（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式web服务器的研究与实现.pdf

中文摘要 近年来，随着嵌入式系统的快速发展，越来越多的嵌入式设备被用于工业控 制、智能家居等领域。同时伴随着网络技术的发展，嵌入式设备通过网络接入 局域网或者i n t e m e t 已经逐步成为发展的趋势。通过在嵌入式设备中内置w e b 服务 器，用户可以在任何一台联网的计算机上通过浏览器来获取设备的信息，用户还 可以通过网络对设备进行配置和管理。因此研究和开发嵌入式w e b 服务器具有重 要的实际意义和应用价值。 本文在s 3 c 4 4 8 0 x 开发板上使用“c l 蛔暇操作系统作为开发平台，开发并实现 了嵌入式w e b 服务器。文中提出了2 种实现方案，一种是基于b o a 的嵌入式w e b 服 务器，所做的主要工作是b o a 在c l i n u x 中的移植和c g i 的编写，在此基础上实现 了动、静态页面的生成和简单的控制功能。另一种方案是基于h r r p 协议和s o c k e t 编程所开发的嵌入式w e b 服务器，在此方案中实现了h 兀 p 协议的g e t 和p o s t 请 求方式，能够生成简单的动态页面，实现了历史数据的保存功能，还能够根据用 户在浏览器端的请求进行相应的控制和管理。 论文首先对嵌入式w e b 服务器的体系结构进行了分析，然后介绍了 s 3 c 4 4 b o x 硬件开发平台，并分析了b o o t l o a d e r 的基本原理和实现过程。随后对 “c l i n 畎操作系统的特点和网卡驱动程序进行了分析，并着重介绍了p c l i n u x 的移 植过程。在第五章，论文详细分析了t c p 】 p 和h t r p 的原理和工作机制，并介绍 了w e b 服务器中c g i 的工作原理，最后分析了b o a 服务器的移植和c g i 程序的编写 以及w c b 服务器的测试等。在第六章，在h 1 曙协议分析和网络编程的基础上， 提出了嵌入式w c b 服务器的设计思想、程序流程图，重点分析了w e b 服务器主程 序流程、动态页面的生成、历史数据查询的实现等，也分析了w c b 服务器中各种 控制功能的实现流程，最后给出了w e b 服务器的测试结果。 关键词：嵌入式w e b 服务器“c l i n l l x h t r pb o as o c k c t 7 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t l l 也e 豫p i dd i e v e l o p m 胁to f 印曲e d d e d $ s t e l 玛m o f ea n dm o r e 印曲e d d c dd e 、，i c e sa r ei i s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l 锄di n t e l l e c t i 豫lh o u s e a c c o m p a n i e d b ym ep r o g r c s so fn e t w o r kt ec _ h n o l o g y i th 硒乎咖l l yb e c o m ea 仃e n df 0 r 王n l b e d d e d e q u i p m e n tt 0a c c e s sn e 嘶o r k 如咖1 曲i n t 锄e t0 fu 试b yi n s 词血l ga b u i 【t - i nw 曲 r v e ri n 朗由e d d e ds y s t e n l u s e rm a yk i v ea c c e s st 0 也ee q u i p i n e n tv i ab r o w s e ra t a n yc 伽n p u 触。w h i c hi sc o 衄e c t c dt 0t l l en e 咖咄u s e fc 跹a l s oc 0 蚯go rm 蛆a g e 也e e q u i p m e n tt h r o u 萨n e 弧，0 r k s oi ti so fp 】锄c t i c a is i g n i 丘c 粗c et os t i j d ya nc m b e d d e d w 曲s e r v e r ，功ea u 也0 rd e v e l o p e d 锄di m p l e m e n t e d 锄e m b e d d e dw 曲s e r v 盯0 nt l l e s 3 c 4 4 8 0 xb 髂e db o 羽b y 璐i n g 心l i n u xo p 懿血gs y s t 锄舔d e v e l o p m e n t p l a t f o l m t w ds c h e m e sa r ep u tf o r w a r di n 也i sp 印盯：o n e 远缸锄曲e d d e dw 曲s e e r b 髂e d0 nb o a ，也e0 廿1 e ri s 觚既1 b e d d e dw 曲s e e rb 孙e d0 nh t t p 趾ds o c k e t p r 0 缪缸衄血g i n 也ef i r s ts c h 锄，m em a i nw o 呔i st 0 