（教育技术学专业论文）一种基于arm7的嵌入式系统网络通信研究与应用.pdf

由衷耨范大学琰女学往论文 中文撼要 2 0 世纪9 0 年代世界各国政府都相继制定了推进本国教育信息化的方策，将现代 信息鼓术引入到教育领域，实现教育信息资源的舍理配置、歼发和高效利明。教育信 息讫袋瑷出教学资源多媒俸讫、滚源和学习方式的鼹络纯、翔识静菲线住纯、教育过 程智能化等特点。它的实现必须依靠当代信息技术在教育中的应用。嵌入式系统作为 当代最为嚣沿的信感技术之一必将应媚于教育巾。虚拟教室、虚拟实验室、虚i 薹 曼器 等技术将在未来的教育中起到不磁估量的作丽。这些技术的实现都与嵌入威系统网络 化密切相关。而嵌入式系统的网络化应用的一个最基本的技术就是嵌入式的w e b 服务 器。在美国的一些教肖测量机构中已经设计和试用了一些嵌入式在线交露教学网络， 在我函豳内还缺乏这方面的研究。 本文就是在这样的背景下提出的。试图研制出一种低功耗、低成本、功能强、体 积小於嵌入式w e b 暇务器豹硬 孛乎台黉在此平螽上搭建w e b 滕势器软件。 论文共分五章，第一章简述了教育信患佬的概念特征、嵌入式系统静发展以及在 教育信息化背景下嵌入式系统的缴展方向。在技术层面上，教育信息化对嵌入式系统 提出了按入i n t e r n e t 鹃要求。第二章论述了该系统的硬件设诗结构设计。提出了系 统酶熬体结梅，在院较了众多嵌入式徽处理器的基础上，综含考虑性能、稳定性、市 场占肖等因素选择了3 2 位a r m 7 内核的$ 3 c 4 5 1 0 b 。围绕a r m 7 设计了相关的电源电路、 晶振惫爨、复位电黪、f l a s h 存撼器电路、s d r a m 电路、以焱艇接口电蹋，共调试通 过。实验结果证明该系统具有低功耗、低成本、功能强大酶特点，充分利用了s 3 c 4 5 1 0 b 芯片提供的资源，并且满足了嵌入式w e b 服务器的需求。硬件平台上要有操作系统的 支持，程毙较了强懿几季争最流行鹊嵌入式操终系统之后，蕊三章选择并分掇了嵌入式 实时搡作系统v x w o r k s 的特点、体系结构。介绍了v x w o r k s 鹋集成开发环境t o r n a d o 、 嵌入式系统的宿主机目标机交叉编译方法并成功建立了开发的基本软件环境。第 四章瑟发了嵌入式鬻鹅鞭务器辑溺瓣叛缀支持锈b s p 荠移接嵌入式w e b 缀务器软终。 在嵌入式系统中，所有硬件相荚的函数和文件的集合目q 做b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ) 。它提供了访问所有硬件资源的软件接口。b s p 包括了硬件初始化、中断产 生翻处穗、霹镑管理、本遣窥蕊线存旗空阕豹获魅，存镄空粒犬枣等等。掰以在齐发 基于v x w o r k s 的应用程序时必须兜_ 开发b s p ，通过修改w i n dr i v e r 公司撼供的板级支 由寒耀范大学硕士学位论文 持包w r s b c h r m 7 ，成功开发出本系统所需的b s p ，实现了寓时嵌入式操作系统v x w o r k s 在戳a r m 7 为竣心静疆l 孛平台上鹣移植。之纛将毽兹最为先逡、功魏强大豹开敖源代 码的嵌入式w e b 服务器软件g o a h e a dw e b s e r v e r 移植到该系统的软件平台上。第五章 综述了该论文的主疆工作，指出了论文的突出点和不足之处并展望了朱来工作的方 蠢。 雄论文的研究开发工作是农实践基础上毙成的，对以a r m 7 t d m i 核心的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片嵌入式硬件系统进行了比较全面的研究，通过调试该硬件系统运行难常，在此基 硪上藏凌戆嵌入v x w o r k s 操终繁绞，系统运转正鬻，势在该系统上实臻了褒入式w e b 服务器，使得嵌入式系统成功按入i n t e r n e t 。在此基础上的各种各样的软件开发和使 用都变的更加方便烫活。通过使用通用的浏腻器，用户可以随时随地访问嵌入式w e b 骚务嚣，维护嵌入式没备，绘系统豹镬臻搀参芝了援大懿方麓，逮虱了颈鞠瓣效采。 中文袋键词：教育储息化；嵌入忒系统；y x w o r k s ；b s p ；w e b 服务器 分擞号：g 4 3 4 i i 壅象拜范大学臻士学位论文 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o f e m b e d d e ds y s t e mn e t w o r k i n gc o m m u n i c a t i o nb a s e do na l 斟1 7 a b s t r a c t m a n yg o v e r n m e n t so f t h ew o r l dh a dd e v e l o p e dap r o g r a mt op r o m o t en a t i o n a l e d u c a t i o n a li n f o r m a t i o n a l i z i n gi n1 9 9 0 s i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e dt ot h ef i e l d o fe d u c a t i o nt or e a l i z et h er a t i o n a la l l o e a t i o no ft h ee d u c a t i o n a li n f o r m a t i o nr c s o u l c e s ， d e v e l o pa n d 毯或一e f f i c i e n t u s e 。