（控制理论与控制工程专业论文）基于uclinux嵌入式网络打印机服务器的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着数字信息技术和网络技术的发展，嵌入式系统已经成为计算机领域的一个重要 组成部分。打印技术的不断成熟，使输出分布化，即利用互联网进行分布式打印输出， 逐渐成为打印设备的一个重要发展方向。针对目前普遍使用不具备网络模块的打印机， 不得不外置本地计算机作为网络打印服务器进行网络打印作业的情况，为了充分利用现 有打印设备资源，实现网络资源的共享，论文在研究了嵌入式技术、u c l i n u x 操作系统、 u s b 通信技术、网络通信技术以及文件处理技术的基础上，以s 3 c a 5 1 0 b 处理器为核心 部件，基于u c l i n u x 嵌入式操作系统的运行环境，设计开发一种支持u s b 通信标准的嵌 入式外置网络打印机服务器。 针对打印流程中存在文件处理占用资源较大的问题，根据a r m 7 开发系统作为网络 打印机服务器的具体情况，分析了硬件平台提供的存储空间、处理速度等相关资源存在 欠缺的问题，提出采用客户端服务器网络打印服务结构，将打印文件处理移植到客户端， 利用内核裁减对服务器实施瘦化的设计方案。以$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心部件的a x 4 5 1 0 开发 系统组建网络打印机服务器硬件开发平台，并扩展u s b 主控芯片接口。在u c l i n u x 环境 下构建网络打印机服务器软件平台，设计了网络通信模块、打印管理模块和u s b 驱动 模块。在客户端运用j a v a 语言设计支持p c l 5 打印控制语言的文件处理模块，并提供打 印信息的人机交互操作。 测试证明，嵌入式网络打印机服务器的运行达到了支持多用户网络打印业务的设计 要求，使打印设备通过网络资源共享得到有效的利用。 关键词：嵌入式系统；打印机服务器；u c l i n u x ；网络通信；文件处理 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fe m b e d d e dn e t w o r kp r i n ts e r v e rb a s e do nu c l i n u x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h e e m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yf i e l d 1 1 1 e i m p r o v e m e n to fp f i n tt e c h n o l o g ym a k e s t h ed i s t r i b u t e d o u t p u t i ni n t e m e tb e c o m ea n i m p o r t a n ta s p e c to f t h ep n n td e v i c ed e v e l o p m e n t a i m i n ga tt h a tt h ep r i n t e rn o r m a l l yu s e di s n o te q u i p p e dw i t hn e t w o r km o d u l ea n dh a st ou s eac o m p u t e rt ow o r ka st h ep r i n ts e r v e r a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e m ，u s bc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n df i l ec o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd e s i g n sa ne m b e d d e d p r i n ts f f l v o rt om a k et h ep r i n t e rs o u r c eb eu s e de f f e c t i v e l ya n dt or e a l i z et h es h a r eo ft h en e t r e s o u r c e n es e l v e rb a s e do nt h e $ 3 c 4 5 1 0 bp r o c e s s o rw o r k si nt h eu c l i n u xo p e r a t i o n s y s t e ma n ds u p p o r t st h eu s bc o m m u n i c a t i o n a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tf i l ec o n v e r s i o nc o n s u m e sag r e a td e a lo fs y s t e mr e s o l n c e ， t h i sp a p e ra n a l y s e st h eq u e s t i o na b o u tt h em e m o r ya n dt h ep r o c e s ss p e e dp r o v i d eb yt h e h a r d w a r eu n d e rt h ec o n d i t i o no fn e t w o r kp r i n ts c l v e i w