位m s p l a n tb o ai np c l i n _ u x 锄d t 0d e s i 弘c g i t h er e s u l ti sr e a l 沱a t i o no fd y n a m i cp a g e s 盟ds i m p l ec o n n d l 铀c t i o n s i n 也es e c o n ds c h 锄e ，i ti sp o s s i b l et 0 觚丘nm eg 耵a n dp o s t 唧e s t si nh r r p 锄d t 0p 1 0 h d l l c es i m p l ed y n a m i cp a g e s i ti sa l s op o s s i b l et 0 他a l 沱et 1 1 eq l l e 巧o fh i g t o 巧d a t a 锄ds o m ec 彻血d 1 t i o 璐i n 也er e q u c s to f b r o w s e 1 1 1m i sp a p e r ，t h ea r c h i t e c t u r eo f 锄如c d 【d e dw 曲s e n ，e f 髓dt l l es 3 c 4 4 8 0 x d e v e l o p m e n tp l a t f l 0 衄i sf 酏td i s c l l s s e d ，也ep 血c i p l e 锄dr c a l 圳0 no f b 0 0 t l o a d e ri s a l s oi n 仃o d u c e d a r e r 也a t 也e 。c 】毗i r a c t e r i s t i co fu c l i 玎：u xa n dn e l ：w r o f k “v e ri s d e s 嘶b e d ，i n c h 曲g 血e 呻l 锄0 f 心l i 舢x i nc h 印t c f5 ，m ep 血c i p l e 粕d m e c h 觚i s mo ft c p d 锄d f 1 摩i sf i l l s td i s c u s s e d 锄dt l l ep m c i p l eo fc g ii sa l s o 劬d u c 缸a tt h ee n do f 也i sc h a p t e r ，血e 唧l 锄to f b o a、m ed e s i 弘o f c g i 缸d 也e t e s to fw 曲s e r y c ri sd i s c 吣s e d i nc h a p t c r6 ，也ed e s i 乒p 血c i p l eo f 姐e m b e d d e dw 曲 s e r v e f 锄d 也ep r 0 孕狮ef l o wc h a r ti s 伍砒p 眦f o n 训1 1 1 i sc h a p t e ri sf o c u s e do nt h e a m l y s i so fm i np r 0 孕a m en o w 钮dt h eg e n e r a t i o no fd ) ，n a m i cp a g e ，锄dt 1 1 eq u e 巧o f h i s t 0 d ，d a t a 嬲w e t h ep m c e s so fc o n 臼0 lf h ：n c 石o n si sa l s od i s c 啦s e di nt h i sc h a p t e r a t 也ee n do f 也i s 却t e r ，t h et e s tr e s l d to f 也ew | c bs e r v 钉i s 酉= n k e yw o r d s ：e m b e d d e d w 曲s e r v 心1 i n l l ) 【，h r r 】吧b o a ，s c o k e t 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：万司涛签字同期：2 。o 了年6 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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) 导师签名： 彳胤 签字f = 1 期：2 。口了年c ，月了同 刁了 订秒 月 固 月 、可b _ _ _ 孙 年 签 吖 糊 驷 作 ： 文 期 沦 同 位 字 学 整 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 i n t e m e t 的迅猛发展促进了全球信息的共享和交流。同时人们也越来越希望 通过网络来实现远程信息的获取和设备的控制，嵌入式系统的发展在一定程度上 满足了这方面的需求。通过在嵌入式系统中内置w 曲服务器，用户可以很方便 地浏览系统的信息和控制设备的运行参数，从而实现设备的远程监控。 1 2 课题的目的和意义 课题的目的是构建一个实现特定功能的嵌入式w 曲服务器，它可以对远程设 备进行监控，用户可通过网络远程访问w 曲服务器来实现数据的采集和历史数据 的查询，也可以通过各种接口对远程设备进行控制。此外，还可以根据需要添加 新的控制功能，而不需对w e b 服务器的框架进行大的改动。 