e d u c a t i o n a li n f o m m t i o n a l i z i n gd e m o n s t r a t e st h e c h a r a c t e r i s t i c ss u c h 硅sm u l t i m e d i at e a c h i n gr e s o u r c e s ，n e t w o r k i n gt e a c h i n gr 船o u r c e sa n d l e a r n i n gm e t h o d s ，n o n l i n e a rk n o w l e d g e ，i n t e l l i g e n to ft h ee d u c a t i o n a lp r o c e s s i tm u s tb e a c h i e v e dr e l f i n go nt h ec o n t e m p o r a r ya p p l i c a t i o no fi ti ne d u c a t i o n a st h em o s ta d v a n c e d t e c h n o l o g yo ft h ec o n t e m p o r a r ye r a ，e m b e d d e ds y s t e m sw i l lb ea p p l i e dt ot h ef i e l do f e d u c a t i o n v i r t u a lc l a s s r o o m s ，v i r t u a ll a b o r a t o r i e s ，v i r t u a li n s t r u m e n t sa n do t h e r t e c h n o l o g i e sw i l lp l a ya ni n v a l u a b l er o l ei nt h ef u t u r ee d u c a t i o n t h er e a l i z a t i o no ft h e s e t e c h n o l o g i e sh a v ec l o s e l y 糟】越e dw i t he m b e d d e ds y s t e mi n t e r - c o n n e c t e d t h em o s tb a s i c t e c h n o l o g yo f t h ee m b e d d e ds y s t e mi n t e r - c o n n e c t e di sa ne m b e d d e dw e bs e w e r an u m b e r o fe d u c a t i o n a li n s t i t u t i o n si nt h eu n i t e ds t a t e sh a v ed e s i g n e da n dt e s t e dt ou s ee m b e d d e d o n l i n et e a c h i n gn e t w o r kb u ti ts t i l ll a c kt h er e l a t e dr e s e a r c hi nc h i n a t h i st h e w si sj u s td e s i g n e di ns u c hb a c k g r o u n d ，t r y i n gt od e v e l o pal o w - c o n s u m p t i o n ， l o w c o s t ，f u n c t i o n a lm a t u r i t y , s m a l ls i z ee m b e d d e dw e bs e w e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r n l t h et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s i nc h a p t e ro n ew eo u t l i n et h ec o n c e p to f e d u c a t i o n a li n f o r m a f i o n a l i z i n g , e m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p m e n ta n di t sd e v e l o p m e n t d i r e c t i o ni nt h ec o n t e x to fe d u c a t i o n a li n f o r m a t i o n a l i z i n g a tt h et e c h n i c a ll e v e l ，t h e e m b e d d e ds y s t e mn e e d st ob ei n t e r - c o n n e c t e di n t oi n t e m e t t nc h a p t e rt w ow eh a v e e x p o u n d e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e ma n dp r o p o s e dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h e s y s t e m a f t e rc o m p a r e dn u m e r o u se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so f p e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y , m a r k e to c c u p yw ec h o o s et h e $ 3 c 4 5 1 0 bo f a r m 7c o r e w ed e s i g n t h er e l e v a n tp o w e rc i r c u i t , c r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t , r e s e tc i r c u i t , f l a s hm e m o r y , s d r a m i n t e r f a c ec i r c u i ta n de t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i ta r o u n dt h et h e m eo fe m b e d d e dw e bs e r v e ro f a r m 7c o r ea n dd e b u g g i n gt h r o u g h t h er e s u l to fe x p e r i m e n tp r e v e st h a tt h i ss