h i e hi sc o n s i s to fa r m d e v e l o p m e n t s y s t e m 1 1 l i sp a p e ra d o p t st h ec l i e n t s e r v e rp r i n ts e 盯c o n s t r u c t i o n , a d j 璐t st h e 两mf l o wb y d i s p o s i n gt h ef i l ec o n v e r s i o nm o d u l ei nc l i e n ta n dc o n f i g u r e st h ek e r n e lt om a k et h es e m v c r s l i g h t e r n eh a r d w a r ep l a t f o r mi sb a s e do na x 4 5 1 0e m b e d d e ds y s t e ma d o p t i n gs 3 c 4 5 1 0 b a si t sc o mc o m p o n e n ta n dt h ee x t e n d e du s bh o s tp o r t t b i sd e s i g nc o n s t r u c t san e t w o r k p r i n t s e r v e rp l a t f o r mb a s c do nu c l i n u xa n dr e a l i z e st h ef u n c t i o nm o d u l es u c ha sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n , p r i n tm a n a g e ra n du s bd e v i c ed r i v e r i nt h ec l i e n t , t h es e r v i c ef i l l f i l l saf i l e c o n v e r s i o nm o d u l es u p p o r t i n gp c l 5a n dm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nm a n a g e m e n t 1 1 坞t e s ts h o w st h a tt h ed e s i g no fe m b e d d e dn e t w o r kp r i n ts e r v e ra c h i e v e st h e a n t i c i p a t i v ep u r p o s eo fs u p p o r t i n gn e t w o r kp r i n t n ed e v i c es h a r i n gi ni n t e m e tm a k e st h e p r i n t e rw o r ke f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；p r i n ts e r v e r ；u c l i n u x ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ；f i l e c o n v e r s i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 璺逸 日期：迦星：l 基 人连理 ：人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：蔑逸 翩虢垡坠 垃呈年l 月曼日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着i n t e r n e t 的发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统成为当前r r 产业的焦点之一， 呈现了巨大的市场需求。嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、 汽车电子、医学科技、消费电子、无线通信、电力系统等国民经济的主要行业。近年来 打印技术的日趋成熟，打印设备的发展将呈输出分布化、功能聚合化、角色商务化、外 型个性化的趋势。随着计算机网络的普及，输出分布化，即利用互联网，扩大分布式打 印输出，已成为打印设备的一个重要的发展方向。相对于单机打印，网络打印机有着可 以降低打印费用，突破地域限制的特点。相对于使用常规的计算机控制的网络打印机， 使用嵌入式系统控制的网络打印机，可以减少空间和设备的占用，具有配置灵活、扩展 性强、维护方便、节省空间等特点。 u c l i n u x 是嵌入式l i n u x 中具有代表性的一种，是专为无内存管理单元m m u 的微 处理器打造的嵌入式l i n u x 操作系统。u c l i n u x 沿袭了主流l i n u x 绝大部分特性，缩减了 代码并保留了l i n u x 良好的稳定性、优秀的网络能力、完备的对各种文件系统的支持以 及丰富的a p i 等优点。应用证明，它的实用性、经济性都显示它强大的优越性。在研究 了嵌入式技术和u c l i n u x 操作系统的相关技术的基础上，设计了以$ 3 c 4 5 1 0 b 为硬件平 台，基于u c l i n u x 操作系统并支持u s b 通信接口的嵌入式外置网络打印机服务器。 论文研究内容从结构上划分共分五部分： 第1 章阐述了选题背景与意义以及嵌入式系统的发展现状。 