（检测技术与自动化装置专业论文）基于uclinux的嵌入式动态web服务器的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，嵌入式系统得到广泛的应用。由 于嵌入式系统具有体积小、功耗低、功能强等特点，目前己经应用于军事国防、 工业控制及智能家电等领域。同时，越来越多的嵌入式设备要求内嵌w e b 服务 器，以便通过i n t e r n e t 网络对它们进行访问，并进行一些控制。如何通过i n t e r n e t 来实现对工业设备或者智能家电的控制成为研究热点在这种情况下，研究并实 现嵌入式w e b 服务器就成为关键。它为管理、控制和监测各种各样的设备提供 了一个很好的途径，在这个背景下，本文对嵌入式w e b 服务器的研究主要在以 下方面： 设计了以三星公司的s 3 c a 4 8 0 微处理器为核心的硬件平台，并辅以基本的 系统外围设备，以太网口控制器、s d r a m 、f l a s h 等搭建了嵌入式w e b 服务 器硬件。 探讨了u c l i n u x 应用于嵌入式系统中的关键技术，包括内核组成、内存管理、 多进程管理、可执行文件格式、内核的加载方式等， 研究了b o o t l o a d e r 体系结构，分析了b o o t l o a d e r 操作模式和s 3 c a 4 8 0 重映 射机制。 完成了嵌入式w e b 服务器的设计与调试。使其支持动态w e b 功能，并阐述 了h t t p 协议、c g i 技术与嵌入式w e b 服务器动态w e b 的关系。 本论文实现了一个嵌入式w e b 服务器的硬软件设计，该系统以b s 网络模 式构建，其核心为s 3 c a 4 b o x ，完成u c l i n u x 的移植，由该操作系统负责任务的 调度和建立b o a 网络服务器该服务器具有成本低、效率高、设计简单、容易升 级的特点，并具有很好的动态w e b 页面功能。在嵌入式系统研究领域，有较高 的实践和研究价值，值得推广最后针对所作的工作进行了总结并且展望了本嵌 入式系统在其他领域的应用。 关键词：嵌入式系统：u c l i n u x 操作系统：通用网关接口：嵌入式w e b 服务器 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e di nt h em i c r o c l c c t r i et e c h n i q u ea n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h ee m b c d d e ds y s t e m sa r cw i d e l yu s e d b e c a u s ei th a ss m a l ls p a c e , l o w p o w e rd i s s i p a t i o na n dp o w e r f u lp e r f o r m a n c e ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sa l r e a d y a p p l i e dt os u c hf i e l d sa sm i l i t a r yn a t i o n a ld e f e n c e , i n d u s t r i a lc o n t r o la n di n t e l l e c t u a l h o m ea p p l i a n c e sa n ds oo i lm e a n w h i l e m o r ea n dn l o r ee m b e d d e de q u i p m e n t s r e q u i r eu s i n gw e b s e n 惯i ni ti no r d e rt ov i s i tt h e mt h r o u g hi n t e r n c t , a n dm a k es o m e s i m p l ec o n t r 0 1 h o wt or e a l i z et h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t0 1 t h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a l a p p l i a n c e sc o n t r o lt h r o u g hi n t e m e tb e c o m e h o ts p o li nt h i sc a s e 9t h a tt h ee m b e d d e d w e bs e r v e rw a sr e a l i z e db e c o m et h ek e y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , w o r kw a sd o n e m a i n l yi nt h i sa r t i c l ef o r t h ee m b e d c dw e bs e r v e ra sf o l l o w i n g ： t h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n $ 3 c 4 4 8 0w a sd e s i g n e d a n db u i l tw e bs e r v e r h a r d w a r eb yt h eb a s i cs y s