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嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用 摘要 随着计算机技术和信息网络技术的飞速发展，嵌入式系统的应用越 来越广泛，而嵌入式产品以其小巧、使用方便、实用等特点越来越受到 人们的青睐。近几年来，嵌入式产品越来越多的被应用于信息家电领域。 因此设计出以嵌入式系统开发平台为基础，带有人机交互界面和远端网 络控制的终端，用于家庭网络中，更方便的实现对模拟家庭设备等被控 单元的控制，具有很高的实用价值和研究价值。本文讨论的就是如何搭 建这样一个嵌入式w e b 服务器系统的问题。 论文首先简要介绍了一些关于嵌入式系统的基本概念和嵌入式系统 的发展现状；然后介绍了基于l i n u x 系统和$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器的嵌入式系 统开发平台的基本架构及各个组成部分的开发流程。系统设计主要包含 嵌入式w r e b 服务器的设计，嵌入式数据库的设计和基于q t e 的触摸屏 图形用户界面设计的三个部分。在此基础上还介绍了基于l i n u x 与 s 3 c 2 4 l o x 的交叉编译环境的建立，嵌入式系统开发中广泛使用的n f s 服务器的建立等，对整个内容整体性进行了补充。 关键词：嵌入式系统、l i n u x 、w e b 服务器、b o a 、q t e 、s q l i t e t h er e s e a r cha n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e dw e bs e r v e r i nh o u s en e t w o r k i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nc o m m o n l yu s e d m o r ea n dm o r e p e o p l ec h o o s et h ee m b e d d e dp r o d u c t sb e c a u s eo ft h e i rc a b i n e t ，c o n v e n i e n t a n du t i l i t y e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，t h ee m b e d d e dp r o d u c t sh a v eb e e n c o m m o n l yu s e di nt h ei n f o r m a t i o nh o u s e h o l da p p l i a n c ea r e a a sar e s u l t ，i n t e l l i g e n te m b e d d e dt e r m i n a l sw i t hg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e a n dr e m o t en e t w o r kc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt ou s ei nh o u s en e t w o r k i n g t h i s e m b e d d e ds y s t e mi se a s i l yu s e df o rt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ei n f o r m a t i o n h o u s e h o l da p p l i a n c e sw i t hh i g ha p p l i e da b i l i t ya n dw o r t ht or e s e a r c h t h i s p a p e ri sm a i n l ya b o u th o w t od e s i g na ne m b e d d e ds y s t e ml i k et h i s ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eb a s i cc o n c e p t sa b o u te m b e d d e d s y s t e m a tt h e b e g i n n i n g ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o n e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hi sb a s e do n $ 3 c 2 410 x t h es y s t e mi n c l u d e s t w op a r t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d e sb o o tl o a d e r , o p e r a t i n gs y s t e m ，f i l es y s t e ma n da p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s t h es o f t w a r e p a n