第2 章分析了基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器设计中所应用的相关技术，分 析了打印服务的流程、u c l i n u x 操作系统和u s b 通信技术。 第3 章着重阐述基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器开发平台的组建，u c l i n u x 操作系统交叉编译环境的建立和内核的裁剪编译，并介绍了在u c l i n u x 操作系统下应用 程序的开发。 第4 章针对嵌入式系统的特点，提出了基于c s 结构的嵌入式网络打印服务结构。 介绍了嵌入式网络打印机服务器端u s b 驱动模块、网络通信模块和打印管理模块的实 现方法，并介绍了客户端图形化编程、文件处理模块的实现。 第5 章介绍了服务器的测试以及嵌入式打印服务的运行效果。 最后对本文的工作进行了总结和展望，并提出了下一步需要完善的工作。 基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器的设计 1概述 1 1 课题背景与意义 随着数字信息技术和网络技术的普及和发展，嵌入式系统已经成为计算机领域的一 个重要的组成部分，是继网络技术之后，又一新生的技术发展方向。随着人们的计算需 求更为广泛，嵌入式技术的应用形式也越来越多样化。今天的嵌入式系统已普遍应用于 国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通信、电力 系统等国民经济的主要行业。嵌入式系统在中国有巨大的发展潜力和市场需求。 早期的嵌入式系统很多不用操作系统，它们只为了实现某些特定的功能，随着微处 理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可靠的硬件构架；随 着嵌入式系统的功能越来越复杂，硬件功能越来越强大，选择嵌入式操作系统也就势在 必彳亍i ”。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应用的软 件开发。然而商用嵌入式操作系统价格昂贵且源码不公开，让许多的开发商望而却步。 嵌入式l i n u x 由于其继承了l i n u x 操作系统源码开放，强大的功能，良好的稳定性，优 秀的网络功能、图像、文件管理功能，并有大量的并不断增加的开发工具等特点，成为 嵌入式操作系统的主流之一f 2 j 。u c l i n u x 是嵌入式l i n u x 中比较有代表性的一种，是专门 为没有m m u 的微处理器打造的嵌入式l i n u x 操作系统。他延续了主流l i n u x 的绝大部 分优点，稳定性，优秀的网络能力、完备的对各种文件系统的支持以及丰富的a p i 等， 并且为嵌入式系统作了许多的小型化的工作，它通常用于具有很少内存或f l a s h 的嵌入 式系统。在选择支持没有m m u 的c p u 的嵌入式操作系统，u c l i n u x 理所当然的成为了 首选”】。 网络在人们生活中的应用越来越广泛，网络正逐渐用于家用设备和工业设备中f 6 】， 在嵌入式系统中使用网络系统也自然成为项最基本的要求。在嵌入式系统中实现网络 协议栈，对实际应用有着广泛的意义。利用嵌入式系统的网络功能，可以实现家用设备 或工业设备连入互联网，实现网络的远程监控。很多的嵌入式系统中具有强大的网络功 能，如本文选择的u c l i n u x 操作系统配备了完整的t c p i p 协议栈，同时支持大量其他网 络协议，为开发嵌入式互联网设备提供了资源0 1 。 1 2 打印机技术与应用的发展趋势 打印机作为一种文字输出设备已越来越多的被广大用户所接受，普及率也日渐提 高。目前，打印机按照打印方式的不同被分为点阵打印机、喷墨打印机、激光打印机和 大连理工大学硕士学位论文 热敏打印机等。点阵式打印机已经全面退出个人电脑市场，喷墨打印机和激光打印机是 较常见的两种打印机。 喷墨打印机出现于9 0 年代初，它改变了传统针式打印机输出色彩单调的缺陷。随 着喷墨打印技术的不断成熟，喷墨打印机的应用范围也在不断地扩大，除了商务办公和 个人办公外，喷墨打印机开始用于桌面印刷系统、广告设计系统、印刷出版系统以及摄 影绘制等系统领域。 激光打印技术出现在6 0 年代，而在7 0 年代初期真正投入实际应用。伴随着高灵敏 度感光材料的不断出现，以及激光控制技术的不断发展，激光打印技术迅速成熟，并投 入了实际应用中。激光打印机相对于针式打印机来说，质量好、输出速度快，而且没有 噪音。9 0 年代后，激光打印机的打印速度和精度得到迅速提升，惠普的分辨率增强技术 和p c l 打印机语言技术，成为激光打印机的通用标准。 伴随着打印技术的不断成熟，打印机的发展将呈现以下几点趋势： ( 1 ) 输出分布化，即利用互联网，扩大分布式打印输出； ( 2 ) 功能聚合化，即打印机将会把打印功能、复印功能、传真功能以及扫描功能全 部汇聚到单一的多功能输出设备中去，从而能降低输出成本； ( 3 ) 角色商务化，即使用电子转换器，来使纸张作业转变为电子作业，使打印机成 为未来电子商务流程中的一个重要部分； ( 4 ) 外型个性化，随着打印机在产品功能方面的差别越来越小，各打印生产商也将 会把设计重点转移到打印机的外观造型、风格式样的开发设计上来。 随着计算机网络的普及，输出分布化，即利用互联网，扩大分布式打印输出，已成 为打印设备的一个重要的发展方向。打印设备的网络功能需要网络打印服务器实现，根 据实现方式的不同可分为内置和外置打印机服务器。内置打印机服务器打印方式是打印 机内部配有网络打印模块与打印机的网络接口相连，打印任务从网络传给服务器【“ 1 2 j 。 