t e ma u x i l i a r ye q u i p m e n t , c t h e r n e tc o n t r o l l e r , s d r a m , f l a s h a n ds o o i l t h ek e yt e c h n o l o g i e so f u c l i n t t xt oa p p l yi nt h e9 m b e d d e ds y s t e mw a sd i s c u s s e d , i n c l u d i n gt h e c o r e c o m p o s i t i o n ，t h em e m o r ym a n a g e m e n t , t h em n l t i - p r o c e s s m a n a g e m e n t ，t h ee x e c u t i a b l ed o c u m e n tf o r m a t , t h ec o r el o a dw a y a n ds oo n t h eb o o f l o a d e ra r c h i t e c t u r ew a ss t u d i e d , b o o f l o a d e ro p e r a t i o np a t t e r na n d $ 3 c 4 4 8 0r e - m a pm e c h a n i s m w e r ea n a l y z e d t h ee m b e d d e dw e bs e r v e rw a sr e a l i z e d a n di t 锄s u p p o r tt h ed y a d i cw e b f u n c t i o n t h ee m b e d d e dw e bs e r v e rf r o ma s p e c t so fh t r pp r o t o c o l ，c g it e c h n o l o g y , w 啪a n a l y z e da n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no fs 3 c 4 4 b o xb a s e d0 1 1a r m 7 t d m ia r c h i t e c t u r e w a ss t u d y , a n dt h ee m b e d d e dw e bs e r v e rw h i c hi sc o n s t r u c t e do nb sn e l w o r km o d e w a si m p l e m e n t e d t h e l v e ri sb a s e do ns 3 c 4 4 b o x , a n dt h eu c l i n u xw h i c h s c h e d u l e st h et a s k sa n db u i l dt h eb o an e t w o r ks e r v e ri sp o r t e dt os 3 c 4 4 b o x i ti sl o w c o s t , s i m p l ed e s i g na n de a s yt ou p g r a d e a n da ne m b e d d e dw e bs e r v e rw j t hg o o d d y n a m i cw e bp a g ef u n c t i o n t h i sp r o v i d e sw i t hah i g h e rp r a c t i c ea n dr e s e a r c hv a l u e i nt h ef i e l do fs t u d y i n ge m b e d d e ds y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e mh a st h ec h a r a c t e r so f l o wc o s ta n dh i g l le f f i c i e n c y a tl e a s t , as u m - u pa n dp r o s p e c to fs o m eo t h e ru s a g eo f l i n u xe m b e d d c ds y s t e m 锄g i v 饥 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；u c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ；c g l ；e m b e d d e d w e bs e r v e r n 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性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字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工大学或其它教 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作的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二萝露肆日期：互丝灶 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名： 导师签名：眼日期：2 盟f 武汉理i ：人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 嵌入式系统的发展可以追溯到l n t e l 公司推出的第一款微处理器4 0 0 4 ，当时 主要被日本的b u s i c o m 公司用来生产商用计算器。