本文所实现的嵌入式w 曲服务器具有一般性，经过改进后可以用于工业控制 或智能家居等系统，因此具有一定的现实意义。系统可以用于远程温度、湿度等 物理量的采集，也可以用于远程图像的传输。通过嵌入式系统的各种接口，还可 以实现设备的远程控制。 由于i n t e m e t 的普及，借助于i n t 锄e t 可以快速、可靠地传递各种控制信息。 而嵌入式系统具有成本、体积、功耗等方面的优势，因此，将嵌入式系统与i i i t i 珊e t 结合起来，是其发展的潮流与趋势。c t 中发展最快而且最先被广泛使用的是 w w w 服务。w c b 服务器与w e b 浏览器提供了方便而稳定的服务，通过在嵌入式 设备中增加t c p i p 协议栈并构建w e b 服务器，用户就可以通过w e b 浏览器远程监 控并管理该设备。用户可以在任何地点用标准w e b 浏览器( 如i e 和n e t s c a p e 浏览器) 访问嵌入式w e b 服务器，而不需要编写任何客户端程序。嵌入式w e b 服务器可以 提供丰富多彩的信息，如数据、文字、图像、表格、语音等，数据还可以实时更 新，对设备控制的结果也可以立即得到反馈。 在工业应用领域，在智能设备、仪器和传感器等领域使用嵌入式w e b 服务器 是很有意义的。这些设备中内置嵌入式w e b 服务器，在用户端浏览器中可以显示 动态h 1 m i ，页面，并且可以在页面中进行系统的配置和设备参数的调整。正因为如 第一章绪论 此，传统的c s 结构控制模式正逐步向b s 结构转移，这样可以降低成本，而且不 必要开发客户端的g 。综上所述，开发嵌入式w c b 服务器具有很重要的现实意 义和应用价值。 1 3 课题的国内外研究现状 目前嵌入式系统和h t 锄c t 结合的难点在于嵌入式系统如何接入网络，一般来 说，嵌入式设备增加t c p 口协议就可以接入b 也m e 但具体实现的技术多种多样。 嵌入式系统的i n t r c t 接入技术有直接接入、嵌入式网关、嵌入式系统+ t c p i p 协 议3 种技术模型。 ( 1 ) 直接接入技术。通过在嵌入式系统本身添加网络接口硬件和相应的软件 实现嵌入式系统与i n t e m e t 的直接互联。大部分3 2 朋位微处理器采用了这种直接 接入技术。这种接入方式具有很大的灵活性，但占用的系统资源比较多，对微处 理器的要求也很高。 ( 2 ) 嵌人式网关技术实现。对于具有大量嵌人式设备的嵌人式系统来说可以 考虑间接接入方式。在这种方式中，嵌入式系统和嵌入式网关连接通信，连接方 式采用传统的r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 、s p i 、u s b 、c a n 总线等轻型网络协议，再由嵌 入式网关负责实现t c m p 协议，并与h t e m e t j 奎接，完成嵌入式系统和i n t e m e t 的 信息交互。 ( 3 ) 嵌人式系统+ t c p i p 协议芯片实现方式。在这种方式中，t c m p 协议通过 硬件固化到网络芯片上，通过标准的输人输出接口，可与绝大多数单片机相连。 如目前市面上出售的网络芯片韩国w i z n e t 公司的1 2 c h i pw 3 1 0 0 a 、美国s e 岫 i 珊仇皿锄t s 公司的i c h j p 5 7 6 0 0 等，这类芯片具有速度快、使用方便的特点，但增 加了硬件成本。 目前国内外嵌入式系统软件、支撑软件及应用软件这几年的发展比较迅速， 嵌入式操作系统方面国外有v x w 0 r k s 、w i n c e 、p a l m o s 、e p o c 、b r n ) o s 、心l h 等。我国也开发出桑夏2 0 0 0 、d e l t a o s 、中软l i 加x 2 0 、红旗l i n u x 及东方l i n u x 等。 嵌入式数据库国外有p r 0 孕e s sr d b m s 、h f o l n i 】【c 1 0 u d s c a p e 等，我国则有东大阿 尔派o p c nb 舔e 等。 但是在嵌入式w 曲服务器研究方面国内的现状不容乐观，目前国外有很多相 关的研究项目，发展比较迅速。图1 1 是x e r o x 眦公司的一个w e bs 骶f ，它 有1 6 m b 的d ra m 和1 m b 的f l a s h ，在v x w o r k s 操作系统上运行s p y g l a s sw c bs e r v e r 软件，能够提供办公环境下的嵌入式应用瞄。美国华盛顿大学也开发了类似的项 目，以心l i 舢x 作为平台，在上面设计了一个多功能的w e bs e r v c r 。其他的嵌入式 2 第一章绪论 w 曲s e m 产品还有p h a n a p 公司的m l c t o w e b 、a 鲫m s y s k r m 公司的e m w e b 、 锄w a 托公司的e m m l c r o 、a 1 1 e g r o 公司的r o m p a g e r 、w l n d r i v e r 公司的w l n d ，还 有b o a 、e n e a 、p 1 c o w e b 、c h i p w e b 等【”。 崮1 1x 肝0 x p r c 口司她酞、丘曲s 7 国内目前做得比较好的有力源公司、华恒公司等。力源公司有一种w e b c h p 芯片，m c u 应用系统通过w e b 曲i p 网络芯片与网关连接再接a b 船l 。