现在普遍使用的还是不具备网络模块的打印机，若要使普通的打印机能够支持网络打 印，则需要外置式网络打印机服务器，解决网络打印业务，实现网络打印资源共享。外 置打印机服务器网络打印常用的有两种方式，一种方式是将局域网中的一台个人电脑 ( p c 机) 作为服务器与打印机相连，和其他客户机形成打印客户端朋艮务器结构的连接方 式；另一种方式是使用独立专用的网络设备与打印机连接，实现打印机的网络实时共享， 供给网络用户使用 1 3 , 1 4 】。 1 3 嵌入式技术发展现状 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体应用相 基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器的设计 结合的产物，这点决定了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。嵌入式系统通常是由硬件和软件两部分组成。其中硬件包括嵌入式处理器、 外围设备等。软件部分包括嵌入式操作系统和应用软件等几部分组成。嵌入式系统的出 现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机通信、消费电子的一体化趋势日益明 显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。 第1 阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示 设备相配合的功能。它应用于一些专业性强的工控系统中，一般没有操作系统的支持， 通过汇编语言编程对系统进行直接控制。主要特点是系统结构和功能单一，处理效率较 低，存储容量较小，几乎没有用户接口。以前在国内工业领域应用较为普遍。 第2 阶段，以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要 特点是c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼 容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第3 阶段，以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是嵌入式操作系统 能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有 高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户 界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ；嵌入式应用软件丰富。 第4 阶段，以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前 大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信 息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的将越来越紧密的结合。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。嵌入式处理器正朝着经济性、微型化、智能化 的方向发展，目前一般将嵌入式处理器分为4 类 1 5 a 6 1 ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t , e m p u ) ，嵌入式微处理器类 似于通用计算机的c p u ，安装于一块母板之上，所有外设都处于芯片之外，芯片内保留 处理器内核和一些必要的存储区。这类处理器主要有a r m ，x 8 6 ，6 8 k 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t , m c u ) ，嵌入式微控制器与嵌入式微处 理器相比而言，嵌入式微控制器将必要的功能模块和外设，例如r o m ，r a m ，u a r t ， a d c ，d a c 和总线等，集成于单片芯片中，可以完成嵌入式微处理器加一些外围电路 所能完成的功能，因而又叫做单片机。内核的微控制器一般拥有多个型号，包含不同的 外设，用来完成不同的功能。 ( 3 ) 嵌入式数字信号处理器( o i g i t a ls i g n a lp r o o e s s o r , d s p ) ，d s p 对处理器的体系结 构进行了改进，以使其更适应快速的数字信号处理运算。大多数d s p 采用了哈佛结构， 将程序和数据存储区分开，以不同的地址数据总线分别对程序和数据进行读取或存储， 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 同时采用一系列措施保证处理速度，如对快速傅立叶变换的专门优化。这类处理器目前 主要有t i 公司的t m s 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，嵌入式片上系统是指利用多方面知识 产权( 口) 将复杂的系统集成到一块芯片上，从而提高系统性能，降低成本，降低功耗， 并减少芯片面积。s o c 按实现技术可分为c s o c ( 可配置s o c ) ，s o p c ( 可编程单片系统) 和a s i cs o c ( 专用集成电路s o c ) 3 类。其他如p s o c ( 混合信号阵列) ，e p g a ( 嵌入式 可编程门阵列) 均可归入s o p c 类。s o c 按指令集来划分，主要有x 8 6 系列、a r m 系 列、m 口s 系列和类指令系列。 