4 0 0 4 的应用非常成功，并且 在以后获得了广泛的应用。从此以后，微处理的发展在接下来的几十年中彻底地 改变了人类的生活。到如今，嵌入式系统己经渗透到了工作和生活的各个角落。 英国的电气工程师学会( t h ei n s t i t u t i o n so fe l e c t r i c a le n g i n e e r s ，i e e ) 给“嵌入 式系统”下定义：“嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装 置”。不严格的说，它是任意包含一个或数个可编程计算机的设备，但是这个设 备不是作为通用计算机而设计的。嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基 础，对可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，是一个计算机硬 件和软件的集合体。它主要具有四项特性：执行特定的操作，完成特定的功能； 以微处理器为核心，辅以一些必要的外设：有严格的稳定性要求，某些系统还要 求有严格的实时性：一切操作由微处理器完成，不需要人的干预n i 。 嵌入式系统应用于特定的环境下，面对具体专业领域的应用系统，一般具有 成本敏感性，硬件和软件必须高效地设计，量体裁衣，去除冗余。所以与通用计 算机系统的多样性和适用性不同，它与通用计算机系统相比具有以下的一些特 征： ( 1 ) 嵌入式c p u 。嵌入式c p u 与通用型的最大不同是嵌入式c p u 大多工作 为特定用户群设计的系统中，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 中许多板卡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，与网络的接合也越来越紧密。 ( 2 ) 专用性和资源有限性。嵌入式系统总是被设计成某一特定任务，一旦设 计完成就不再改变。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，嵌入式系统产品 一旦进入了市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统一般系统配置专一，结构紧 凑，牢固可靠，一般说来存储容量和速度有限。 ( 3 ) 系统对用户的透明性。用户在使用嵌入式系统设备时只是按照预定的方 式使用它，既不需要用户编程，也不需要用户知道设备内计算机系统的设计细节， 用户也不能够随意改变它。 ( 4 ) 硬件和软件的相互依赖性。嵌入式系统的专用性决定它的设计目标是 武汉理【大学硕士学忙论文 单的，硬件与软件的依赖性强，因而一般软硬件需共同设计，以求达到完成预 定的功能，并满足性能、成本和可靠性目标。嵌入式系统的软件和硬件都必须高 效地设计，量体裁农、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这 样才能在具体应用对处理器的选择面前更具竞争力1 2 , 3 1 。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般指非p c 系统，包括硬件及软件两部分。其中硬件包括处 理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口，图形控制器等。嵌入式软件部 分包括操作系统软件( o s ) 和应用程序编程，为硬件产品不可或缺的重要部分。即： 嵌入式系统是软硬兼施，互惠互利，融为一体，成为产品。 嵌入式系统事实上也算是计算机体系结构中的一个分支，而一个标准的计 算机体系中必然包括中央处理单元、内存、输入输出设备和其他的一些必要外 设，因此，嵌入式系统中也具有这些单元，只不过都以比较特殊的形式存在，例 如手机的输入设备就是它的特殊键盘，输出设备是它的液晶显示屏。本文所研究 的嵌入式w e b 服务器就是一类嵌入式系统。 在嵌入式系统的硬件中，核心为嵌入式处理器。到目前为止，全球嵌入式处 理器的体系结构超过3 0 个，芯片型号更是多达千种以上。其中处理器种类最多 的体系结构为8 0 5 1 ，达到了3 5 0 多种。近年来，随着半导体工艺水平的发展， 嵌入式微处理器的性能提高很快，功耗也不断降低，并且出现了专门的口核供 应商，如a r m ，m i p s 等。他们并不生产芯片，只是向各个半导体厂商提供处理 器内核，厂商在内核外增加一些必要的外设来生产各个应用领域的处理器芯片。 随着嵌入式系统越来越复杂，传统的脱离操作系统的软件设计已经不能满足 各个方面的需求，这时，操作系统就显示出了它独有的优势：操作系统能有效管 理越来越复杂的系统资源：操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的 驱动程序移植和维护中解脱出来；操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集 以及应用程序i 1 而嵌入式操作系统是一种用于支持嵌入式应用程序的操作系统。更确切地 说，它是用于控制和管理嵌入式系统中的硬件和软件资源，以方便系统使用者的 程序的集合。相对于通用计算机系统上的操作系统，嵌入式操作系统通常指操作 系统的内核和内核之外的一些基本扩展功能，而不包括上层的各种服务。