s ，t h er e s e a r c ho ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e rb o a ，t h e e m b e d d e dd a t a b a s es q l i t ea n dt h ea p p li c a t i o no ft h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e b a s e do nt h eq t e o nt h eb a s eo ft h ea b o v e ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h e s e t t i n go ft h ee n v i r o n m e n to fc r o s sc o m p i l i n g ，t h ew i d e l yu s e dn f ss e r v e ri n t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，s oa st oa d das u p p l e m e n to ft h e c o n t e n to ft h ew h o l ep a p e r k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，w e bs e r v e r , b o a ，q t e ，s q l i t e 独创性( 或创新性) 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工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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：骂产k 本人承担一切相关责任。 日期： 担& 垒：l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保窀范围，适用本授权书。 本人签名：么窆壑!日期：兰塑：生： 导师签名： 签抖日期：c 勘! 丝：z 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应， j北京邮电人学硕十论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，网络技术的飞速发展引发了各个行业领域的深刻技术变革。在信 息家居领域，人们对其自动化和信息化程度要求越来越高，将网络和智能家电结 合起来组成信息家电网络，从而实现对家电的远程控制、信息共享和集中管理。 在这个信息家电网络中，家庭网关是实现各种家电设备与网络互联、信息交换和 信息管理的平台。本文主要研究的是嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的设计与 应用。 1 2 课题研究的背景及意义 随着网络的普及，信息家电将是信息时代的必然趋势。信息家电，是融合i t 技术的新型家用电器，也是围绕传统家电基础产生的性能更为强大的新一代电 器。可以满足家庭生活四大需求：信息获取、娱乐休闲、通信沟通和家庭自动化： 人们可以在办公室用电脑查询家中冰箱内还有什么食物方便下班购买；回家途中 可以上网开启家里的空调并调节到适宜的温度；生产厂商对用户家中有故障的家 用电器进行远程诊断与维护；家中出现火灾、盗匪时能自动报警等等。 这就需要一个设备将这些众多的家用电器设备联系起来，组成一个家庭网 络，这个设备就是家庭网关。家庭网关代表一个集中式的智能接口，可以将家庭 内部网络和外部的互联网或者小区的局域网连接起来。正是由于家庭网关使两个 不同网络的连接成为现实，w e b 服务器功能便成为家庭网关中不可缺少的重要部 分。在国外，许多新型的瘦服务器网关可以用来能源管理、家庭安防、家庭自动 化以及共享互联网接入。 1 3 课题来源及出发点 本课题来源于北京邮电大学校办企业“北京布末得通信技术开发公司”的一 个科研项目。 本课题的工作重点是以嵌入式系统开发平台为基础，设计出带有人机交互界 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与廊用北京邮电人学硕十论文 面和远端网络控制的终端，用于家庭网络中，以更方便的实现对模拟家庭设备等 被控单元的控制。本课题侧重于嵌入式w e b 服务器的开发研究、嵌入式图形用 户界面g u i 的开发和嵌入式数据库管理系统s q l i t e 的结合，实现家庭网关的 w e b 服务和数据库服务功能，并且加入c g i ( 通用网关接口) 使得远端用户通过 网页形式改变和控制模拟家庭设备的参数和状态。将带有触摸屏及基于q t e 开 发的用户接入界面的嵌入式l i n u x 系统及嵌入式w e b 服务器远端网络通信用于 模拟的家庭设备是本课题的特色。 1 4 研究任务及主要工作 与课题内容相关的软件和硬件资料的收集与整理 嵌入式w e b 服务器的系统架构设计及选择 开发平台及开发环境的建立 嵌入式w 曲服务器的软件实现与移植 基于q t e 的图形用户界面的开发与移植 嵌入式数据库s q l i t e 的移植与应用 1 5 本论文的章节安排及主要内容 本课题是基于嵌入式l i n u x 与$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器的嵌入式系统开发平台在模 拟家庭网关控制系统中的应用，本人所做的主要工作是嵌入式w e b 服务器的软 件实现与移植、基于q t e 的图形用户界面的开发与移植、b o o tl o a d e r 的分析、 内核的配置与编译系统的研究等。