恍b c h 毕 内部固化了m c u n e t 协议，它与e m o m e w 列协议和0 s g l 协议兼容。应用系统设计 工程师不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e b c h l p 传送过来的指令和数 据就可以实现与i n t e m 目嘲络连接。该方式与应用系统的连接比较简单，但仍然需 要配套的网关，才能与t c p ，i p 建立起连接”。 嵌入式w e b 服务器因其开发简便、使用方便的特点而广泛应用于以下领域： 工业自动化系统、家政系统、安全防火防盗系统、视频监控系统等。 鉴于目前国内外嵌入式w 曲服务器技术旋展的差距而嵌入式w c b 服务器又 有着良好的应用前景，园此我们应该加大这方面的研究和开发力度。 1 4 本文所做的主要工作 本文所做的工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 嵌入式w e b 服务器软硬件平台的措建。硬件平台采用s 3 c 4 4 b o x 开发板 在硬件平台上开发了b o o t l o a d 盯作为系统引导程序。软件平台嵊用c l m u x 操 作系统，实现了c l m u x 操作系统在开发板上的移植。 ( 2 ) 移植了一个通用的嵌入式w e b 服务器b o a ，具体所做的工作就是对b o a 进 行编译和配置，还有c g i 程序的编写。 ( 3 ) 在对t c p 几p 和h t t p 协议详细分析的基础上设计了一个特定的嵌入式 w e b 服务器。所做的工作有：服务器主程序的编写、用户请求的解析、静态和动 态页面的实现，根据用户的请求实现各种控制功能等。 第一章绪论 1 5 论文的结构 本论文在分析嵌入式w 曲服务器体系结构的基础上提出了自己的解决方案 和实现，即采用“删平台+ 心l i n u x 操作系统”的方式，研究了软硬件平台的 实现技术，并且详细介绍了嵌入式w 曲服务器的支撑协议t c p i p 和h t r p 。在 此基础上提出2 种嵌入式w 曲服务器的解决方案：一种是基于b o a 服务器的实 现方案；另一种是直接从s o c k e t 编程入手，根据m r r p 协议的特点和系统的需 求，开发出一个针对特定应用的嵌入式w 曲服务器。在这两种方案中，都实现 了简单的用户验证功能、动态和静态页面的生成功能、数据的查询以及对嵌入式 设备的控制功能等。 t 论文的结构安排如下： 第一章：绪论；介绍了课题的目的和意义以及国内外研究现状，也对所做的主要 工作和论文的结构作了说明。 第二章：嵌入式w 曲服务器及其架构；首先介绍了嵌入式系统的定义、分类、 特点及基本结构，然后对嵌入式w 曲服务器的特点和架构进行了分析。 第三章：嵌入式w 曲服务器硬件平台的搭建；首先对硬件开发平台的核心 s 3 c 4 4 8 0 x 处理器作了介绍，然后介绍了硬件平台的主要电路，最后分 析了引导程序b 0 0 n o a d e r 的基本原理和实现过程。 第四章：嵌入式w | e b 服务器软件平台的搭建；首先介绍了心l i 懈操作系统的特 点和基本架构，然后分析了心1 i n ：1 1 ) 【在4 4 8 0 x 开发板上的移植过程， 还对心l i n l l ) 【中应用程序的添加作了介绍。最后分析了以太网卡的工作 机制和驱动程序的实现。 第五章：嵌入式w 曲服务器的协议基础；首先分析了与嵌入式w 曲服务器密切 相关的2 种协议：t c p 仰协议和h 盯r p 协议，然后介绍了c g i 的工作 机制和c g i 程序的设计。最后分析了b o a 服务器的移植并给出了c g i 程序的工作流程分析。 第六章：一个嵌入式w e b 服务器设计实例；首先介绍了设计思想和总体流程， 并对s o c k e t 编程及其主要函数作了介绍。然后对嵌入式w 曲服务器的 软件流程进行了重点分析，并阐述了控制机制的实现流程。最后给出了 w 曲服务器的测试结果。 第七章：总结和展望；对课题进行了总结，并阐述了需要改进的方向。 4 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 第二章嵌入式w e b 服务器及其架构 在设计嵌入式系统之前需要对嵌入式系统的特点和基本结构有一个清晰的 了解；同样在设计嵌入式w 曲服务器之前需要对其特点和架构有一个全面的认 识。 2 1 嵌入式系统及其特点 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 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 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统嘲。 2 1 2 嵌入式系统的特点 硬件方面。： 稳定性，表现在对元器件的选择、接插件的质量要求、电源的稳定性等方面； 低功耗，一方面出于省电，另一方面出于散热考虑； 体积受限，这是被嵌入的对象系统的要求； 看门狗电路，系统不受干涉长期运行的需要； 成本控制严格，够用即可； 内存一般较小、处理器一般不带浮点运算单元。 软件方面： 实时性，在早期很重要，近来有所模糊； 可裁减性； 精简性，系统代码一般都固化在r o m 中； 人机界面要求不高。 