嵌入式软件在嵌入式系统设计中占据了重要地位。嵌入式软件可以采用各个架构相 应的汇编语言，也可以用各种高级语言，如c c + j a v a 等来编掣1 “。嵌入式系统的软 件经历了从传统的简单的无操作系统的嵌入式软件系统架构到嵌入式操作系统作为软 件基础平台的软件系统架构的这样一个质的变化。这是由于随着嵌入式系统的越来越复 杂，传统的脱离操作系统的软件设计己经不能满足各个方面的需求，这也就导致了操作 系统的出现。目前，国内外具有代表性的嵌入式操作系统主要有以下几种类型 1 8 , 1 9 ： ( 1 ) v x w o r k s ，v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种 嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，凭借其良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的 用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。v x w o r k s 具有可裁剪微 内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通信；微秒级的中断处理；支持多种物理介 质及标准的，完整的t c p i p 网络协议等。由于它们都是专用操作系统，需要专门的技 术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。 ( 2 ) w i n d o w sc e ，w i n d o w sc e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性。其中w i n c e 3 0 是一种小容量、移动式、智能化、3 2 位的实时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、 无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台。w i n d o w sc e 作 为嵌入式操作系统有很多的缺陷，没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定 制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和w i n d o w s 一样占用过多的系统内存， 应用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。 ( 3 ) u c o s i i ，u c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计 的，可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 。它的特点是公开源代 码，有良好的可移植性和裁减性；采用占先式，多任务处理；函数调用与服务的执行时 间具有可确定性；具有实用性和可靠性。由于u c o s 1 i 仅是一个实时内核，这就意味着 它提供给用户的只是一些a p i 函数接口，还有很多操作需要用户自己去完成。 ( 4 ) 嵌入式l i n u x ，它的最大特点是源代码完全开放并且遵循g p l 协议。l i n u x 的 5 一 基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器的设计 主要特点是开放源代码，不存在黑箱技术；内核小、功能强大、运行稳定、效率高；易 于定制裁减；支持多种c p u ：有大量的并在不断增加的开发工具；可以方便地获得众多 第三方软硬件厂商的支持；内核结构完整，提供了对多种联网方式的全面支持；在图像 处理、文件管理及多任务支持等诸方面也表现出色。在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个 缺点是对l i n u x 体系提供实时性能需要添加实时软件模块。 在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以下几点 趋判2 们3 】： ( 1 ) 强大的开发工具和操作系统的支持。为了满足应用功能的升级，设计师们一方 面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或数字信号处理器d s p 增强处 理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化 应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 ( 2 ) 联网成为必然趋势。为适应嵌入式分布处理结构和网络应用需求，嵌入式系统 要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信 接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持。新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b ( 通 用串行总线) 、c a n ( 控制器局域网络) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 通信接口，同时也需要提供相 应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 ( 3 ) 实现小尺寸、微功耗和低成本。