还有一些就是交叉编译环境的建立、嵌入式系 统开发中广泛使用的n f s 服务器的建立等。本论文共分为七章： 第一章介绍了课题提出的来源背景和课题研究的主要任务和工作。 第二章详细介绍了嵌入式系统定义、组成、特点、应用现状及嵌入式w e b 服务器在家庭网关中的发展前景。 第三章介绍了本嵌入式系统开发平台的软件和硬件结构及选型依据，同时说 明了该开发环境的建立过程。 第四章进行了嵌入式w e b 服务器所需的相关协议的分析和服务器软件的具 体实现。 第五章介绍了嵌入式数据库s q l i t e 的移植和实现。 第六章介绍了基于q t e 的图形用户界面的丌发与移植。 第七章为对本课题的总结。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与廊j j北京邮电人学硕+ 论文 第二章嵌入式系统及嵌入式w e b 服务器的概述 2 1 嵌入式系统的定义 i e e e 对于嵌入式系统的定义是：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”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合应用系 统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统。 2 2 嵌入式系统的组成 一般来说，嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分主要由嵌入式 处理器和外围硬件设备组成，而软件部分则主要包括嵌入式操作系统和用户应用 程序。其中硬件部分是嵌入式系统软件环境运行的基础，为嵌入式系统软件运行 提供物理平台和通信接口。软件部分的操作系统通过提供应用程序编程接口 ( a p i ) 来为应用程序提供必要的底层支持，而应用软件则控制着嵌入式系统的 运作和行为，用于实现对设备的控制、监视或管理等功能。 2 2 1 嵌入式处理器 在嵌入式系统的硬件中，嵌入式处理器是核心，是控制、辅助系统运行的硬 件单元，它的功能和性能影响着整个系统的功能、性能和设计。嵌入式处理器的 选择也制约着其配套的外围器件及操作系统的选择。 嵌入式处理器的种类繁多、数量庞大。目前世界上嵌入式处理器的种类数量 已超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有3 0 多个系列。嵌入式微处理器具有体积小、 重量轻、成本低、可靠性高等优点，因此得到了广泛应用。目前这样的嵌入式处 理器类型有a r m 、m i p s 、m c 6 8 0 0 、3 8 6 e x 、p o w c r p c 等系列。其中以a r m 的 应用最为广泛。 嵌入式处理器可以分为四类，即： 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) ， 类似于通用计算机的c p u ，一块芯片安装于母板上，其余外设都在芯片之外， 芯片内保留处理器内核和存储区，! z l ：i x 8 6 、a r m 。 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t m c u ) 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕十论文 又叫做单片机，是将必要的功能模块和外设集成与单片芯片中。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 2 2 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件( m c u ， d s p ，e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的 其他部件。根据外围设备的功能可分为以下三类，即： 存储器类：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、 非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h 因为可 以擦写多次，存储速度快，容量大，价格便宜在嵌入式领域应用广泛。 接口类：目前存在的所有接口在嵌入式领域都应有广泛，如r s 2 3 2 ( 串 口) 、i r d a ( 红外线接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、 u s b ( 通用串行接口) 、e t h e m e t ( 以太接口) 和并口。 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围设备。 2 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统可以说是整个嵌入式软件的核心，提供了嵌入式应用软件的 运行基础和开发平台。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系 统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。