（电子科学与技术专业论文）基于arm平台的嵌入式web服务器的研究与实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h ec o m i n g0 ft h ep o s t - p ce r a ，t h e e m b e d d e ds y s t e m si sb e c o m i n gt h ec e n t e ro fi n t e r e s ti nt h ec u r r e n ti ti n d u s t r ya n d e x h i b i t i n gb r o a dp o t e n t i a lm a r k e t i nt h em e a n t i m e ，t h ea c c e s so fe m b e d d e ds y s t e m s i n t ot h ei n t e r n e th a sb e c o m ea ni m p o r t a n t d i r e c t i o n。0 f t h ep r e s e n ti n t e r n e t d e v e l o p m e n t t h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi n c l u d e sd e s i g no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e a f t e rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r km o n i t o rs y s t e m ，t h et h e s i s r e g a r d i n ga r m 9p r o c e s s o ro fs 3 c 2 4 1 0 a st h ep l a t f o r m ，b a s e do ne m b e d d e d “n u x o p e r a t i o ns y s t e m ，c o m b i n i n gt h er e l e v a n te m b e d d e dw e bt e c h n o l o g y ，h a sc a r r i e d0 n r e s e a r c h0 ne m b e d d e dw e bs e r v e r ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h es t u d y o ne m b e d d e ds y s t e m ，c o m b i n i n g w i t ht h et h e o r yo fi n e r n e t ，t h et h e s i sp r e s e n t sat e c h n o l o g yo fe m b e d d e dw e bb a s e d o na r m p l a t f b r ma f t e ra n a l y z i n gt h ep r o c e s sa n dp r o s p e c to fn e t w o r ks u p e l v i s o r y c o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，b a s e do ns 3 c 2 4 1 0m i c r o p r o c e s s o ra n dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e nb u i l tf 6 re m b e d d e dd e v e l o p e ds y s t e m ， w h i c hi su s e dt od e s i g ne m b e d d e dw e bs e r v e r t h i r d l y ，t h et h e s i sd e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i to ft h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c h i n c l u d e st h em o d u l ec i r c u i to fp o w e r ，t i m e ，j t a g ，s e r i a li n t e r f a c e ，a n dm e m o r i z e r ， a n ds 0o n ，a n dt h e nc o m p l e t e st h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t f o u r t h l y ，i no r d e rt om a k ee m b e d d e ds y s t e mw o r ks m o o t h l y ，i ta l s on e e d st o d e s i g ns o f t w a r ep l a t f o r m ，s u c h a sb o o t l o a d e r ，k e r n e la n df i l es y s t e m t h ep a p e r p l a c e se m p h a s i so nt h ed e v e l o p m e n to f d e v i c ed r i v e r e s p i c a l l yn e td r i v e r a n d d i s c u s sh o wt oc o m p i l ei ti n t ot h el i n u xk e r n e l ， a n dt h e nt h ei