y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t , p o w e r f u la n di th a sf u l l ye x p l o i t e dt h e r e s o u r c e so f f e r e db ys 3 c 4 5 t 0 bc h i pa n dh a sm e te m b e d d e dw e bs e r v e r ) sd e m a n d s t h e r e s h o u l db es u p p o r to f t h eo p e r a t i n gs y s t e mo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m a f t e rc o m p a r e ds e v e r a l i l l 山东师范大学硕士学位论文 k i n d so fm o s tp o p u l a re m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sa tp r e s e n t ，i nc h a p t e rt h r e ew ec h o o s e a n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds y s t e ms t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mv x w o r k s w ei n t r o d u c et h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt o m a d oo f v x w o r k s ，t h ec r o s sc o m p i l em e t h o do fh o s t t a r g e to ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n ds u c c e e d e d i ns e t t i n gu pt h eb a s i cs o r w a r ee n v i r o n m e n t i nc h a p t e rf o u rw ed e v e b pe m b e d d e dw e b s e r v e r sb o a r ds u p p o r tp a c k a g eb s pa n dm i g r a t ee m b e d d e dw e bs e r v e rs o t g t w a r e i nt h e e m b e d d e ds y s t e m ，a l lh a r d w a r er e l e v a n tf u n c t i o n sa n ds e t so ft h ef i l ea r en a m e db s p 0 3 0 a r ds u p p o r tp a c k a g e ) i th a so f f e r e dt h es o f t w a r ei n t e r f a c ew h i c hv i s i t sa l lh a r d w a r e r e s o u r c e s 。b s pi n c l u d e st h eh a r d w a r ei n i t i a l i z e s ，i n t e r r u p tp r o d u c i n ga n dd e a l i n gw i t h ， c l o c km a n a g e m e n t ，l o c a la n db u sm e m o r y si m a g e ，s i z eo fm e m o r y , e t c s ow em u s t d e v e l o pb s p f n s tw h i t ed e v e l o p i n gt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do nv x w o r k s t h r o u g h r e v i s ew r s b c a r r n 7o f f e r e db yw i n dr i v e rc o m p a n yw cs u c c e e di nd e v e l o p i n gt h eb s pt h a t s y s t e mn e e d s ，h a v er e a l i z e dt h er e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k sm i g r a t i o n o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mt a k i n ga r m 7a st h ec o r e l a t e rw em i g r a t et h em o s ta d v a n c e d m o s tp o w e r f u lo p e n i n gs o u r c ec o d ee m b e d d e ds o t t w a r eg o a h e a dw e bs e r v e rt dt h e s o f t w a r ep l a t f o r mo ft h i ss y s t e m i nc h a p t e rf i v ew es u m m a r i z et h em a i n l yw o r ko ft h e t h e s i s ，p o i n t e do u tt h es t r o n ga n dw e a kp o i n ta n dl o o kf o r w a r dt ot h ef u t u r ed i r e c t i o n ， t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i st h e s i si sf i n i s h e do nt h eb a s i so fp r a c t i s i n g i f u r t h e ri n v e s t i g a t ea r m 7 1 1 d m ic o r es 3 c 4 5 1 0 bc h i p 。