它的集成度和 可用性直接关系到嵌入式系统的效率，是设计和开发的重点。目前，嵌入式操作 系统的类型很多，如v x w o r k s 、w i n c e 、u c o s 1 i 和嵌入式l i n u x 操作系统等。 它们都有一个共同的特点：强调处理事件的实时性和应用的专用性。嵌入式操作 系统可分为：引导加载程序，操作系统内核和文件系统三个层次。 2 2 4 用户应用程序 嵌入式系统往往是针对具体的应用而设计的，各种应用对输入设备的要求也 各不相同。由于用户任务可能有时间或精度的要求，有时可能只需要一个传感器， 有时需要一个小键盘，有时需要一个开关，因此开发者需要根据具体的情况进行 设计其用户应用程序。又因为嵌入式用户应用程序和普通软件相比，不仅准确性、 安全性和稳定性等方面的需要，并且应要尽可能地进行优化，减少对系统有限资 源的消耗，降低硬件成本。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用 北京邮电人学硕+ 论文 2 3 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的应用与发展 2 3 1 信息家庭网关的现状介绍 家庭网络化是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电器设备和电气子 系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外能通过网关与外 部网络互连进行信息交换，并通过外部网络对其进行控制。智能家庭网络需要多 元的信息处理，包括各类信息的采集、加工、管理、存储、交互等。因此必须建 立一个功能强大的信息处理平台。在智能家庭网络中，家庭网关担当了这个信息 处理平台的角色。它一方面完成家庭网络内部中不同通信协议之间的转换和信息 共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，另一方面负责对家庭中各个信 息家电的管理和控制。各个信息家电也可以通过家庭网关于外部网络相连，从而 实现信息的共享和交换。正是由于家庭网关在家庭网络的中心地位，使得对家庭 网关的研究变得十分有意义。 家庭网关的设计以a r m 微处理器为中心建立硬件平台，对外通过以太网或 公共电话网接入公共网络，对内将家用电器及其他联网设施通过家庭内部网络连 接成一体，实现信息家电与安全防范的集中管理。用户通过远程p c 机或者电话 就可以对家电进行状态查询和控制，在本地可以利用家庭网关的控制功能进行信 息家电的控制和管理。 家庭网关在信息家电网络中的结构图如下： 谚 图2 - 1 家庭网关在信息家电网络中的结构图 固p d a 安防装置 家电l 家电2 卤 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕+ 论文 家庭网关是家电网络的核心，是处于广域网和家电网络中间的一个重要节 点，即家电网络的入口节点。作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能，一 方面，家庭网关要支持t c p i p 协议并能够提供w e b 服务，从而允许远端的客户 p c 访问，此时，它的作用就是一个i n t e m e t 上的服务器；另一方面，家庭网关实 现广域网与家电网络之间的协议转换、地址转换和路由等功能，这就相当于一个 网关。 2 3 2 嵌入式w e b 服务器的特点 w e b 服务器通常是运行在工作站或个人计算机上，w e b 服务器的主要功能 是对来自浏览器( 客户程序) 的请求做出回应，获取特定文件，比如一个c g i 脚本，然后返回这个文件或脚本执行结果，w e b 浏览器和w e b 服务器通过超文 本传输协议h 1 v r p 进行通信。 嵌入式w e b 服务器，顾名思义，即运行在嵌入式系统中，对来自浏览器请 求做出回应，通过超文本传输协议进行通信的服务器。既然是运行在嵌入式系统 中，有特定的功能需求，所以嵌入式w e b 服务器和通用w e b 服务器比起来在代 码规模、应用领域都有很大差别。 一般网站都采用大型的通用w e b 服务器，但对于一般的中小型系统或信息 管理系统，所需的功能比较简单，如仍采用通用w e b 服务器，无疑是资源的浪 费。解决方法是使用功能相对简单、体积更小、消耗资源更少的简单w e b 服务 器，这就是被称为“瘦服务器”的嵌入式w e b 服务器。e w s 系统与传统的w e b s e r v e r 相比，简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的嵌入式设 备中。由于有了标准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的w e b 服务器可以向 任何接入它所在网络的合法用户提供统一的、基于浏览器方式的操作和控制界 面，浏览器成了设备的前端控制面板。这将从根本意义上改变设备的运行和管理 方式，降低监控运行维护成本，提高监控运行维护效率，并且嵌入式w e b 服务 器以其功耗低、体积小、性能高、成本低廉、可便携、易于布置实施等特点，在 应用环境灵活多变、任务响应实时性强、系统可靠性高等复杂应用领域中更具优 势，因而具有很大的应用前景和推广价值。 