m a g ef i l ei s d o w n l o a d e di n t ot h et a r g e tm a c h i n ef r o mh o s tm a c h i n et h r o u g hj t a ga n ds e r i a l i n t e r f a c e r ，d e b u g g e da n dr u n n i n g f i n a l l y ，t h ec o m m o np r o t o c o l so ft c p i pa n dh t t p a r eb e e na n a l y z e d ，w h i c h i ti sb a s i ct 0r e s e a r c ht h ee m b e d d e dw e bs e r v e rp r i n c i p l ea n dt 0a n a l y z et h e s t r u c t u r eo fb o as e r v e rp r o g r a m i no r d e rt om i n i t o rr e m o t ec e n t r a la i r - c o n d i t o n i n g ， a ne m b e d d e dw e bs e r v e rw i t hg o o dd y n a m i cw e bp a g ef u n c t i o ni sd e s i g n e da n d r e a l i z e di nt h ee n d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h er e m o t ec e n t r a la i r c o n d i t o n i n g s v s t e mb a s e do nw e bw o f k ss m 0 0 t h l y ，a n dh a su s e r f r i e n d l yi n t e r f a c ew i t hg o o d i i i 硕士学位论文 d y n a m i cw e bp a g ef l l n c t i o n s 0i tc a nm o n i t o rt h ec e n t r a la i r c o n d i t o n i n gt h r o u g h t h ep a r a m e t e r0 ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n de r r o ra l a r m k e yw 0 r d s ： e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ；a r m ； w e bs e r v e r ：r e m o t em o n i t o r & c 0 n t r o l l v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：李台日期：加0 7 年1 2 月f z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：李剑 导师签名：崤炙c 乌r 导师签名：o 髫乏f 乌p 日期：一7 年1 2 月f 2 日 日期：荔刃7 年，a 月2 日 硕士学位论文 1 1 网络监控系统的发展 第1 章绪论 目前我们所使用的有线电话网络是公用交换电话网( p s t n ) ，已有1 0 0 多年 的历史，它基本上覆盖了有人居住的地方；近几年有线电视网、计算机通信网络 等发展很快，信息交换的途径日益增多，我国早期建设的数据网为x 2 5 和数字 数据网( d d n ) ，它们覆盖全国主要城市；近1 0 年来，中国计算机互联网1 6 3 、 中国公众多媒体网1 6 9 、中国教育科研网c e r n e t 等网络规模也非常大，这几 个网共同形成通信网络的核心，成为现有各种业务和未来许多待开发新业务综合 传输和应用平台【1 1 。本课题讨论的控制对象( 中央空调、生产线、动力设备、家 庭数字化和机房环境等等) 如何能置于网络下，如何能与网络连上，用网络来控 制它们。 1 网络监控系统 近段时期，网络监控系统是在计算机监控系统与通信网络的基础上发展起来 的，其目的是： ( 1 ) 监控的地域从城市一处扩展到多处，从一个城市扩展到多个城市。 ( 2 ) 专业人员能够监管更多的设备，从而提高了工作效率和经济效益。例 如：保安人员的监视的范围更宽、监视点更多，消防人员监控的楼宇、设备更多， 范围更宽。 ( 3 ) 网络监控系统为动力设备，动力机房环境，大厦或者具有多设备的系 统，为更宽地域提供综合性的职能化管理。 ( 4 ) 提高家庭生活质量。 监控系统的发展经历如下两个阶段【1 j ( 1 ) 集散系统 最初诞生的传统监控系统是单片机、p c ( p e r s o nc o m p u t e r ) 、工控机为核 心的多个分散单元的集合体，形成早期集散控制系统的雏形。当总线出现以后， 一般借助s 1 0 0 或计算机总线形成控制系统。但是由于连线过长和过多，用这些 总线形成的测控系统的稳定性较差，抗干扰能力弱，难以实现大范围的有效测 控。随后出现的是集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处理机分散在现场的不 同位置，彼此之间以高速数据通信进行连接。这种集散系统把分散的、单回路的 测控系统采用计算机进行统一管理，用各种i o 模板代替控制室的仪表，利用计 算机的强大功能，对被从系统集中进行实时监测、控制、参数调节、告警显示及 存储历史数据等操作，极大地推动了工控技术的发展。但是在通信方式上，处于 基于a r m 平台的嵌入式w 曲服务器的研究与实现 现场的控制级和监测级仍采用电流为4 2 0 m a 的模拟量通信。