嵌入式 操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资 源，能够提供程序开发者使用的系统调用库等。除此之外，嵌入式操作系统在很 多方面还具有自己的一些特点。这些特点主要是： 2 武汉理j e 大学硕十学位论文 ( 1 ) 实时性强 嵌入式系统实时特性的实现很大程度上依赖于嵌入式操作系统是否是实时 操作系统。实时操作系统与通用的操作系统主要的不同在于：通用操作系统只注 重平均性能，而不注重个体的性能。而实时操作系统除了满足应用的功能需求外， 还须满足应用对实时性的要求 ( 2 ) 系统可裁剪 因为嵌入式系统的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做到小巧以满足嵌入 式系统硬件的限制。而不同的嵌入式系统其应用的要求也不一样，嵌入式操作系 统必须能够根据应用的要求进行配制。 ( 3 ) 功能可扩展 由于嵌入式系统功能的多样化，这就要求嵌入式操作系统除提供基本的内核 外，还应提供越来越多的扩展功能模块，如功耗控制、动态加载等。 ( 4 ) 能支持多种硬件平台 嵌入式系统的硬件平台种类很多，c p u 芯片的更新速度很快，所以要求嵌 入式操作系统应具有很好的硬件适应性。这种适应性体现在嵌入式操作系统既可 支持多种运行平台又能支持多种开发平台，包括对每种微处理器都提供相应的编 译器、链接器、调试器等一系列工具，从而形成从开发、调试到运行的一体化支 持。 ( 5 ) 系统规模小 因为嵌入式系统能够提供的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做得尽量小 巧，才能满足硬件的限制条件 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 的操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。 免费的操作系统在价格方面有优势，但是也存在着开发困难的不足 1 1 商用型嵌入式操作系统 o v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发研制的一种高性能的嵌入式实时操作系统。 它包括了操作系统本身和其集成开发环境。v x w o r k s 以其良好的可靠性、开放性、 实时性和易用性赢得了大量的客户。 o w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是一种3 2 位的多任务操作系统，它经过压缩。可以移植，能够 开发出多种企业和客户类设备可以和i n t e r n e t 实现连接、同步交换信息。如果 开发者能够熟悉w i n d o w s 开发环境，可以基于w i n d o w sc e 开发出很好的应用 程序。 武汉理 人学硕+ 学位论文 l y n x l y n x 是一个分布式、嵌入式，可规模扩展的实时操作系统。支持线程概念。 l y n x 为应用软件提供可取的处理环境。在这一环境下，基于硬件的高速存储器 管理，提供更加安全和过硬的应用性能。可取的处理环境采用l y n x 提供的全部 存储器管理部件支持，保证应用起来不受其它系统及应用软件部分的误码和数据 的干扰。 p a l m o s p a l mo s 是一种专为掌上设备设计的3 2 位操作系统，它运行在一个抢占式 的多任务内核之上。同一时刻用户界面仅仅允许一个应用程序被打开。这个被打 开的程序将控制整个屏幕，应用程序始终运行在单用户界面进程上，也就是说， 它们不允许所谓的m d i ( 多文档接口) 存在与w m d o w sc e 相比，p a l mo s 显然 更为紧凑。 o s 9 o s 9 是一个实时的，多用户的，多任务的商业化操作系统。它使用模块化 的设计，允许通过增加设备文件增加新的设备。它所有的f o 输入输出设备都被 当作文件来处理，这与基于i o 的系统区别很大同时，内核和用户程序都可放 在r o m 上面。d a v i d 是调整o s 9 o s 2 0 0 0 使之用于s t b 市场的产品。d a v i d 与众不同的一个地方在于它总是包含了一个i o 的子系统( s p f ) ，梯形协议文件 管理( m p f m ) ，图片文件管理( m a u i ) ，多媒体用户界面( s c f ) ，连续字符文 件管理。 e p s o s p s o s 原属于1 s i 公司的产品，但1 s l 已经被w i n d r i v c r 公司兼并，现在p s o s 属于w i n d r i v e r 公司的产品。p s o s 是一个模块化，高性能，内存保护模式的实 时操作系统，它特别适用于嵌入式的微处理器。 e q n x q n x 是q u a n t u m ns o f t w a r es y s t e m 公司研制的基于p c 的实时多任务的、可 扩展的操作系统，它具有微内核结构，用户可以根据需要选择其中一些组件来定 制操作系统。 e h o p c n 国内开发的h o p e n 是一个按嵌入式系统要求设计的操作系统，它是由一个 很小的内核及一些根据需要进行定制的系统模块组成。该系统在处理中文联网方 面很有特色。 2 ) 免费型嵌入式操作系统 l i n u x 4 武汉理工大学硕士学位论文 l i n u x 由于作为服务器操作系统，其功能的增强己引起了业界的注意。l i n u x 也逐渐应用于工作站及桌面p c 。同样，l i n u x 也因为它服务器o s 的特性而成为 下一代智能型嵌入式设备的理想操作系统限6 ”。 