2 3 3 嵌入式w e b 服务器在家庭网关中的应用 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电大学硕十论文 图2 - 2 嵌入式家庭网关系统结构图 嵌入式家庭网关的系统结构如图2 2 所示。可以看出家庭网关主要有三部分 组成：客户端、嵌入式服务器和数据库。客户端是家庭网络用户通过局域网或者 互联网对家用设备进行访问的接口；数据库系统是为用户提供家用设备的统计数 据和设备维护数据；而在家庭网关中加入嵌入式w e b 服务器，负责对现场的多 台信息家电设备进行数据采集、数据存储、数据转发及远程监控运行状况。嵌入 式w e b 在家庭网关中起到了一个连接监控的重要作用，它使得设备状态数据可 以上网，并通过网络对设备进行全天候的远程的实时的监控。具体来说，嵌入式 w e b 服务器获取来自现场信息家电设备的信息，经过数据处理后采用c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口) 网络编程建立一个基于t c p i p 的 网络连接通过局域网可以向i n t e m e t 互联网发布，同时响应客户端浏览器的连接 请求，远程客户端可以通过浏览器来实现对现场的数据信息监控。由于嵌入式 w e b 服务器的存在，实现了底层信息直接送往互联网，从而实现了将w e b 服务 器嵌入在控制系统当中。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕十论文 2 3 4 嵌入式w e b 服务器的总体结构 通过以上的概述分析，可知嵌入式w e b 服务器的总体结构包括硬件体系和 软件体系两个层面。 硬件体系结构 采用嵌入式系统，主要有高性能微处理器、外部网络接口、基本输入输出接 口、片外扩展存储器、l c d 控制器和触摸屏接口等。 软件体系结构 软件体系可分为三个层次： 硬件驱动层：包括串口、以太网、触摸屏驱动、系统文件等。 a r m l i n u x 内核：提供进程控制、文件管理、中断处理、系统初始化、网 络协议栈等。 应用程序层：通过应用程序接口软件( a p i 接口) 实现任何所需的应用服务。 在课题嵌入式w e b 服务器的设计中，触摸屏q t e 的应用程序与嵌入式w e b 服 务器位于同一个物理设备( 基于s 3 c 2 4 1 0 x 的硬件平台) 上。 2 4 本章小结 本章主要阐述了嵌入式系统的定义，并详细描述了嵌入式系统的组成架构。 另外还从家庭网络的角度来对嵌入式w e b 服务器的应用给予了总体的介绍，通 过对家庭网关的描述，使对嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的重要地位给予肯 定。更突出了对嵌入式w e b 服务器研究的重要性。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕+ 论文 第三章开发平台及开发环境的建立 3 1 嵌入式系统的开发流程 一般的l i n u x 系统软件开发都是以本机开发、本机调试、本机运行的方式。 但这种方式不适合嵌入式系统的软件开发，因为对于嵌入式系统，没有足够的资 源在本机( 即嵌入式电路板上系统) 在一个嵌入式系统中进行l i n u x 开发，需要根据应用需求的不同采用不同配 置的开发方法。但是一般都要经过如下流程： 3 2 总体方案的确定 图3 1 嵌入式系统开发流程图 系统分为三部分：嵌入式w e b 服务器、嵌入式数据库和近端触摸屏的用户 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕+ 论文 界面。这种设计方式有利于从近端和远端两个方面来监控家庭网络中的终端设 备。本课题以宽带小区为应用背景，基于嵌入式l i n u x 操作系统技术、i n t e m e t 技术在家庭网关硬件平台上建立了嵌入式w e b 服务器，开发了服务器端应用程 序，使得家庭网关可以与外部i n t e m e t 网络通信，为家庭内部网提供w e b 服务。 嵌入式数据库技术在家庭网关中的应用是本文的一个特点。用户可以在任何地点 通过i n t e r n e t 浏览器登录家庭网络的主控页面，远程控制自己家中的信息家电。 3 硬件开发平台介绍 本课题的硬件开发平台选用处理器为a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式开发 板。$ 3 c 2 4 1 0 x 是三星公司生产的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入 式微处理器，主要应用于手持式设备以及高性价比、低功耗的场合。$ 3 c 2 4 1 0 x 支持m m u 功能，采用5 级流水线，显著提高了性能。s 3 c 2 4 1 0 x 的工作频率最 高能达到2 0 3 m h z ，这个工作频率能使处理器轻松运行l i n u x 等嵌入式操作系统 以及进行较为复杂的信息处理。同时$ 3 c 2 4 1 0 x 内部还集成了一个l c d 控制器 ( 支持s t n 和t f r 液晶屏) 和触摸屏接口，可以支持带有触摸屏的液晶屏，而 且资源非常丰富。 在编程应用时，s 3 c 2 4 1 0 x 的系统存储空间被分为8 组，每组大小1 2 8 m b 。 组0 到组5 的开始地址是固定的，用于s r a m 或r o m 。组6 和组7 用于r o m 、 s r a m 或s d r a m 。所有内存的访问周期都可以编程。