se m b e d d e dh a r d w a r es y s t e ma n d m a k ei tr u un o r m a l l yt h r o u g hd e b u g g i n gt h i sh a r d w a r es y s t e m a f t e rt h a t ，is u c c e e di n m i g r a t i n go p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k sa n dt h es y s t e mo p e r a t e sn o r m a l l y w eh a v er e a l i z e d e m b e d d e dw e bs e r v e ri nt h i ss y s t e m ，m a d et h ee m b e d d e ds y s t e ms u c c e e di nc o n n e c t i n g i n t e r a c t t h a tv a r i o u ss o a r ed e v e l o p m e n ta n du s i n go nt h i sb a s i sb e c o m e1 1 1 o r e c o n v e n i e n ta n df l e x i b l e b yu s i n gt h ec o m m o nb r o w s e r , u s e r sc a nv i s i te m b e d d e dw e b s e r v e rw h e n e v e ra n dw h e r e v e rp o s s i b l e ，m a i n t a i nt h ee m b e d d e dd e v i c e s i th a sp r o v i d e d g r e a tc o n v e n i e n c ef o ru s e ra n dh a sr e a c h e dt h ea n t i c i p a t e dr e s u l t k e y w o r d s ：e d u c a t i o n a li n f o r m a t i o n a l i z i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，v x w o r k s ，b s p , w e bs e r v e r c a t e g o r yn u m b e r ：g 4 3 4 独创声明 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及取得的研究 成果。据我所知，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( 注：如没有其他需要 特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位绒证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名 歹影江 导师签字：垆院盛 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权 生盐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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权 书) 靴敝储戤：玑良 签字目期：2 0 0 年牛角爿日 导师擗于隍武 签字日期：2 0 06 年伊叫日 疽l 东师范大学繇士学位论文 1 。1 。1 教育信息化豹概念 第一章前言 1 教育信怠佗 教育信息化的概念是在2 0 世纪9 0 年代伴随着信息高速公路的兴建而提出来的。 髓飚，世界各国政府相继制定了推进本国教育信息化的方案。 教育信崽纯( e d u c a t i o n a li n f o r m a t i o n a l i z i n g ) 是社会信息纯静一个重要维成鄢 分，怒指将现代信息技术( 计算机、多媒体、网络、通信等技术) 引人剥教育领域，实 现教静信息资源的合理配置、拜发和高效利用，以及在教商领域实现信息社会所特有 的薰簧缝缓和管爨方式翡一系弼过程“瑚。它毽括西方露黪含义： ( 1 ) 信息资源艇教育信息化的核心； ( 2 ) 信息技术豹广泛应用是教育信息化的警段； ( 3 ) 信患网络怒大范围有效传递信惠的蘩磷； ( 4 ) 信息化作为一个社会过程，必将受到人们在观念、理想、社会组织结构等多 方嚣灏素豹影响和制约，因此，教育信惠纯墩有与之对应瓣保障机制。 1 1 2 教育信息化的特征 教学蓓悫证耱统教弯戆嚣麓邃另l 在予意楚夔效采建捋囱、羧多攥髂为芏具、戮 学习艇助为方式、以理解和解决问题作为重点的持续的终身学习。教育信息化具有以 下特征： 1 ) 教学瓷深多爨薅纯。| 3 囊蛰多媒俸技零，特鬟是怒媛体接黍广泛藏蠲予教弯领 域，致使越来越多的教材和工其书由原来的单一的文本表现形式转变为包含文字、图 像、声音等多种形式的多媒体信息。 ( 2 ) 资源帮学霹方式静蜀终纯。戳茬天销获数9 羲谖受要l 貔整霹空隈巷l ，i n t e r n e t 的出现及广泛应用，克服了这种局限性，使黛世界的教育资源连成一个信息海洋，提 供给用户类型多样的信息。此外，人们受教育的方式多种多样，尤其是廉拟教室、虚 藩实验室、霆援较麓、寝羧学柱、教育瓣蘩、远程教育等熬楚疆着网络静窭瑷舔凄凌 的新的学习方式。 山东师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 知识的非线性化。数字化储息的组织方式打破了传统的线性框掇，在电子课 零释秘主教材孛，知谈篱豹联结不褥是线整懿，藤是霹获懿、发鼗往懿、投瑗戆，爵 以有多种组合和检索方式，它是一个园人施教的系统，照顾潜每一个学习者的需求， 体现了罄于社会主体需要的要求。 ( 教育过翟餐麓佳。传统教旁逶零是教薅传授学釜荣l | 5 c 静擎蠢知罄 健输过程， 而信息社会的教育魑一种智能化激育，体现了交互性，能实现人机之间的双向沟通和 人人之闻的远距离交豆学习，促进教师与学生、学生与学生、学生与其他人之间的多 向交、瀛。 ( 5 ) 教学管理自动化。利用计算机管理教学系统实现了教学管理自动化。在网络 上建立魄子档案是种新兴的方式，包含学生是份信息、活动记录、评价信息、电子 作品镣。稠用亳予秽案霹鞋支持教学评价豹改孳，实瑶匿淹学习过程豹译徐。 ( 6 ) 教育用户导向化。教育信息化以用户需求为导向，激育资源的缀织方式、提 供方式、管理方式郝充分体现用户母向原则，并随着用户需求艴变化面发艘变化，并 最终敝饺精户全舔、准确、便捷溅获取知识信惑为番标。“”联” 教肖信息化的宓现必须依靠肖代信息技术程教育中的应用。嵌入式系统作为当代 最为蓠沿的信息技术之必将应腰子教育中，荧国的一些教肖测量机构中融经设计和 试瘸了些嵌入式奁绫交互式教学瓣络，在我瓣鬣内还缺乏这方面翡研究，伊随着我 国经济的发展，教育投入的增加，敬育信息化纵深，嵌入式系统将广泛应用于我国的 教育事渡中，这将鸯测手实现我麟教育的跨越式发展。 1 2 嵌入式系统 。2 。1 嵌入式系绕的定义 嵌入武系统是一个全新的概念，目前没有统一的定义。根据i e e e ( 国际电子和电 气工稔9 攀协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、艇视或者辅助设备和车间逡行的装置” ( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ， m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。1 这主要是从应用上加以定义，可见嵌入式系统是软件和硬 件的综合髂，两且包括机械等附鼹装置。目前戮内比较认网黔定义是以应用为中心， 戬诗髯桃按术为基础，并且软硬l 牛可裁剪， 体积、功耗有严格要求的专用计辣机系统。 2 适瘸子应用系统对功能、可靠设、成本、 可见，嵌入式系统是面向应用的，只有与 蠢东螽葱夭拳联圭学位论文 实际系统相联系，才能发挥其潜力。 嵌入式系统程度瘸数量上逡送超过了各秘邋耀诗算扭，一台通翔计嚣掘豹外部设 备中就包含了5 1 0 个嵌入式徽处理器，键懿、鼠标、软鞭、硬盘、显示卡、显示器、 网卡、m o d e m 、声卡、打印机、捆描仪、u s b 鬃线器等均悬幽嵌入式处理器控制的。 嵌入式系统没缝广泛应用予社会生活的务拿领壤，凡警骚有静电器设备，如掌上 p d a 、移动计算设备、电视枫顶愈、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、 家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、融动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、 工娩舞动纯投表笃隧疗搜嚣等，走不弱嵌入戎装寒毒着密甥豹关系。教囊蠢监终莠袈 种咆瓣设备和实验设备的重要应用行业，与嵌入式技术的荧系显得尤为紧密。 1 。2 。2 嵌入式系统的发展釉两种应用模式 ( 1 ) 始于微型机时代的嵌入式殿用 电子数字计算机诞生于t 9 4 6 年，在其聪漫长的历史进程中，计算机始终是供养 在特殊的梳房中，嶷现数值计冀黥大壅磊责设备。壹至l2 0 键纪7 0 年代，徽整理器瓣 出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价 廉、巍可靠性特点，迅速走出机房；基于高遽数值计算能力的微型机，袈现出的智能 纯承警g l 起控靠专妲久士酶兴怒，要求将徽熬计算租嵌入捌令对象体系中，实瑷对 象体系的智能化控制。例如将微型计算机经电气加固、机械加固，并配备各种外围设 备接懿邀路，安装瓣大型规船中构成自动驾驶仪或轮机状态靛控系统。i 采样计算机就 失去了原来舔形态每运尾的计算枫功能。 为了区别原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控 制的计算机，称作嵌入式计算极系统。因此嵌入式系统涎嫩予微型机时代，嵌入式系 统的嵌入性本震怒将个计算褫嵌入到对象体系中。由予嵌入式系统要嵌入至对象体 系中，实现的是对藩的智能化控制，因此，它具有与通用计算机系统完企不同的技术 要求秘技末发震方浅。通愚诗黪糖系统靛技术鬃求是高速、海量豹数攒计算，技术发 展方向是总线速魔的无限提舞，存储容量的秃陵扩大。丽嵌入式系统的鼗求廷4 是对象 的智能化控制能力，技术发展方向是对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与可靠 槛。 ( 2 ) 翠片杌开创了嵌入式系统独盛发展的道路 嵌入式系统照然起源于微缎计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠 3 山东师范大学硕士学位论文 性等都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，嵌入式系统走上了独立发展的芯片 化道路。将计算机做在一个芯片上，开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 在探索单片机发展道路上有两种模式，即“模式”与“创新模式”。”“模式” 本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁减 后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；“创新模式”则完全按嵌入式应用要 求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、 管理模式等。i n t e l 公司的m c s - 4 8 、m c s - 5 1 就是按照创新模式发展起来的单片形态的 嵌入式系统。 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶段。 s c m 即单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求最佳的 单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。m c u 即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶 段，主要的技术方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路 和接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关。