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 2 1 3 嵌入式系统基本结构 嵌入式系统主要由硬件部分和软件部分组成，如图2 - 1 所示。 应用程序层 l 应用程序嗡程接口棚 i 瑕入式撩懒 l 设备驱动屡 i 图2 1 嵌入式系统的基本组成 1 嵌入式系统的硬件组成 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配备必要的外围接口电路。嵌 入式处理器可分为4 类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 。嵌入式微处理器就是与通用计算机 的微处理器对应的c p u ，如p o w e r p c 、m o t i d r o l a6 8 k 系列、a r m 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i 锄c o n 仰l l e r ) 。嵌入式微控制器就是将微处理器和 一些外围接口电路集成到一块芯片中。其特点是单片化，体积大大减小，从而使 功耗和成本降低，可靠性提高。典型的嵌入式微控制器如8 0 5 l 系列、m c 6 8 h c 0 5 等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 。嵌入式d s p 主要用于数字信号处理如数字滤波、f f t 、谱 分析等场合。典型的如公司的- i m s c 5 0 0 0 、6 0 0 0 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统。嵌入式片上系统s o c ( s y s t c 狃o nq 卸) 是指在一个硅 片上集成c p u 、各种外设控制器等多个功能单元，从而构成一个完整的复杂硬 件系统。这样整个嵌入式系统大部分可以集成到一块或几块芯片中去，有利于减 小体积和功耗，提高系统的可靠性。 嵌入式外围接口是指在一个嵌入式系统中，除了核心部件以外的各种存储 器、i o 接口、网络接口、串行通信接口等。可分为以下几类： ( 1 ) 存储器接口。典型的有f l a s h 接口、s d r a m 接口等。 ( 2 ) 通信接口。包括r s 2 3 2 接口、u s b 接口、s p i 接口、1 2 c 接口、c a n 接口、 e 也e n l e t 接口、通用可编程接口g p i o 等。 ( 3 ) 输入输出设备。包括l e d 、l c d 、触摸屏等，构成了嵌入式系统的信息 6 硬件巷分 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 输入输出设备。 ( 4 ) 扩展接口。如c f 卡、s d 接口等。 2 嵌入式系统的软件组成 早期的嵌入式系统可能不需要操作系统。但随着系统结构的复杂化，如果有 一个操作系统( e m b e d d e do s ) 来管理和控制内存、进行多任务管理、管理系统 各种资源，根据操作系统提供的各种功能来编写应用程序，可以大大简化开发流 程，并相应减轻程序员的负担。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般可分为4 个 层次：设备驱动层、嵌入式操作系统层、应用程序接口a p i 层、应用程序层。 ( 1 ) 设备驱动层。设备驱动层一般包括硬件抽象层m 也、板级支持包b s p 、 设备驱动程序。设各驱动层的主要作用是给上层软件( 如o s ) 提供设备的操作 接口，这样上层软件不需要知道设备的具体操作，只需要调用驱动层程序提供的 接口即可。 ( 2 ) 嵌入式操作系统层。嵌入式操作系统与通用操作系统相比除了具备任务 调度、进程间通信、内存管理等功能外，还有它自身的特殊性。嵌入式操作系统 的特点有： 微内核、模块化、可方便裁减； 实时性，尤其对于控制系统； 强大的网络功能； 稳定性强、不依赖于交互操作； 代码固化： 可以适应多种体系结构。 ( 3 ) 应用程序接口a p i 层。a p i 是一系列复杂的函数、消息和结构的集合体。 嵌入式开发人员在编制应用程序时，不需要为每一种硬件或外部设备重新编制驱 动程序，只需要调用系统提供的a p i 函数即可完成相应的功能。 ( 4 ) 应用程序层。嵌入式系统应用软件建立在嵌入式操作系统和系统提供的 a p i 调用之上。用户可以根据需要开发适合自己的应用软件，对于底层硬件并不 需要知道太多的细节。 2 2 嵌入式w r e b 服务器技术 嵌入式i n t 锄e t 为我们指明了很好的发展方向，但如何通过网络与嵌入式系统 进行交互则是一个现实的问题。随着w e b 技术的发展，几乎改变了现在的信息表 7 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 达方式，很多应用都是基于w e b 技术的。由于h 皿沮语言的标准统一性，只要在 嵌人式设备中内置一个微型服务器，就可以使用任意一种w e b 浏览器接收和发送 信息。所以如何设计这种特别的w e b 服务器，如何在嵌人式设备中安置w e b 服务 器，就成了嵌人式w c b 服务器的发展和研究方向副。 2 2 1 嵌入式w 曲服务器的特点 嵌入式系统与通用计算机平台相比，无论在系统配置还是在性能上都有不小 的差距。