而现场采集设备所 占的比例最大，数据也最多，这就使得布线方式相当繁杂、安装费用增加、维护 量加大。 ( 2 ) 现场总线的形成 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着网络与通信技术的发展，现场总线( f i e l db u s ) 技术逐步成熟和发展起来，它是现代计算机、通信和控制技术的集成，它是一种 工业总线，以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现场总线可为 众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统通 过公用传输介质交换信息。现场总线适应了工业控制系统应具有分散化、网络化、 智能化等要求，同时许多国际组织、例如国际电工委员会( i e c ) 、美国仪表学 会( i s a ) 、i s p 、i f c 、w o r l df i p 和f i n t ( f i e l db u si n t e r n a t i o n a l ) 等，多年来 为制定现场总线的标准作了大量的工作，结果出现了多种不同的现场总线标准， 例如i s p 、w o r l df i p 、h a r t 、l 0 nw o r k s 和i e c i s a 等，不可否认，现场总线技 术对测控领域的技术进步起到了巨大的推动作用，但也正是由于多种不同的总线 标准同时存在，给公司、企业基于不同现场总线形成的测控网络之间的互联又设 置了不少障碍。 2 i n t e m e t 的发展 十几年前，计算机经历大规模和工作站，相应出现了早期的局域网城域网 ( l a n w a n _ ) 技术，即互联网革命的第一阶段。这阶段基本上是使用以太网、令牌 网和其它早期产品的硬件和软件进行驱动的阶段。 第二阶段，亦即i n t e r n e t 阶段，这一阶段最突出的特征就是电子邮件盛行和 浏览器的普及使用，大大拉近了人与人之间的距离。这个阶段基本上是软件驱动， 广泛地在操作系统中安装内部t c p i p 堆栈，使用超文本传送协议h t t p 等进行 数据传输。 第三阶段，就是现在所处的阶段，此时正把传统的信息孤岛综合成一个大系 统，这样网络为人们提供通用、无缝的联网结构，人与所需要的设备和各种不同 的信息类型频繁、友善地交互作用，使人更高效工作，更满足地生活。控制网和 互联网的无缝连接可以使人们通过现有的数据网存取、监控和控制多种设备。 目前，在生活中，利用i n t e r n e t 可以比从前更经济、更方便和更有效获得信 息并进行信息交换；在工作中，i n t e r n e t 的应用主要还限于传递文字、图片和办 公信息。但人们一直在研究如何更充分应用i n t e r n e t ，以实现“地球村”的梦想，人 们已经认识到，接入i n t e r n e t 的不应局限于狭义的计算机，工业中的各种测量控 制装置、生活中的各种家用电器、社会不同领域和层面各种公众设备等，都应该 且必将成为i n t e r n e t 的客户端。 随着w e b 技术的发展和应用，越来越多的网络通信设备甚至测试仪器都已经实现内 2 硕_ j ：学位论文 置的嵌入式w e b 服务器，用户、操作人员可以直接使用w e b 浏览器通过设备的以太网接 口或者其他网络端口来远程访问内置w e b 服务器的专用网页，从而实现对设备运行状态的 观测和运行参数的配置等功能。嵌入式w e bs e e r 是嵌入式1 1 1 t e m e t 的重要组成部分，要 实现嵌入式h l t e m e t ，嵌入式设备中就必然要加入功能强大、性能稳定、体积合适的嵌入式 w e bs e r v e r 【2 0 】。嵌入式系统所需要的是一个在设计上尽量减小h r r p 厂r c m p 协议栈而不失 一般标准性的“瘦服务器”。 1 2 嵌入式系统 1 嵌入式系统的现状 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场，目前在世界范围内嵌入式系统 带来的工业年产值己超过1 万亿美元。据赛迪呼叫中心合作开展的调查显示，目 前从事嵌入式开发的软件企业占到3 0 左右，计划从事开发的企业占到1 4 。尽 管还没有从事该领域开发的公司占到大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已处 于整体启动阶段，国内嵌入式软件市场未来的发展重点在于对应用范围的拓展， 而手持设备、信息家电和工业控制则是近期市场的三大热点【2 】o 近年来微电子技术的迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领 域发生了翻天覆地的变化，特别是网络的普及，嵌入式与互联网成为最热门的技 术。现在可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它与i n t e r n e t 或企业内联网连接 起来，这种特性增强了嵌入式系统多方面的实用性。图1 1 是嵌入式系统的一些 应用。 图1 1 嵌入式产品的应用 2 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【2 1 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，一它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成 基于a r m 平台的嵌入式w 曲服务器的研究与实现 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 络的藕合也越来越紧密。 ( 2 ) 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 具体应用相结合的产物。