1 3 嵌入式w e b 服务器研究背景及意义 随着网络通信技术的进步，越来越多的嵌入式系统将计算机网络技术应用到 其中以实现信息的共享。网络控制设备逐渐成为趋势。嵌入式i n t e r a c t 系统在 i n t e m e t 电话、游戏装置和手持式通信设备的推动下有了突飞猛进的发展。如何 通过i n t e r a c t 来实现对工业设备或者智能家电的控制成为研究热点。在这种情况 下，研究并实现嵌入式w e b 服务器就成为关键。 1 3 1 嵌入式w e b 服务器的现状 嵌入式w e b 服务器是指将w 曲服务器引入到现场测试和控制设备中，在相 应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备了以 t c p i p 为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于互联网的网络测试和控制设备。 嵌入式w e b 服务器系统与传统的w e b 服务器应用相比，简化了系统结构，将信 息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。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，浏览器成为设备的前端控制板。 而在嵌入式系统中集成嵌入式w e b 服务器实现i n t e r n e t 接入是近年来才出 现的一种较为先进的方案，而早期大都采用专用的网关接入方案，如m o x a 公 司的n s e r v e r 、美国o n e g a 公司的i s o r v e r 产品。这主要是针对工控行业的串行设 备的方案，嵌入式网关将内部网络和外部网络隔离开来，在内部通信协议和外部 t c p i p 之间起到协议转换的作用，但这也是后来其无法进一步实现更灵活接入 的原因i s 9 以色列c o n n e c to n e 公司提出了采用i c h i pc 0 6 6 1 a l 芯片实现i n t e r n e t 接入 的解决方案，i c h i pc 0 6 6 1 a l 是一种高档协议处理芯片，可处理常见t c p , u d p , h r 吧i p , w a p 等协议，并且同时提供1 0 个t c p 连接和2 个监听s o c k e t 。e m w a r e 公司己开发出比较完善的e m i t ( e m b e d d o rm i c t oi n t e r a c tt e c f i n o l o g y ) 接入方案。 它是一种硬件、固件和软件综合的实现方案。还有a l l e g r o 公司的r o m p a g e r , w i n d r i v e r 公司的r a p i d c o n t r o l 均是这种方案。 国内的嵌入式w e b 服务器研究还处在初级阶段，没有大规模的应用，而且 国内的嵌入式w e b 服务器一般是在单片机的基础上设计而成的，用微处理器开 5 武汉理工人学硕十学位论文 发的并不多，而且目前还处在研发阶段。在当前，嵌入式w e b 服务器的实现方 法可以分成自主实现和修改移植两种。自主设计主要是在单片机上完成，此时需 要自己开发网络协议，难度及工作量较大，虽然有的单片机可以移植操作系统， 但还是不能满足要求。因l i n u x 的优良的网络功能，使它非常适合于嵌入式w e b 服务器应用中，并能为开发者缩短开发周期和成本，这种开发方式是现在以至以 后流行的开发方法o 1 1 1 。 1 3 2 研究嵌入式w e b 服务器的意义 现在，w e b 浏览器的使用已经变成了与远程嵌入式设备通信和进行管理的标 准，现在通过多种小型嵌入式设备查找w e b 服务器己成为一种趋式，w e b 服务 器成为嵌入式系统进行数据展示的完善设备。随着互联网的普及，越来越多的信 息化产品需要接入互联网通过w e b 页面进行远程访问，嵌入式w e b 系统提供了 一种经济、实用的互联网接入方案。 所以，对于嵌入式w e b 服务器的研究和应用，其意义是重大的，它为我们 管理、控制和监测各种各样的设备提供了一个很好的途径，具有广阔的应用前景， 可以渗透到与人们生活和工作牛的诸多领域。这些领域包括： 信息家电：冰箱、空调等的网络化： 工业自动化：目前已经有大量的8 ，1 6 , 3 2 位嵌入式微控制器在应用中，网络 化是提供生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径： 智能公路：交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务： 工业制冷：冷库、中央空调、超级市场冰柜： 虚拟现实家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统； e p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡( c o n t a c f l e s ss m a r t c a r dc s c ) 发行系统，公共电话卡发行系统、自动售货机呻1 3 1 由于这种嵌入式w e b 技术是基于i n t e m e t 的，因此不管这种设备在世界的哪 一个地方，只要它连入i n t e m e t 就能控制它。 