$ 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n d f l a s h 启动，采用n a n df l a s h 和s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。 外围设备及扩展模块要完成相关设备地址译码、接口并实现相应扩展，以备 系统扩展升级的需要。其需要实现：网络接口、串行接口、彩色l c d 、触摸屏 输入控制等，通过r s 2 3 2 接口模块通信完成与家电与其他联网设备的信息交换， 通过c s 8 9 0 0 a 网络芯片接口完成嵌入式w e b 与以太网的通信。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应川 北京邮电人学硕十论文 3 4 开发平台选择 图3 - 2系统硬件结构框图 3 4 1 嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。与 其他工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠 性高等优点。目前这样的嵌入式处理器类型有a r m 、m i p s 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 p o w e r p c 、6 8 0 0 0 系列等。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器主要取决于 应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。 本课题选用的嵌入式处理器是a r m 9 系列的三星$ 3 c 2 4 1 0 x 。a r m 9 系列是高 性能核低功耗特性方面最佳的。选用a r m 9 的原因如下： a r m 9 微处理器体积小、功耗低、成本低、性能高； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有高指令和数据处理能力； 支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位和 1 6 位器件； 全性能的m m u ，支持w i n d o w s c e ，l i n u x ，p a l m o s 等多种主流嵌入式 操作系统； 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕十论文 m p u 支持实时操作系统； 寻址方式灵活简单，执行效率高，大多数数据操作都在寄存器中完成； 指令长度固定 3 4 2 嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统需要的是一套体积小、执行速度快、性能稳定、实时性强，可剪 裁性和可移植性高并且价格低廉的嵌入式操作系统。 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种商用型和免费型。 商用型功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格昂贵。免费型操 作系统不但价格免费，它的核心源代码也是公开的，这使得系统的软件有更好的 兼容性。 商用型实时嵌入式操作系统： v x w o r k s ，w i n c e ，p s o s ，p a l mo s ，l y n x o s ，v r t x 免费型实时操作系统：嵌入式l i n u x 操作系统： 嵌入式l i n u x 又包括u c l i n u x ( 用于非m m u 设备的l i n u x ) 、r t l i n u x ( 实 时l i n u x ) 、m o n t a v i s t al i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p c 的l i n u x ) 、a r m l i n u x ( a i w 上的l i n u x ) 等。 本课题使用的系统为嵌入式l i n u x 操作系统中的a r m l i n u x 。原因如下： l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统。自l i n u x 诞生至今，它在很 多方面已经赶上甚至超过了很多商用u n i x 系统。l i n u x 币l j 用任务切换机制，实现 了真正的多任务，多用户环境。 a r m l i n u x 是针对嵌入式a r m 芯片设计的l i n u x 系统，即经过剪裁的l i n u x 。 并且根据嵌入式系统的特点，a r m l i n u x 进行了小型化设计，并且与l i n u x 一样 采用内核模块化设计，即很多功能模块可以独立的添加或卸载。通过对内核进行 重新编译，在编译时选择嵌入式设备所需要的功能模块，删除不需要的功能模块， 可以使系统运行所需的内核显著减小，从而减少代码含量，降低占用资源。 本课题使用的开发平台的操作系统内核为l i n u x2 4 1 9 版本。该内核版本现 已被广泛应用于手持设备及控制设备等嵌入式系统中，移植技术相对成熟，性能 也较稳定，能够很好的满足课题的要求。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与廊用北京邮电火学硕十论文 j。 