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应 降低处理器的性能，限制内存容量和复用芯片接口，并提高对嵌入式软件设计技术要求。 ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面。人们与信息终端交互要求以g u i ( 图形用户界面) 屏幕为中心的多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、 图像已取得初步成效。目前一些先进的p d a ( 掌上电脑) 在显示屏幕上已实现汉字写入、 短消息语音发布功能。 ( 5 ) 环绕智能a m b i e n ti n t e l l i g e n c e 。指一种嵌入了多种感知和计算设备，并根据上 下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出人的意图，并做出相应反应的具有 适应性的数字环境。它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想的氛围， 完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。 6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 嵌入式网络打印机服务器相关技术 2 1 打印服务流程 为了完成嵌入式网络打印服务，需要了解基于p c 机的打印服务流程 2 4 - 2 6 | 。在l i n u x 操作系统系统中已经具有的打印服务流程十分值得借鉴。打印服务程序的主要功能可分 为打印管理，文件处理和接口驱动三个部分。首先用户进程通过打印服务程序的用户接 口，将打印作业发送到打印缓冲区或者远程缓冲区，服务程序中通过打印管理程序获取 缓冲区数据，调用文件处理程序完成打印作业的格式转换，最后交由打印接口驱动部分， 将数据流传输给打印设备，完成打印作业。基于p c ? 机的打印服务示意图如图2 1 所示。 图2 1 基于p c 机的打印服务 f i g 2 1 t h ep r i n t 删b a s e do np c 作为一个多用户多任务的操作系统，l i n u x 上的所有程序都是基于多任务、多用户 而设计的，打印也不例外。为了让不同的用户、不同的任务在打印的时候不会产生冲突， 就需要一个打印管理程序，这类打印程序很多，从传统的l p d ，到时下非常流行的c u p s ， 它们功能各异，但有一点不变的就是都是用来协调打印任务的。c u p s 的工作方式是通 过命令行接收要打印的文件；通过文件的类型判断是否需要将其转换，如果需要，则调 用相应的应用程序进行转换；通过打印机功能表述文件来判断应使用何种驱动处理此文 件；把文件处理的的结果输出到打印设备上。 在打印设备驱动程序的构成中，文件处理程序负责将打印文档格式转换为适合打印 设备的数据格式，文件处理程序功能的强弱直接影响了驱动程序乃至打印设备的整体性 基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器的设计 能表现。为了增加驱动程序的灵活性，文件处理程序需要支持尽可能多的文档，同时对 复杂文件的处理又需要占用大量的内存资源，这一点对硬件资源有限的嵌入式系统来 说，将增加设计难度。 2 2u c i n u x 在嵌入式系统的应用 在硬件设计中，为了降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中取消了内存 管理单元( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ，m m u ) 功能模块。最初，运行于这类没有m m u 的 c p u 之上的都是一些很简单的单任务操作系统，或者更简单的控制程序。在这种情况下， 系统无法运行复杂的应用程序，而且所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分了解 硬件特性。这些都阻碍了应用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。 随着u c l i n u x 的公布，这一问题得到了解决。u c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来， 专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。u c l i n u x 在标 准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入 式l i n u x ，适用于没有虚拟内存或内存管理单元的处理器，例如a r m 7 t d m i 。 2 2 1 u o i n u x 操作系统架构 u c l i n u x 的基本架构如图2 2 所示【2 7 1 。主要功能模块有启动模块、内核初始化、系 统调用处理、异常处理、文件系统、驱动程序等。 大连理工大学硕士学位论文 启动模块负责系统堆栈的初始化，把压缩的l i n u x 镜像从f l a s h 中解压到r a m 中， 并把控制权交给内核的初始化例程。内核初始化作用是初始化内核的其他部分，包括异 常处理，中断，调度，设备驱动等，并启动“i n i t 进程进入多任务环境。内核执行完“i n i t 程序后，对系统运行不再进行直接控制，而是通过系统调用给应用程序提供服务，通过 异常处理响应外部或内部的中断。