因此在通用平台上实现的w 曲服务器技术如a p a d h e 等，无法在嵌入式 平台上实现。从应用角度来说，嵌入式w 曲服务器主要是基于远程控制和管理， 因此在设计时需要考虑其专用性。嵌入式w 曲服务器的特点如下： ( 1 ) 嵌入式w 曲服务器的程序规模比通用w r e b 服务器小得多，通用w 曲服 务器相对而言功能更复杂、占用更多的内存空间。嵌入式w 曲服务器一般代码 量都在1 万行以内，可执行文件的大小在1 0 0 k 以内。这是因为嵌入式系统一般 存储器容量较小，没有硬盘等存储设备。 ( 2 ) 通用w 曲服务器一般运行在计算资源和内存都比较丰富的服务器上，通 常都希望实现高的吞吐率、短的响应时间。在嵌入式系统中这些指标不一定有意 义。嵌入式w e b 服务器一般是针对特定访问人群的，因此单位时间内的访问量 不会太大，甚至可以采取单进程设计技术。 ( 3 ) 嵌入式w 曲服务器实现的功能有限。通用w 曲服务器实现的功能复杂， 可以提供各式各样的服务。嵌入式w 曲服务器是为特定的目标而设计，只需要 实现哪协议的基本功能，能够对目标系统实施有效的控制即可。 ( 4 ) 在控制和生产领域，嵌入式系统一般要求具有实时性。在基于局域网络 的嵌入式系统中，响应时间不会太长。为了保证实时性，需要结合嵌入式实时操 作系统进行w 曲服务器的设计。 2 2 2c s 架构与b s 架构 随着网络的发展，b s 模式系统因为客户端零维护的优点已经成为网络应用 程序的发展趋势。在另一方面，许多传统的c s 模式系统因为其维护复杂、升级 困难的缺点需要向w e b 方式移植埘。 c s 模式将应用程序分为客户端和服务器两个部分，其特点是：客户端和 服务器的交互能力强。客户点有较强的处理能力。但也存在着缺点：客户端 实现和配置较为复杂。通用性、开放性较差，跨平台支持不足。维护复杂， 升级困难。 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 b s 模式将应用程序分为浏览器和服务器两个部分，是对c s 体系结构的一 种变化或改进。其主要优点有：客户端不需要进行安装和配置，应用程序的开 发全部在服务器端进行，客户端只需要配备一个浏览器即可。通用性、开放性 较好，能适应不同的操作系统和平台。自动升级方便。用户可在网络任意节 点接入访问，使用方便。 在嵌入式w 曲服务器的设计中，应用程序设计应向b s 架构转移，这样会 有利于系统的维护和升级。 2 2 3 嵌入式w 曲服务器的体系结构 嵌入式w - e b 服务器是基于t c p 口协议栈实现的，需要实现t c p 、切) p 、h t l l p 等协议。客户机在网络中任一点接入都可以浏览w 曲页面并对系统进行管理和 控制。服务器端对客户的请求进行解析，生成相应的静态页面或动态页面返还给 客户端。如果需要进一步控制，服务器端将调用相关的应用程序进行必要的处理。 嵌入式w 曲服务器的体系结构如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式w 曲服务器的体系结构 2 2 4 嵌入式w 曲服务器的硬件平台 嵌入式w 曲服务器应根据需要选择合适的硬件平台。硬件平台选择的标准 主要有：有网络接口，支持t c p i p 协议栈。便于实现控制。升级和维护 方便。 9 第二章嵌入式w 幽服务器及其架构 在8 位1 6 位单冀机上也可以实现嵌入式骝曲黢务器，优点是成本低廉，恒 需要添加网络接豳电路，而且对嵌入式操作系统的支持有限，不便予系统功能的 扩充。3 2 谴徽处理器露蓠技术已经成熟，蕤支持更多熬嵌入式实对操 搴系统， 巍用程序熬开发毽毒 常方便。可殴攘据嚣要选择合适懿嵌入式硬件平台。 2 。2 。5 嵌入式操作系统篱介 嵌入式系统瓣构建离不开操俸系统的支持。在晕赣斡彩1 6 位革片枫疲用串， 诲多篙革的嵌入式系统可以不需要操佟系统措。僵涟着嵌入式系统复杂度鳃增 加，增加操作系统显然更有刹于应用程序的开发和系统的升级维护。 嵌入式操俸系统一般具有实时特性。嵌入式系统大多应用在实嚣雩环境中，嚣 就嵌入式搡佟系统逶常跟实时( r e a l 0 洳e ) 系统密切联系在一起。蕨谭实时系 统，是指一个优先级荐的任势能够获得立即的、没骞延迟的服务，它不需要等候 任何其他服务，丽且在得到e p u 的使用权后，可直执行到工作结束或者有蹩 离缀的任务囊现梵止扣。嵌入式操俸系统兹钵系结构如嚣2 - 3 新示。 图2 3 嵌入式操作系统的体系结构 嵌入式搡箨系统裰对于般操作系统面畜，仅措操作系统瓣蠹核( 或者徽内 核) ，其他诸如窗豳系统或通信协议等模块，w 以另外选择。鬓前太多数嵌入式 操作系统必须提供以下功能： ( 1 ) 多任务管理。所有的嵌入式操律系统都是多任务的。多任务大都指多线 程( a 瑾滋基袖f e a d s ) 方式或多进程( m 醢l 畦p 筠c e s s 懿) 方式，这两者媳运行机制 1 0 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 不一样。以多进程为例，多任务管理涉及到进程调度，调度程序的好坏影响到系 统的性能。嵌入式操作系统中的进程状态有以下3 种： 运行状态( r 1 删血g ) 就绪状态( r e a d y ) 阻塞状态( b l o c k e d ) 3 种状态之间的关系如图2 4 所示。