专 用单片机的发展自然形成了片上系统s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) 化趋势。 ( 3 ) 客观存在的两种应用模式 嵌入式计算机系统起源于微型机时代，但很快就进入到独立发展的单片机时代。 在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术 应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有进入单片 机应用领域。因此，电子技术工程师以自己习惯的电子技术应用模式，从事单片机的 应用开发。这种应用模式最重要的特点是：软硬件的底层性和随意性：对象系统专业 技术的密切相关性；缺少计算机工程设计方法。 虽然在单片机时代，计算机专业淡出了嵌入式系统领域，但随着后p c 时代的到 来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软硬件技术有了很大的提升，为计 算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔的天地。形成了计算机应用模式，即基 于嵌入式系统软硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。 1 2 3 嵌入式系统的分类“ ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 4 山东师范大学硕士学位论文 从硬件方面讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分。根 据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 图卜1 嵌入式处理器分类 ( 2 ) 嵌入式系统的软件 软件方面，主要依据操作系统的类型划分为两大类：实时系统和分时系统。 其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。 图卜2 嵌入式系统分类 实时嵌入式系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其 最大的特征就是程序执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能 实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，该系统被称为硬实时系统。而在软实 时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。比如w i n d o w s c e 2 0 就是一个多任务分时系统，而g x w o r k s 则是典型的实时操作系统。在实际设计中我们 可以根据不同的需求做出选择，在本论文的设计我们选择了实时嵌入式操作系统 v x w o r k s 。 盘客舜范大学硬士举位论文 1 2 4 几种嵌入式系统的比较 目前市场上流行的，使用最多的嵌入式系统产品包括膏：v x w o r k s ，w i n d o w sc e ， w i n d o w sn te m b e d d e d4 0 ，l y n x ，n e c l e u s ，q u a n t u m ns o f t w a r es y s t e m 公司的q n x ，3 t o m 公司豹p a t e no s ，m i c r o w a r e 公司豹d a v i d 和0 s - 9 1i s l ( i n t e s i a t e ds y s t e m si n c ) 公司的o s e k w o r k s 和p s o s y s t e m 等。粥。瑚 ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 是w i n dr i v e r 公司秀发磷裁豹一糖麓挫麓豹嵌入式实对攥终系统。它包 括了搽作系统本身和其集成开发环境t o r n a d o 。v x w o r k s 以其优良的可靠雠、开放性、 实时 生和易用性赢褥了大量客户。v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市 场占鸯攀竣意麴系绞。它支持多移处理爨，热a 黼x 8 6 ，i 9 6 0 + s u ns p a r c ，m o t o r o l a m c 6 8 x x x ，m i p se x 0 0 0 ，p o w e rp c 等等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。 ( 2 ) w i n d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、究整优先权、 多任务的操作系统。它的模块化设计使得它能够对从掌上电脑用户到专用的工业控制 器夔爰户瓣电予莰套避 亍量身定铡。操终系统熬基零蠹接嚣要至少2 0 0 k 憨r o m 。 ( 3 ) p s o s i s l 公司已经被w i n dr i v e r 公司兼并，现在p s o s 属于w i n dr i v e r 公司的产品。 这令系绫是一令搂块豫、毫蛙麓豹实辩搡箨系统，专为嵌入戴缓整理器竣诗，提珙一 个完全多任务环境，在定制的或怒商业化的硬l 牛上提供高憔徽和高可靠性。开发者可 以根掰操作系统的功能和内存需求定制每一个应用所需的系统。利用它来窝现从简单 戆单令独立设备囊笺杂熬、掰终纯豹多处理嚣系缆。 ( 4 ) q n x q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循p o s i x 相关标准，如：p o s i x 1 b 实瓣犷浸。它舞供了一个穰毒熬徽悫孩戮及整胃选戆瑟会逡程。其蠹竣仅提供4 种服务：进程调度、进程问通信、底层网络通镣和中断处理，其进程在独立的地址空 间运彳亍。所有其它o s 服务，都是实现协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大绞蕊1 2 k b ) 霖虽运器速度稷获。