库函数 系统调用接口 u m 懒 li 文件子系统进程控制子系 内存管理子系统 驱动程序 j f t 硬件设备r c p u 、内存等1 图2 - 3l i n u x 内核体系结构 3 4 3 图形用户界面q u i 的选择 g u i 是一个图形用户界面支持系统。它的作用是显示系统的一些图形和数据 信息。现在常用的有精简的xw i n d o w s 系统、m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 、o p c n g u i 、 q t e m b e d d e d 等。本课题采用的是开源的q t e ( q t e m b e d d e d ) 。q t e 是挪威 的t r o l l t e c h 公司专门为嵌入式设备开发的应用程序平台，能够应用到p d a 和各 种移动设备上。它是一个多平台的c + + 图形用户界面应用程序框架，它能给用户 提供精美的图形用户界面所需要的所有元素，而且它是基于一种面向对象的思 想；所以用户对其对象的扩展是相当容易的，并且它还支持真正的组件编程。 3 4 4 嵌入式w e b 服务器的选择 嵌入式w e b 服务器在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使得传统的控 制设备变成了具备以t c p i p 为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于i n t e m e t 和局域网的控制设备。 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与麻h j 北京邮电人学硕十论文 嵌入式l i n u x 环境下，主要有三个服务器：b o a 、h t t p d 和t h t t p d 。h t t p d 是 功能简单的w 曲服务器，本身不支持认证和c g i ( 通用网关接口) 。t h t t p d 和 b o a 都支持认证和c g i 等，功能都比较全。 如果w e b 服务器仅需提供一些静态页面，例如系统介绍、简单的在线帮助 等，完全可以用静态服务器h t t p d 来实现。但若需要与用户进行交互，例如数据 查询、实时状态查询等，则必须使用动态w e b 技术，可以选用h t t p d 或是b o a 来实现。但是t h t t p d 在运行过程中所需要的资源远远大于b o a 。为了实现动态 w e b 技术，这里我们选择实现一个支持c g i 的、非常适合于嵌入式系统的w e b 服务器b o a 。 目前实现动态w e b 页面有多种技术可供选择，如c g i ，a s p ，p h p 等技术。这 些技术在高端平台上都能很好地实现用户所需的功能，但在嵌入式l i n u x 系统下 实现动态网页，目前只能采用c g i 。 3 4 5 嵌入式数据库的选择 同一般p c 机一样，嵌入式系统也需要数据存入。一般的计算机系统数据存 入有两种方式：文件方式和数据库方式。在文件方式中，数据按结构、内容和用 途组成的一系列文件，用户通过操作系统对文件进行打开、读写、关闭等操作。 但是相对于应用程序需要执行比较复杂的数据操作，比如数据检索等，文件方式 的数据存入就显得不那么方便了。并且由于数据没有统一管理，在数据的结构、 编码、格式、命名方面都不容易做到规范标准，所以对于数据的管理来说不够安 全合理。 因此，更多是采用数据库管理系统来统一管理数据，应用程序不必直接介入 读写打开文件等操作，用户可以随意的观察和访问数据，不必担心数据存储不方 便不安全的方面。嵌入式数据库是作为嵌入式系统中的一个软件中间件，所以它 必然受到嵌入式系统速度快、资源有限和应用特殊性各方面因素的制约，一般传 统的数据库，如s q ls e r v e r 、m y s q l 等就显得过于臃肿而不适合了。嵌入式系 统的开发环境决定了嵌入式数据库的特点： 适当的体积 较强的功能 丌源的代码 良好的兼容性 正是根据这些需要，采用c 语言编写的丌源嵌入式数据库引擎s q l i t e 成了 最好的选择。s q l i t e 完全独立，不具有外部依赖性，可以在所有主要的操作系 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用 北京邮电人学硕十论文 统上运行，并支持大多数计算机语言。它的主要优点： 代码开放，代码注释丰富 处理速度比目前常见的c s 的数据库快 简单易用的a p i ( 应用程序接口) ，使得c c + + j a v a 等程序可以把整个 数据库内嵌而不需调用其他的a p i 接口 体积小，全部代码2 5 0 k 功能完善，支持a c i d 事务 数据库系统是在家庭网关中通过互联网或局域网保存信息家电数据到嵌入 式服务器罩并供远端客户端通过网络访问的系统。它对于嵌入式w e b 服务器主 要有这些方面需求： 判断是否准许远程客户端对嵌入式w e b 服务器进行访问 通过嵌入式w e b 服务器访问信息家电设备的数据 将信息家电设备的数据存入数据库中 3 5 开发环境的建立 3 5 1a r m _ l in u x 操作系统平台的搭建 因为嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本地机( 即开发板) 上运行开发 工具与调试工具，通常的嵌入式系统开发将需要编译调试的软件放在p c 机上编 译调试通过后在移植到嵌入式开发板中。