1 3 3 嵌入式w e b 服务器的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景，从中可以看出未来嵌入式w e b 服务器的发展趋势，嵌入式 w e b 产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式w e b 产品将成为互联网 的主要终端之一，嵌入式w e b 设备网络互联成为必然趋势。 i n t e m e t 己经遍布全球，成为人们获得各类信息、相互交流的重要渠道。但 6 武汉理i ：人学硕士学位论文 目前的i n t e r n e t 的基本表现为c l i e n t l s e r v e r 体系结构( 客户机服务器) 和 b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器服务器) 。这种结构的客户枫是广泛普及的p c ，而服 务器则是相对复杂的，价格昂贵的超级计算机，即所谓的“胖服务器”。后p c 时 代将是一个嵌入式w e b 系统和i m e m e t 相结合的时代，将是一个具有联网功能的 嵌入式w e b 系统代替p c 在i n t e r a c t 网络中占据主导地位的时代，嵌入式w 曲服 务器解决了计算机以外的终端设备网络化问题，嵌入式w e b 服务器为工业控制 领域设备的发展提供动力，嵌入式w e b 服务器为信息家电和智能家居提供了技 术保证 1 4 j 5 1 4 论文的主要工作 嵌入式系统的研究是一个非常庞大的研究课题，本文只是以嵌入式i n t e m e t 为应用背景，u c l i n u x 操作系统为研究对象，从理论、技术、设计与应用三个层 次进行了初步的分析和研究，概述了硬件平台的微处理器和主要的外围电路。并 在此硬件平台上成功移植了u c l i n u x 操作系统，最后在此基础上设计一个嵌入式 w e b 服务器。因此本文主要围绕下述几点来展开研究工作，主要工作如下： 1 首先对嵌入式系统和嵌入式操作系统进行系统的学习，然后分析研究了嵌 入式l i n u x 操作系统在嵌入式领域中的优势和不足，并了解国内外的研究现状， 对嵌入式l i n u x 的发展及应用前景进行展望，最后分析嵌入式w 凸服务器软件 结构及发展趋势。 2 深入分析了u c l i n u x 应用于嵌入式系统中的关键技术，包括内核组成、内 存管理、多进程管理、可执行文件格式、内核的加载方式等，并且结合标准l i n u x 对这些关键技术的异同进行了比较。归纳出u c l i n u x 适用于无m m u 微处理器的 独有特性。 3 设计嵌入式系统的硬件平台，系统以三星公司的$ 3 c 4 4 8 0 微处理器为核 心，并辅以基本的系统外围设备组建而成。主要的外围设备有以太网口控制器、 s d r a m 、f l a s h 电路等。 4 研究了b o o t l o a d e r 体系结构，分析b o o t l o a d e r 操作模式和$ 3 c 4 4 8 0 重映射 机制。 5 以当前接入互联网的热点为背景，设计了嵌入式w e b 服务器，该服务器能 支持动态w e b 功能。并从h 1 r p 协议、c g i 技术、系统功能、体系结构等方面 对嵌入式w e b 服务器进行了分析与设计。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章嵌入式w e b 服务器硬件设计 随着i n t e m e t 的普及，不仅p c 机能上网，各种各样的嵌入式设备包括嵌入 式w e b 服务器都和i n t e r n e t 紧密相连因此出现了信息电器，如掌上电脑、个人 数字助理( p d a ) 、可视电话、移动电话、机顶盒、视频会议和数码相机等嵌入 式设备。能上网的嵌入式设备需要有t c p i p 网络协议支持，由于8 1 6 位单片机 的速度小以及内存不够大，较难满足嵌入式设备的上网要求。随着集成电路的发 展，3 2 位微处理器的价格不断下降，用户已可以大量使用。3 2 位r i s c 处理器 更是受到用户青睐。 2 1 嵌入式系统的微处理器 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，其中，主流的3 2 位c p u 架构主 要有a r m ，m i p s ，p o w e rp c ，x 8 6 ，6 8 k 等。这些架构的主要特点如下。 o a r m 架构 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 架构是a r m 公司设计的。其适用于多种领 域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。a r m 将其m 授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，由他们来生产各种芯片。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，目前在手持设备市 场占有9 0 以上的份额。a r m 体系支持1 6 位3 2 位双指令集。1 6 位指令集t h u m b 以1 6 位系统的成本提供3 2 位r i s c 性能，且所需的内存容量非常小本系统采 用的c p u 就是基于a r m 架构的。 m 口s 架构 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 是m i p s 公司开发的 一种内核架构该内核包括多种特性、代码压缩。m i p s 建立了m i p s 架构的两 个标准系列：m i p s 3 2 ( 3 2 位系列) 和m i p s 6 4 ( 6 4 位系列) 。