故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。因而嵌入式系统的开发和应用不容易在市场上形成垄断。 ( 3 ) 嵌入式系统的软硬件必须高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样 的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在处理器的具体应用中更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的重要环节，它们通常要求固 件化，多被固化在只读存储器中；它们必须高质量高可靠性；有时还要求具有实 时处理能力。 ( 5 ) 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行的，因此嵌入式产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自开发能力，设计完成以后用户通常不能对其中 的程序功能进行修改，必须有相应的开发工具和环境才能进行开发。 综上所述，嵌入式系统通常与其他设备相结合用于实时控制、监视、管理 或辅助系统中。它具有低成本、低功耗、有限资源等特点，同时它要能保证所控 制设备的实时请求。因此在嵌入式系统中进行软件开发也必须考虑到这些因素， 对一些通用环境下的现有软件不能简单地移植到嵌入式系统中去。由于嵌入式系 统资源相差很大，有的可以把现有软件的某个模块进行精简移植，而有的则需要 在了解原理的前提下进行较大的改进甚至完全重新设计。 3 嵌入式系统的发展趋势 就发展而言，表现在如下方面【2 8 】： ( 1 ) 嵌入式系统网络化。网络化表现在两个方面，一个是嵌入式处理器集成 了网络接口，另一个是嵌入式设备应用于网络环境中。 现在许多嵌入式处理器集成了基本的网络功能，如串行接口必备，还有以 太网接口、c a n 总线接口等。基于这些趋势，用户开发新嵌入式系统时一般不 需要外接网络芯片，而选择具有符合功能要求的嵌入式处理器即可，所需安装的 只是物理层的收发器。 随着网络技术特别是i n t e r n e t 技术的发展，未来的嵌入式系统很多要求具有 网络功能，成为网络式计算的一个节点，具有网络功能的嵌入式系统设备成为市 场的一个卖点，如支持t c p i p 协议、i e e e1 3 9 4 协议、u s b 接口、无线接口( 蓝 牙、红外线等) ，以及支持嵌入式w 曲服务器和嵌入式浏览器。通过网络技术的 集成，嵌入式设备可以随时随地与网络进行连接，实现资源共享。 ( 2 ) 开发平台完备化。嵌入式系统的发展是一项系统工程，设计软件、硬件、 系统集成等诸多方面，有的嵌入式系统部件厂商不仅提供嵌入式处理器，还提供 4 硕士学位论文 软硬件开发工具。此外，目前还有许多第三方开发工具提供商致力于开发工具的 研发，如开发仿真器、软件开发工具( 编译器、连接定位器、集成开发环境) 。一 些处理器制造商也提供硬件的参考设计、板级支持包软件等。通过这些完备的开 发工具，嵌入式系统的开发者只需把精力放在解决实际问题上，而不是考虑一些 开发平台方面的问题。 ( 3 ) 系统的集成度和性能指标提高。为了提高系统的可靠性、降低系统功耗 和成本，需要设计者尽量精简系统的内核( 软件内核和硬件内核) 。除了芯片提供 商外，要求软件开发者在使用操作系统方面对操作系统进行裁减，开发应用软件 方面使用高效算法。 一 ( 4 ) 友好的人机界面。提供友好的人机界面是嵌入式系统的基本要求，大多 数嵌入式系统都与入进行交互。目前提供图形化的人机界面是基本配置要求，大 多数图形界面采用与w i n d o w s 类似的界面，以方便用户的使用。随着嵌入式技 术的发展，新的人机界面不断被开发出来，如手写输入技术、语音输入输出技 术、图像输出技术等。 4 嵌入式w e b 服务器 i n t e r n e tw e b 技术应用于嵌入式系统领域将导致该领域传统运行维护模式 的一场变革：将w 曲服务器“植入一嵌入式系统后接入i n t e r n e t ，在世界上任何 一个地方即可通过网络浏览器从i n t e f n e t 获取该w e b 服务器发布的系统实时信 息，进而实现远程实时控制、调节与维护；并且，这种基于h t m l 标准化的w e b 用户界面降低了为不同操作平台而定制人机界面的开发费用、通信费用、人员培 训费用和系统升级维护费用。显然，嵌入式系统这种基于w 曲的远程监控维护 方式将克服传统的本地监控维护方式存在的低效率、高成本的缺陷【3 6 】。 但是，传统的w e b 技术方案不能直接用于构造嵌入式系统中的w e b 服务器。 传统w e b 服务器以具有高运算处理能力和海量存储容量的工作站或p c 机为硬件 工作平台，以非实时操作系统为软件工作平台，其上运行的是大型复杂的服务器 程序，典型的如基于w i n d o w sn t 的i i s ( i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) 、基于u n i x 的a p a c h ew e bs e r v e r 等，服务器的这种高档配置方案对于大量使用8 位、1 6 位 或3 2 位单片机的嵌入式系统而言是不现实的要求。 基于嵌入式技术的嵌入式w e b 服务器的出现为解决以上问题开辟了一条崭 新途径。嵌入式w e b 服务器以8 位、1 6 位或3 2 位单片机为硬件工作平台，或有 嵌入式实时多任务操作系统( i 汀o s ) 支持，其上运行小型精简的服务器程序。嵌 入式w e b 服务器的成功开发案例己经经体现于通信领域中的路由器、交换机、 网络视频监控等产品。近年来如何使用w e b 浏览器对嵌入式设备进行监控己越 来越引起人们的注意1 3 4 1 。w e b 浏览器是用户界面的合理选择，从技术上讲，浏 览器就是w e b 客户端，则嵌入式系统必须是w e b 服务器。