文件系统是l i n u x 最重要的特性之一，这种特性使得 l i n u x 很容易地同其他操作系统共存。驱动程序是l i n u x 内核的重要组成部分，它们控 制操作系统和外部设备的交互，l i n u x 的驱动程序是可选的，典型的系统应该包括一个 控制台，一个串口驱动和一个块设备驱动程序。 2 2 2u c ii f l u x 与a r m 7 t d m i a r m 7 t d m i 是一款没有m m u 的微处理器，标准的l i n u x 是无法在这样的处理器 上进行移植。对于u c l i n u x 来说，针对标准l i n u x 的一个非常大的改进就是增加的对没 有m m u 模块的处理器的支持。对于没有m m u 模块的处理器来说，u c l i n u x 将不能使 用处理器的虚拟内存管理技术。这种情况下，u c l i n u x 仍然采用存储器的分页管理，系 统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载，但是由于没有 m m u 模块，所以实际上u c l i n u x 采用实存储器管理策略i 捌。 u c l i n u x 对于内存的访问是直接的，对地址的访问不需要经过m m u ，而是直接送到 地址线上输出。所有程序中访问的地址都是实际的物理地址，而不经过地址变换，由于 缺少m m u ，操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个 进程在执行前，系统必须给进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连 续空间中。此外磁盘交换空间是无法使用的，系统执行时如果缺少内存将无法通过磁盘 交换的到改善。u c l i n u x 对内存的管理功能的减弱，同时也给开发人员提出了更高的要 求。从编译内核开始，开发人员必须了解物理内存，从而系统在启动的初始化阶段对内 存进行分页，并标记已使用和未使用的内存，系统将在运行时使用这些分页内存。 2 2 3u g i f l u x 的小型化方法 作为针对嵌入式系统开发的操作系统，u c l i n u x 采用了在标准的l i n u x 上进行了裁 剪和优化，使其更适合于嵌入式系统的应用，具体的方法如下： ( 1 ) u c l i n u x 的内核加载方式。u c l i n u x 的内核加载有f l a s h 上直接运行和加载到内 存中运行两种可选的运行方式，这种做法可以减少对内存的需要。 ( 2 ) u c l i n u x 的根( r o o t ) 文件系统。u c l i n u x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文件系 统相对于一般的e x t 2 文件系统要求更少的空间。 ( 3 ) 可执行文件格式，u c l i n u x 系统使用的f i a t 可执行文件格，不同于l i n u x 系统所 一9 一 基于u c l i n u x 嵌入式网络打印机服务器的设计 采用的通用文件格式e l f ( e x e c u t i v el i n k e df i l e ) ，是一种简化的e l f 格式，f l a t 文件对文件 头和一些段信息作7 简化。 ( 4 ) u c l i n u x 的应用程序库。u c l i n u x 小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相 对于越来越大且越来越全的g l i b c 库，u c l i b c 对l i b c 做了精简。 ( 5 ) 内核采用模块化的设计，可以采用重新编译系统内核的方法，在编译过程中有 选择的加载嵌入式设备所需要的功能模块，从而缩减资源使用量。 2 3 打印机的u s b 通信 现有的打印机多为u s b 通信接口，为了能够支持尽可能多的打印机，对打印机的 u s b 通信进行了研究。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线是由i n t e l ，n e c ， m i c r o s o f t ，m m 等公司联合提出的一种串行总线标准，主要用于p c 机与外围设备的互 联。在连接上计算机时，计算机会自动识别这些接口设备并且配置适当的驱动程序，实 现了即插即用与热插拔的特性。u s b i 1 接口设备采用1 2 m b p s ( 全速) 和1 5 m b p s ( 低速， 主要用于人机接口) 两种速度，u s b 2 0 最高速度可达到4 8 0 m b p s 且向下兼容u s b l 1 。 2 3 1 u s b 体系结构 一个u s b 系统主要被定义为u s b 的互连、u s b 的设备和u s b 的主机三个部分。 u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作，包括总线的拓扑结构、 内部层次关系、数据流模式和u s b 的调度。u s b 的物理总线拓扑结构如图2 3 所示【2 9 1 。 图2 3u s b 物理总线拓扑结构 f i g 2 3 t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f u s bp h y s i c a lb u s 大连理工大学硕士学位论文 u s b 的总线接口实现了主机和u s b 设备之间的数据传输，在u s b 的总线接口层中， u s b 设备是以层次星形拓扑结构连接至u s b 主控制器的根集线器。主机认为每一个 u s b 逻辑设备的通信是直接连接在根集线器上，u s b 逻辑总线拓扑结构如图2 4 所示。 