所以除了课题前期选用的具有a r m 9 体系结构的微处理器为三星s 3 c 2 4 1 0 x 的开发板作为实验平台外，还需要一台装 有w i n d o w s x p 和r e a h a t 9 0 双操作系统的开发主机。 这台p c 机，称之为宿主机，对应的开发板叫做目标板。又因为宿主机和目 标板的处理器一般都不相同，宿主机为一般p c 机，采用i n t e l 处理器，而目标板 为面向特定应用的嵌入式处理器，两个处理器并不兼容，所以需要交叉编译器提 供这样的功能：在p c 机上开发的应用软件经过交叉编译器编译调试形成可被嵌 入式处理器执行的二进制代码。再将运行l i n u x 的宿主机开发时使用宿主机上的 交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制编码移植到目标板中执行。注意 这里生成的可执行代码并不能在住宿机上执行，而只能在目标板上执行。 然后把生成的可执行代码文件通过n f s 用以太网连接下载到目标板上运行。 宿主机和目标板之间的连接可以采用两种方式： 以太网连接：主要用于内核文件、根文件系统映像文件的下载 串口连接：在宿主机端使用m i n i c o m 终端仿真软件，主要适用于调试 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应h j北京邮电人学硕+ 论文 3 5 2g c c 交叉编译技术 p c 机上丌发基于l i n u x 的应用程序，一般是编写程序源代码，编译调试， 生成可执行的程序。在编译调试这个步骤时，r e d h a t 已经配带了标准的g u n 开 发工具，如c 编译器g c c ，c + + 编译器g + + ，但这些工具都是基于x 8 6 架构的， 使用这些工具编译出来的可执行程序只能在基于x 8 6 架构的c p u 上运行。 所以要想编译出的可执行代码可以在a r m 体系架构的c p u 上运行，就需 要一个编译工具。这个工具可以运行在基于x 8 6 架构的l i n u x 服务器上，也就 是前面提到的宿主机，在宿主机上通过这个编译工具编译生成可以在a r m 体系 架构的c p u 上运行的可执行代码。这个编译工具就是交叉编译，a r m 1 i n u x g e e 作为基于a r m 架构的c 交叉编译器，可以在网站上免费获得。 3 5 3 基本交叉编译环境设置 这里的宿主机环境为装有r e dh a t9 0 操作系统的普通p c 机，目标板为基 于s 3 c 2 4 1 0 x 处理器的嵌入式系统。这里用到的交叉编译工具链是 a r m 1 i n u x g e e 2 9 5 3 。下面是具体的实现步骤： 下载c r o s s 2 9 5 3 t a r b z 2 源码包。 网址为f l p ：t 亚a r m 1 i n u x o r g u k p u b a r m l i n u x t o o l c h a i n 。 将c r o s s 2 9 5 3 t a r b z 2 拷贝到m r l o c a l a r m 目录下，然后执行命令： t a r j v x fc r o s s - 2 9 5 3 t a r b z 2 减压后的目录说明： b i n ： 交叉编译器可执行程序目录，包括a l t l l 1 i n u x g e e 等。 i n c l u d e ： 头文件目录。 l i b ：库文件目录，已经是为a r m 交叉编译的库文件，包括l i b c 等。 设置环境变量 e x p o r t p a t h = u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n ：$ p a t h ，以后编译内河或者其他 应用程序均可用a r m 1 i n u x 来指定交叉编译器。在超级终端中输入命令 a l t n 1 i n u x g e e _ v 如果显示版本号则说明交叉编译器安装正确。 安装辅助丌发工具包a r m v 4 1 下载m i z il i n u x2 0 开发包。 网址为h t t p ：w w w m i z i c o m d e v e l o p e r m z 2 0 t o o l s 1 i s t h t m ，要全部下载。 运行r p m - u v h * r p m 安装丌发包。 目录结构说明： h o s t ：用于在主机上丌发嵌入式应用的交叉编译丌发环境目录，包括： 嵌入式w e b 服务器在家庭网络中的研究与应用北京邮电人学硕十论文 a r m v 4 1 u n k n o w n 1 i n u x g c c ：交叉编译工具链和m i z i 开发包带的库 a r m v 4 1 ； b i n ：交叉编译器可执行程序目录，包括a r m 1 i n u x g e e 等； a r m v 4 1 u n k n o w n 1 i n u x ：交叉编译的包含库和头文件； i n c l u d e ：头文件目录； l i b ：库文件目录，已经是为a r m 交叉编译的库文件，包括l i b c 等。 t a r g e t ：需要拷贝到目标板上的程序和库。 这些文件都会安装在o p t h o s t a r m v 4 1 目录下，不需要再手工设置路径。注销 一次或重启后，运行命令a r m y 4 1 u n k n o w n 1 i n u x g c c v ，如果出现版本号提示信 息说明安装正确。如果没有出现版本号，编辑e t c b a s h r c 文件，在最后增加路径