这是唯一一种能提供“ 位解决方案的结构，它在某些应用领域可以提供重要的性能优势，如网络。 * p o w e r p c 架构 p o w e rp c 架构由i b m 公司提出。此架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。 p o w e rp c 处理器类型很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应 用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子到 武汉理， 人学硕七学位论文 大型通信设备等各个方面。目前p o w e rp c 处理器的主频在2 5 到7 0 0 m h z 之间。 o x 8 6 架构 x 8 6 就是采用c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , 复杂指令架构计算机) 架构的处理器。大多数c p u 厂商( 如a m d ，i n t e l ) 生产的就是这种处理器。x 8 6 架 构起源于i n t e l 于1 9 7 4 年推出的8 0 8 0 处理器。1 9 7 8 年，i n t e l 推出首款基于x 8 6 架构的1 6 位微处理器8 0 8 6 。今日的x 8 6 处理器使用与8 0 8 0 相同的指令集，这 在保持了兼容性的同时限制了处理器性能的提高。 0 6 8 k 架构 ， 6 8 k 是m o t o r o l a 公司推出的一款嵌入式处理器，与x 8 6 都使用c i s c 架构。 i n t d , a m d 等大公司的c p u 都采用这两种架构。6 8 k 最初曾用在a p p l e 2 上，比 i n t e l 的8 0 8 8 还要早。s u n 也把这款处理器用于其最早的工作站。现在6 8 k 芯片 已经完全应用于嵌入式系统了，1 9 9 7 年仍然销售了8 0 0 0 万片。1 9 9 4 年，m o t o r o l a 又推出了基于r i s c 架构的6 8 k c o l df i r e 系统微处理器。 由于本系统用的是a r m 架构的嵌入式处理器，所以下面主要介绍a r m r j s c 处理器1 1 6 , 1 7 1 。 2 1 1 a r m 架构3 2 位r i s c 处理器 a r m 公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器，其内核耗电 少、成本低、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集。a r m 己成为移动通信、手持计 算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 a r m 内核分为a r m 7 ，a r m 9 ，a r m l 0 以及s t r o n g a r m 等几类。其中每一 类又根据其各自包含的功能模块而分成多种构成。在a r m 内核中有四个功能模 块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生产。这四个模块分别用ld m 和i 来表示。t - 表示t h u m b ，该内核可从1 6 位指令集扩充到3 2 位a r m 指令 集。d ：表示d e b u g ，给内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描 链j t a g ，可使c p u 进入调试模式，从而可以方便地进行断点设置、单步调试。 m ：表示m u l t i p l i e r ，是8 位乘法器。i ：表示e m b e d d e d l c el o g i c ，用于实现断点观 测及变量观测的逻辑电路部分。 其中a r m 7 采用a r m v 4 t 结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据 c a c h e ，平均功耗为o 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。a r m 7 1 0 。a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 7 核。 a r m 处理器实现加载存储体系结构是典型的r i s c 处理器，只有加载和存 储指令才可以访问存储器，数据处理指令只对寄存器的内存进行操作。 精简指令集计算机r i s c 结构的产生是相对于传统的复杂指令集c i s c 结构 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 而言的。c 1 s c 计算机的指令集随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令， 使得指令集和为此要实现这些指令集的计算机体系结构越来越复杂。经过大量的 研究分析，发现在c i s c 指令集中只有2 0 的指令是反复使用的，剩下8 0 0 4 的指 令却很少用到。由此引发了r i s c 指令系统的发展。 a r m 体系结构v 4 t 及以上的版本定义了t h u m b 指令集，t h u m b 指令集是 1 6 位的指令集。t h u m b 指令集的功能是3 2 位a r m 指令集的功能的子集。在执 行t h u m b 指令集时，处理器处于t h u m b 状态，此时不能执行a r m 指令集；执行 a r m 指令集时处于a r m 状态，此时不能执行t h u m b 指令集。 