图2 4u s b 逻辑总线拓扑结构 f i g 2 4t o p o l o g i c a ls g u c t u r eo f u s bl o g i cb u s 在u s b 系统中只有一个主机，u s b 和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制 器可由硬件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多连接点。u s b 标准对具有相似特点提供相似功能的u s b 的设备进行抽象，定义所有的属性和使用的 方法，这些被成为设备类。现有的设备类主要有音频设备类、通信设备类、h i d 设备类、 显示设备类、海量存储设备类、电源设备类、打印设备类、集线器设备类等。所有设备 类都必须支持标准u s b 设备描述符和标准u s b 设备请求，设备类还可以自行定义其专 用的描述符和设备类请求。， 2 3 2u s b 的数据流模型 u s b 提供了在一台主机和若干u s b 设备之间的通信功能。在实现上，具体的功能 实现采用层次结构，使不同层次的实现者只关心u s b 相关层次的特性功能细节，而不 必掌握从硬件结构到软件系统的所有细节，u s b 系统通信流结构如图2 5 所示。 在u s b 系统通信流结构中，u s b 物理设备、客户软件、u s b 系统软件和u s b 主机 控制器四个层次的实现是较为集中的。u s b 物理设备是u s b 上的一种硬件，可运行用 户程序。客户软件是为特定的u s b 设备而在主机上运行的软件，这种软件由u s b 设备 的提供者提供，或由操作系统提供。u s b 系统软件用于在特定的操作系统中支持u s b ， 它由操作系统提供，与具体的u s b 设备无关，也独立于客户软件。u s b 主机控制器完 成总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总和，用于支持u s b 设备通过u s b 连到主 机上。 基于u c l i m l x 嵌入式网络打印机服务器的设计 应用层 u s b 设备层 u s b 总线接口层 _ _ 实际通信流 逻辑通信流 图2 5u s b 系统通信流结构 f i g 2 5 t h es l r u c t u r eo f u s bc o m m u n i c a t i o n 一台主机与一个u s b 设备间的连接是由许多层上的连接组成。u s b 总线接口层提 供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对u s b 系统 软件是可见的，系统软件基于它所在的设备层来完成对设备的一般的u s b 操作。应用 层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。u s b 设备层和应用层的 通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u s b 总线接口层来完成。 数据在主机和设备之间的传输过程，在u s b 总线传输协议中被分成了信号层、协 议层和数据传输层三层。协议中将信号层传输的位信息流称为包，将协议层传输的包信 息流称为事务处理，将数据传输层传输的信息流称为传输。 一个u s b 逻辑设备对u s b 系统来说就是一个端点集合。端点是u s b 设备中的实 际物理单元，u s b 的数据传输就是在主机和u s b 设备各个端点之间进行的。端点可以 根据它们实现的接口来分类。端点的传输特性决定了其与主机通信所采用的传输类型。 利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并和它进行通信。u s b 系统软 件通过一个缺省的控制通道来管理设备。客户软件用通道束管理接口，通道束的一端为 端点，一端为缓冲区。客户软件要求数据通信在主机上的一个缓冲区和u s b 设备上的 一个端点之间进行。主机控制器或u s b 设备将数据打包后在u s b 上传输。由主机控制 器协调何时用总线访问在u s b 上传输数据。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 3 打印机的u s b 数据传输 u s b 通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。在消息通道中传递的数据具有 u s b 定义的格式。u s b 要求任何在通道上传送的数据均被打包，数据的解释工作由客 户软件和应用层软件负责。u s b 提供了多种数据格式，使之尽可能满足客户软件和应用 软件的要求，u s b 定义了控制传输、同步传输、中断传输和批量传输4 种传输方式。控 制传输提供可靠的、非周期性的、由主机软件发起的请求或者回应的传送，通常用于命 令事务和状态事务。同步传输是在主机与设备之间的周期性的、连续的通信，一般用于 传送与时间相关的信息，这种类型保留了将时间概念包含于数据中的能力。中断传输提 供小规模数据的、低速的、固定延迟的传送。批量传输是非周期性的、批量的可靠数据 传送。 打印机和扫描仪类设备属于批量传输。批量传输适用于传输大量的、对传输时间和 传输速率均无要求的数据。当u s b 总线带宽紧张时，会为其他传输类型让出自己所占 用的帧d , 帧时间，而其本身将被延迟，这时批量传输的传输速率很低，占用的时间也很 长；当u s b 总线空闲时，传输时间也很短。另外，它还采用差错控制和重试机制来确 保数据传输的正确性。 基于u c l i n u x 嵌入式网络