时钟操作模式以及软件可控的电源优化能力 4 ) 4 个可编程扩展时钟信号 5 ) 包含可周期中断的系统时钟，看门狗和秒钟计数器 6 ) 带中断的实时时钟 7 ) d e b u gu n i t ，t w o w i r eu a r t a n ds u p p o r tf o rd e b u gc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l 8 ) 有8 个优先级的高级中断控制器，独立可屏蔽中断向量，受保护的伪中 断 9 ) s e v e ne x t e r n a li n t e r r u p ts o u r c e sa n do n ef a s ti n t e r r u p ts o u r c e 1 0 ) f o u r3 2 b i tp i oc o n t r o l l e r sw i t hu pt o1 2 2p r o g r a m m a b l ei ol i n e s ，i n p u t c h a n g ei n t e r r u p ta n do p e n d r a i nc a p a b i l i t yo ne a c hl i n e l1 ) 2 0 路外设d m a 控制器( p d c ) ( 6 ) 以太网m a c1 0 1 0 0b a s e t ： i ) m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( m i i ) o rr e d u c e dm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( r m i i ) 2 ) i n t e g r a t e d2 8 - b y t ef i f o sa n dd e d i c a t e dd m a c h a n n e l sf o rr e c e i v ea n d t r a n s m i t ( 7 ) u s b2 0 全速( 每秒1 2 兆位) 双主机接口： 1 ) d u a lo n c h i pt r a n s c e i v e r s ( s i n g l ep o r to n l yo n2 0 8 - l e a dp q f pp a c k a g e ) 2 ) i n t e g r a t e df i f o sa n dd e d i c a t e dd m a c h a n n e l s ( 8 ) u s b2 0 全速每秒1 2 兆位) 设备接1 2 1 ：o n - c h i pt r a n s c e i v e r ，2 - k b y t e c o n f i g u r a b l ei n t e g r a t e df i f o s ( 9 ) 多媒体卡接c i ( m c i ) ： 1 ) a u t o m a t i cp r o t o c o lc o n t r o la n df a s ta u t o m a t i cd a t at r a n s f e r s 2 ) m m ca n ds dm e m o r yc a r d c o m p l i a n t ，s u p p o r t su p t ot w os dm e m o r y c a r d s ( 1 0 ) 3 个同步串行控制器( s s c ) ： 1 ) i n d e p e n d e n tc l o c ka n df r a m es y n cs i g n a l sf o re a c hr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r 2 ) 1 2 sa n a l o gi n t e r f a c es u p p o r t ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xs u p p o r t 3 ) h i g h s p e e dc o n t i n u o u sd a t as t r e a mc a p a b i l i t i e sw i t h3 2 - b i td a t at r a n s f e r ( 1 1 ) 4 个通用同步异步串口收发器( u s a r t ) 1 ) s u p p o r tf o ri s 0 7 8 16t 0 厂r ls m a r tc a r d 2 ) h a r d w a r eh a n d s h a k i n g 3 ) r s 4 8 5s u p p o r t ，i r d au p t ol1 5k b p s 4 ) f u l lm o d e mc o n t r o ll i n e so nu s a r t 1 ( 1 2 ) 主从串行设备接e i ( s p i ) ：8t 0 1 6 - b i tp r o g r a m m a b l ed a t al e n g t h ，4 e x t e m a lp e r i p h e r a lc h i ps e l e c t s ( 1 3 ) 2 个3 通道，1 6 位定时计数器( t c ) ： 1 ) t h r e ee x t e r n a lc l o c ki n p u t s ，t w om u l t i p u r p o s ei 0p i n sp e rc h a n n e l 2