由于t c p 成了一个传 5 基于a r m 平台的嵌入式w 曲服务器的研究与实现 输网页的工具，而目前用来生成动态网页的软件都是为大型多用户操作系统设 计，则让嵌入式系统能生成动态实时数据的网页问题是亟待解决的另一问题1 1 4 1 。 目前，网页上实现动态交互的技术主要有c g i 、p h p 和a s p 。公共网关接 口c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 是一种服务器与浏览器信息交换的标准接口。 在物理上，c g i 是一段程序，它运行在服务器上，提供与客户端h t m l 页面的 接口，完成h t m l 无法做到的交互功能【3 2 】。c g i 除了执行效率慢以外，其运行 稳定性、系统安全性及编程语言的多样性等性能均比p h p 和a s p 优越，同时考 虑到工业控制的实际情况，对稳定和安全性的要求较高，而且不会有大量请求同 时并发，因此选用c g i 作为服务器与浏览器之间的交互接口，实现动态网页的 生成。 1 3 本课题的提出 在工业应用、家庭网络中，一般的系统大多是控制在现场解决，而将少量 的一些现场参数通过网络传送远方用于监控，远方发出的控制通常也不多。如果 为每台设备都嵌入一个w e b 服务器，从成本和可行性上考虑都是不很理想，通 过分析比较了国内外嵌入式系统接入i n t e r n e t 的几种实现方法，并阅读了大量国 内外文献，本文提出一种基于a r m 9 + “n u x 实现嵌入式w e b 服务器的方案，该 系统实现直接在设备中嵌入嵌入式w e b 服务器，其它低档处理器设备通过1 2 c 总线与本系统进行通信，即它同时具有一定的网关的功能；硬件架构角度来看， 采用s 3 c 2 4 1 0 + c p l d 构成核心电路，c p l d 器件的好处除了能产生电路所需的 控制信号外，把s 3 c 2 4 1 0 的地址、数据总线及多余的控制信号连接到c p l d 器 件上，由于支持它支持j t a g 调试与下载，因此便于系统调试和功能的扩展与升 级。其中嵌入式i n t e r n e t 的架构见图1 2 【j 。 除了用户界面，大部分嵌入式系统还有一个用来进行状态监控和系统诊断 的外部界面。传统上这是串口终端的形式实现的，但在工业中逐渐发现了远程诊 断的好处，因为w e b 浏览器广泛使用，所以它是用户界面的合理选择。从技术 上讲，浏览器就是w e b 客户端，这就意味着嵌入式系统必须是w e b 服务器。 手机 嵌入式设备 图1 2 嵌入式i n t e m e t 架构 硕士学位论文 本文的主要研究工作主要体现在以下几个方面： 第1 章，绪论。分析了网络监控系统的发展历程和前景，以嵌入式系统为研 究背景，结合i n t e r n e t 网络传输理论，提出了一种基于a r m 平台的嵌入式w e b 服务器技术。 第2 章，a r m 嵌入式系统开发平台的构建。选用三星公司的s 3 c 2 4 1 0 处理 器，采用l i n u x 操作系统，搭建了嵌入式系统的软硬件开发平台，此平台具备了 开发嵌入式w e b 服务器的功能。， 第3 章，嵌入式w e b 服务器的硬件设计。开发了嵌入式w e b 服务器硬件电 路系统，包括电源电路模块、时钟电路模块、j t a g 电路模块、串口通信电路、存 储模块及扩展电路等，完成了总体硬件电路原理图的设计及p c b 制版。 第4 章，嵌入式l i n u x 系统的软件设计。完成了一个嵌入式系统最小系统 运行需要的软件系统，包括内核启动程序、内核、文件系统；设计了将驱动程序 如网络驱动程序加载到内核映像文件的方法，并对l i n u x 软件系统进行了调试和 运行。 第5 章，嵌入式w e b 服务器协议分析。分析了常见的t c p i p 和h t t p 协议， 深入研究了嵌入式w e b 原理并对b o a 服务器的程序结构进行了剖析，结合w e b 应用编写系统内核程序。 第6 章，嵌入式w e b 服务器的应用。成功将嵌入式w e b 服务器技术应用于 中央空调远程监控系统，经测试表明，系统运行稳定，实现了对中央空调的温度、 压力及故障报警等参数远程监控，达到了预期的设计的目标。 7 基于a r m 平台的嵌入式w 曲服务器的研究与实现 第2 章a r m 嵌入式系统总体平台的构建 按照嵌入式系统的工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成7 个阶段： 产品定义、硬件与软件划分、迭代与实现、详细的硬件与软件设计、硬件与软件 集成、接受测试和维护与升级，嵌入式系统设计的各个阶段见图2 1 i 引。前三个 阶段确定要解决的问题及需要完成的目标，也常被称为“需求阶段”；第四阶段主 要解决如何在给定的约束条件下完成用户的要求；后三个阶段主要解决如何在选 择的硬件和软件的基础上进行整个软硬件系统的协调实现。其中第四阶段的嵌 入式硬件设计包括原理图和p c b 布线两部分；软件设计则包括b o o t l o a d e r 设计、 驱动程序设计、应用程序设计，如果需要甚至可能还要自己设计操作系统1 5 1 。 嵌入式产品通常是由针对性地，也就是指专名执行某项任务的平台。并且 嵌入式设备要完成的任务通常有严格的要求，所以嵌入式系统也意味着高度优 化。在开始第一步产品定义时，还需要考虑设计是否便于实现：不仅在技术上， 还要看该产品在市场上是否有竞争力。 2 1 硬件平台 第 _ 阶 段 第 二 阶 段 第 = 阶 段 第 第 第 五六 七 臣 罄篷 图2 1 嵌入式系统设计的各个阶段 2 1 1 微处理器的选型 嵌入式系统在硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、i o 设备、 通信模块等必要的外设，其中处理器的选型是最重要的。 