其中进程状态转换的条件与一般操作系 统中的转换条件类似。 图2 - 4 进程状态转换图 ( 2 ) 存储管理。与一般操作系统的存储管理相比，嵌入式操作系统的存储管 理相对简单一些。通用操作系统一般使用虚拟存储，由于虚拟存储经常要对页面 进行换入换出( s w a j p 烈s w a j po u l ) 操作u w ，内存中页命中率和换入换出所 耗费的时间严重破坏了系统的确定性。这种存储机制很难保证系统的实时性。因 此在系统资源非常紧张的嵌入式系统中，一般不采用虚拟存储管理，而采用动态 内存管理方式。 ( 3 ) 各种资源管理。在嵌入式系统中，除了中央处理器之外，还有许多外围 设备，如输入输出设备、通信接口、各种控制器等，操作系统必须提供这些设 备的驱动程序，对这些资源进行有效的管理，以方便用户和应用程序使用。对于 应用程序而言，它不需要知道这些设备驱动实现的细节，只需按照操作系统提供 的接口来对设备进行操作即可。 ( 4 ) 中断管理。嵌入式操作系统和通用操作系统一样，一般使用中断方式来 处理外部事件和i o 请求。中断管理负责终端的初始化、现场的保存和恢复、中 断栈的嵌套管理等。 目前常见的嵌入式操作系统有u ：w m dr j v c rs y s t e 衄公司的v 则妯r l ( s 和 p s o s 、m i 渊) l ，a r e 公司的o s 9 、m i c f o t 公司的v 】阻 x 、q n xs o f h 阳s y s t c m s 公司的q n x 、r - e d h a t 公司的e c o s 、m i c r o s o f l 公司的w 证d o w sc e 、e m b e d d e d w i i l d o w sx p 、p a l m 公司的p a l mo s 、s d b i 纽公司的e p o c 、嵌入式l i 加x 等。 第二章嵌入式w 曲服务器及其架构 2 3 本论文采用的软硬件平台 本论文采用的硬件平台为优龙公司的艄b o x 开发板套件，软件平台则采 用心l i n u x 操作系统。 2 4 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的定义、分类、特点及基本结构，并重点对嵌入式 w 曲服务器的特点和架构进行了分析。最后介绍了论文所采用的软硬件平台。 1 2 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 第三章嵌入式w e b 服务器硬件平台的构建 选择一个合适的硬件平台对嵌入式系统尤其重要。本论文以应用非常广泛的 s 3 0 4 4 b o x 处理器为核心，构建了适合w 曲服务器开发的硬件平台。本章主要 讨论硬件的组成，也介绍了引导程序b 0 0 t l o a d e r 在硬件平台上的实现。 3 1 硬件总体框图 系统的硬件总体框图如图3 1 所示 图3 1 系统的硬件总体框图 系统大致可以分为5 个部分：处理器模块、存储器模块、网络模块、输入 输出模块、电源和复位调试模块。 3 2s 3 c 4 4 b o x 微处理器概述 目前删芯片已经占有3 2 位微处理器8 0 左右的市场。删公司专注于 设计，而不生产芯片。触m 核以其高性能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和 多供应源的出色结合而著称。枷已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 费等嵌入式解决方案的r l s c 标准1 钉。 本节介绍三星公司基于a r m 7 1 1 ) m i 核的s 3 c 4 4 8 0 x 芯片。 3 2 1s 3 c 年m o x 简介 s a m s 硼g 公司的s 3 c m b o ) 0 2 位s c 处理器为手持设备和一般应用提供了高 性价比和高性能的微控制器解决方案。s 3 c 4 4 b o x 片内集成a r m 7 t d m i 核，采用 0 2 5 u mc m o s 工艺制造，并在删7 t d m i 核基本功能的基础上集成了丰富的外 围功能模块，便于低成本设计嵌入式应用系统1 。s 3 c 4 4 8 0 x 提供以下部件：8 k b c a c h e 、可选内部s 壬乙心五、l c d 控制器、2 个u m 盯、4 个d m a 、系统管理( 芯片 选择逻辑、f p e d o s d r a m 控制器) 、6 个带p w m 的定时器、哟口、r t c 、8 通 道1 0 位a d c 、1 2 c 斤s 总线接口、同步s i o 接口、时钟p l l u 副。s 3 c 4 4 8 0 x 微处理 器体系结构框图如图3 2 所示“。 图3 - 2s 3 0 弛b o x 微处理器体系结构框图 3 2 2s 3 c 4 4 b o x 的特点 s 3 c 4 4 8 0 x 的特性可以归纳如下n 3 1 ： 采用a r m 7 t d m i 内核，i o 电压3 3 v ，内核电压2 5 v ； 内置锁相环( p l l ) ，系统主频最高达6 6 m h z ； 1 4 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 4 种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗； 8 k b 的系统高速缓存( c a c 髓) ，极大地提高了系统运行速度； 支持8 个砸m o r yb 砧暇，最大外部存储空间达2 5 6 m b ，并支持s d 黜蝴； 内置彩色l c d 控制器； 2 路异步串口( u a r t ) ； 7 1 个通用口： 8 通道模以致转换器( a d c ) ； 实时时钟( 1 盯c ) 和看门狗电路( w 盯c h d o g ) 。 