这令灵活熬绥鹞胃班捷惹户攘据实舔戆嚣袋，姆系 统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 6 山东师范大学硕士学位论文 ( 5 ) p a l mo s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它提供开放的操作系统 应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 ( 6 ) o s 一9 m i c r o w a v e 的0 s - 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应用于 高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪器、数字电 视多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式系统相比，它的 灵活性和可升级性非常突出。 ( 7 ) l y n x o s l y n xr e a l t i m es y s t e m s 的l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时 操作系统，它遵循p o s i x 1 a ，p o s i x 1 b 和p o s i xl c 标准。l y n x o s 支持线程概念，提 供2 5 6 个全局用户线程优先级：提供一些传统的、非实时系统的服务特征；包括基于 调用需求的虚拟内存，一个基于m o t i f 的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统 以及应用开发工具。 1 3 教育信息化对嵌入式系统提出的要求 1 3 1 嵌入式系统的应用现状及发展趋势 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。从某种意义上来说，通用计算机 行业的技术是垄断的。占整个计算机行业9 0 的产业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结 构，芯片基本上出自i n t e l 、a m d 、c y r i x 等几家公司。在几乎每台计算机必备的操作 系统和文字处理器方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还 可以搭配其它应用程序。因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由 w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l 年代初建立的联盟) 垄断的工业“。嵌入式系统则不同， 它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系 统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了 不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必 然是高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会 上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展， 这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心 山东师范大学硕士学位论文 的芯片设计和面向应用的软件产品开发。 随着二十一世纪的来临，全球化的趋势越来越明显，i n t e r n e t 作为获取信息的便 捷手段己逐渐被人们所共识。另外，未来i n t e r n e t 接入设备将呈现多元化的特征， 因此嵌入式操作系统作为嵌入式i n t e r n e t 接入设备的灵魂必然向完善的i n t e r n e t 支 持方向发展，并随着i n t e r n e t 的发展而发展。 近几年来，无线互联已成为发展的主流，全球知名厂商纷纷推出自己的无线互联 的解决方案。“ 1 3 2 教育信息化中嵌入式系统的新任务嵌入式w e b 服务器 连入互联网的嵌入式系统的出现，将给地球披上“电子皮肤”，包括美国贝尔实 验室总裁a r u nn e t r a v a l i 在内的一批科学家对此做出了预测：在这阶段将会产生比p c 时代多成百上千倍的嵌入式服务器和超级嵌入式服务器，这些嵌入式服务器将与这个 世界上你能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 网自动地、实时 地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象。由此可见，如何设计和制造嵌入式 w e b 服务器己成为嵌入式i n t e r n e t 时代的关键和核心技术。2 3 m ” 在教育信息化环境中，教育资源的多媒体化、学习方式网络化、知识非线形化、 教育过程智能化、教学管理自动化等特征都要求有一种新的技术的出现嵌入式 w e b 服务器。 嵌入式w e b 服务器技术的实现可以很好的为教育信息化服务，但目前在教育行业 中由于资金短缺、技术力量不足等因素，一直没有设计出一种好的嵌入式w e b 服务器。 因此本论文试图设计出一种基于a r m 微处理器的嵌入式w e b 服务器来满足教育信息化 对嵌入式技术提出的需求。 山东师范大学硕士学位论文 第二章嵌入式w e b 服务器的硬件结构设计 2 1 嵌入式w e b 服务器的系统结构 嵌入式w e b 服务器的硬件结构如图2 - 1 所示，由a r m 处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 和网络芯片 r t l 8 2 0 1 构成。当用户通过网络访问嵌入式服务器时，微处理器将分析接收到的请求 信息，将储存在r a m 中的信息以网页的形式发送给用户，同时将用户设定的信息存储 到r a m 中。网络通信物理帧的发送、接收由r t l 8 2 0 1 完成，a r m 处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 完成 嵌入式t c p i p 协