a r m 处理器支持7 种处理器模式，它们是： ( 1 ) 用户模式 ( 2 ) f i q 快速中断模式 ( 3 ) i r q 中断模式 ( 4 ) 管理模式 ( 5 ) 中止模式 ( 6 ) 系统模式 ( 7 ) 未定义 这里除用户模式以外均是特权模式，特权模式进入服务异常或访问特权资 源。a r m 处理器共有3 7 个寄存器，寄存器被分成部分重叠的组。每种处理器的 都有不同的寄存器组。其中有3 1 个通用寄存器，6 个状态寄存器【i s 】 2 1 2a r m 7 t d m i 概述 a r m 7 t d m i 式a r m 7 处理器系列成员之一，是目前应用最广泛的3 2 位高 性能嵌入式r i s c 处理器。本系统使用的s 3 c 4 4 8 0 处理器就是a r m 7 t d m 内核。 1 a r m 7 t d m 指令流水线 a r m 7 t d m i 核心使用流水线来提高指令处理的速度，流水线允许同时执行 多条指令，同时指令的执行和存储系统的工作可以连续运行。a r m 7 t d m i 使用 的三种状态的流水线，因此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行当 正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令译码，且第3 条指令从存 储器中取指。程序计数器指向正在取指的指令而不是正在执行的指令，这点很重 要，因为正在执行的指令使用的程序计数器值总是当前地址的2 条指令之前的地 址。 2 a r m 7 t d m 内存访问 a r m 7 t d m i 核心支持冯诺依曼体系结构，使用单一3 2 位数据总线传送指 令和数据。只有读取、保存和交换指令才能引起对内存的访问。数据可以是8 i o 武汉理工大学硕十学位论文 位、1 6 位和3 2 位的。字必须是4 字节边界对准，半字必须是2 字节边界对准。 3 a r m 7 t d m 存储器接口 a r m 7 t d m i 处理器的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现 其潜能。速度关键的控制信号是流水作业的，以允许在标准的低功耗逻辑下来实 现系统控制功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持的快速突 发访问模式的开发。a r m 7 t d m i 有4 种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序 周期、顺序周期和协处理器寄存器传送周期。 4 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核心提供了集成的片上调试功能的支持。 可以使用嵌入式i c e r t 逻辑来编程断点或观察断点出现的条样。嵌入式i c e r t 逻辑包括调试通信通道( d c c ) d c c 用于在目标和宿主机调试器之间传输信 息。嵌入式i c e - r t 逻辑通过y r a g 测试访问口进行控制1 1 9 2 2 嵌入式w e b 服务器硬件方案 近年来，随着互联网的飞速发展，网络技术广泛应用于各类企业和工业系统， 越来越多的信息化产品需要能够接入互联网并通过页面进行远程访问和控制。而 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，浏览器成为设备的前端控制板，不需编写专门客 户端程序。只需采用t c p 1 p 协议接入网络。使得远程控制和广泛的信息共享成为 了可能 本系统嵌入式w e b 服务器部分采用三星( s a m s u n g ) s 3 c 4 4 8 0 微处理器及 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片等器件，构成嵌入式硬件平台，如图2 1 所示： 图2 - 1w e b 服务器硬件框图 l l 武汉理f ：大学硕士学位论文 其核心是$ 3 c 4 4 8 0 微处理器，它是基于a r m 7 t d m i 的r i s c 型c p u ，是 一款性价比较高的嵌入式3 2 位处理器，$ 3 c 4 4 8 0 芯片包含一个使用了6 6 m h z 和单周期精简指令处理器，内存使用8 ms d r a m ，采用一片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 组 成3 2 位宽的系统主存储器。f l a s h 型号是a m 2 9 l v l 6 0 主要用于存放b 1 0 s 程序、 u c l i n u x 内核映像以及r o m f s 文件系统。网口控制芯片则采用r e a l t e k 公司的 r t i 盘1 0 9 a s 。 2 2 1s 3 c 4 4 b o x 结构介绍 s 3 c 4 4 b o x 是韩国三星为手持设备和一般类型应用提供的高性价比和高性 能的微控制器。它采用a r m 公司的a r m 7 t d m i 内核。其内部提供了丰富的内 置模块，包括8 k b 高性能缓存，l c d 控制器，2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系 统管理器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带p w m 功能的5 通道定时器， 看门狗定时器，8 通道1 0 位a d c ，i i