3 2 3s 3 c 4 4 b o x 的存储空间划分 s 3 c 4 4 8 0 x 存储控制器能够为外部存储设备提供必要的控制功能。图3 3 为 s 3 c 4 4 8 0 x 复位后的存储器地址分配图。 lj s r a 厄暇脚峨沿洲 佃g c 9 7 ) 一? s r d h 瑶r 脚哪sd ：r 洲s 黼j ( n g c s 劭 j s r o 鞋 置嘲 c n g c s 5 l r 共踟可访 j潲，闻糊 s 只。隧 t n g c s 4 f s r o 佃g c s 3 3 蹰 r _ s r o m 箕曩 r g c s 2 1 j s r o = 奠薯 蚋g c s l j i 瓶僻恃霸设墙日酬疆 s r o 睢 t 粼7b 柚如通髂鼬 i n g e s 田 0 图3 3s 3 c 朋b o x 复位后的存储器地址分配图 从图中可以看出： 特殊功能寄存器位于o ) 【0 1 c 0 0 0 0 0 o x 0 2 0 0 0 0 0 0 的4m b 空间内； b 柚k o b 孤k 5 的起始地址和空间大小都是固定的； b 粕k 6 的起始地址是固定的，空间可配置为2 4 8 1 6 乃2m b b a n k 7 的空间大小和b a n k 6 一样是可变的，也可配置为2 4 8 1 6 3 2m b 。 b 强k 7 的起始地址就是b a n k 6 的结束地址加1 。 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 3 3 硬件开发平台主要电路描述 3 3 1f 1 a s h 、s d r a m 接口电路 n o rf l 柚和s d r a m 的接口电路分别如图3 - 4 、3 5 所示u 利。该电路采用 了a m d 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 1n 0 rf l a s h ，容量为2 m b ；s d r j 蝴采用三星公司 的k 4 s 6 4 1 6 3 2 ，容量为8 m b 。n 0 rf l a s h 和s d ra m 通过数据总线和地址总线接 到s 3 0 辑b o x 。在上一小节中提到s 3 c 4 4 8 0 x 的存储空间分为8 个b 砧呵k ，在本 开发板中，f l a s h 接到b a n k 0 ，所以f l a s h 的地址范围为o x 0 0 0 0 0 0 0 o x o l 位毪 s d r j 蝴接到b a n k 6 ，所以s d 黜撇的地址范围为0 ) 【o c 0 0 0 0 0 0 o x o c 7 伍口。 图3 _ 4 n o r f l 雒h 接口电路 1 6 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 啷 m 鼎 s 能 s c l k 1 善7 1 口帐 ，nscs n 觚 s 1 目s c 3 3 2 串行接口电路 图3 5s d r a m 接口电路 异步串行接口电路如图3 6 所示。开发板上有2 个串口，每个串口都通过通 过m a x 2 3 2 c 芯片完成电平转换。 图3 6 异步串行接口电路 1 7 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 3 3 3 砌 l 8 0 1 9 a s 接口电路 r t l 8 0 1 9 a s 采用1 6 位总线模式，电路如图3 7 所示。图中，r t l 8 0 9 1 a s 是网卡芯片，外围引脚上接2 0 m h z 晶振。网卡输出通过2 0 f 0 0 l n 与i 泓5 接口 相连接，2 0 f 0 0 1 n 是一个隔离变压器，主要作用是将网卡物理层的信号耦合到网 线上去。网卡引脚还接有2 个指示灯d 1 和d 2 以指示网卡的收发状况。 3 4b o o t l o a d e r 介绍 图3 7r 1 l 8 0 1 9 a s 接口电路 3 4 1b 0 0 t l o a d e r 的基本原理 b o o t l o a d e r 是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这一段小程 序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环 境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境n 1 3 。 通常，b 0 0 t l o a d e r 是和硬件密切相关的。因此在嵌入式系统中建立一个通用 1 8 第三章嵌入式w 曲服务器硬件平台的构建 的b 0 0 t l o a d c r 几乎是不可能的。但是我们可以归纳出一些通用的概念和方法以进 行b 0 0 t 工旬a d e r 的设计。在嵌入式系统中，没有b i o s 这样的固件