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有【2 2 】： ( 1 ) 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率， 内部寄存器的大小，指令是否对等所有的寄存器等。对于许多需要使用处理器的 嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够 完成功能的处理器和i o 子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考 8 硕上学位论文 虑某些新的处理器，其价格相对低廉，如i b m 和m o t o r o l ap o w e rp c 。 ( 2 ) 技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少 了芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要 求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其 次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制 器，串行设备、时钟等的配套。 ( 3 ) 功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是各种消费类电子产 品和有特定用途的工业场合。这些产品中选购的微处理器，典型的特点是要求高 性能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了这个领域。今天，用户可以买到 一颗嵌入式的微处理器，其速度像笔记本中的p e n t i u m 一样快；而它仅使用普通 电池供电即可，并且价格很便宜。 ( 4 ) 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也 是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 ( 5 ) 是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 ( 6 ) 是否有成熟的评估板设计。许多处理器供应商可以提供评估板来验证 理论是否正确，决策是否得当。 在这个过程中，我们主要从处理器性能、软件的支持程度、成本、功耗、 稳定性这几个方面进行分析，选择s a m s u n g 公司推出的a r m 处理器s 3 c 2 4 1 0 作为核心器件。s 3 c 2 4 1 0 芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线，提供 1 1 m i p s 的性能是高性能和低功耗的宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的m m u 指 令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总线接口。 s 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使整个系统消 耗降到最低，它的硬件组成结构见图2 2 。正是因为它具有很多常用的功能模块， 所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。片上集成的功能主要包括以下几个方面 1 1 6 】： ( 1 ) 1 8 v a r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数据缓存和m m u 的微处理器； ( 2 ) 外部存储控制器s d r a m 控制和片选逻辑； ( 3 ) l c d 控制器支持4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ，1 通道l c d 专用d m a ； ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； ( 5 ) 3 通道u a i 汀和2 通道s p i ； ( 6 ) 1 通道1 2 c 总线控制器，1 通道i i s 总线控制器； ( 7 ) 2 个u s b 主机和1 个u s b 设备，支持u s b l 1 协议； ( 8 ) 4 通道p w m 计时器，1 通道内部计时器； 9 基于a r m 平台的嵌入式w e b 服务器的研究与实现 ( 9 ) 看门狗电路； ( 1 0 ) 1 1 7 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； ( 1 1 ) 电源控制常规缓慢空闲和断电模式； ( 1 2 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； ( 1 3 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ： ( 1 4 ) 具有锁相环的片上时钟发生器。 由s 3 c 2 4 1 0 的上述特点可以看出这种芯片功能强大，集成了各种常用的重 要接口，如u a i 汀、s p i 、1 2 c 、s d 卡、u s b 接口和触摸屏接口等。接口应用范 围很广，适用于工业控制等领域。而且，s a m s u n g 公司采用了独特的设计技术， 在控制器内部集成了n a n df l a s h 控制器，对n a n df l a s h 提供支持，这可以进 一步简化硬件电路的设计并压缩产品成本【3 0 】；而且，现在应用比较广泛的几大 嵌入式操作系统都对s 3 c 2 4 1 0 提供了良好的支持，因此在使用s 3 c 2 4 1 0 不用担 心没有充足的软件资源。圈铺冈 回 lu 靼主控制l ：= 冷l8i = ：令l 中断控制l 窖纠l 曩l l 竺生j 广一0 竺竺：i u 翌圜 q 时滞器目厂i 忑订 l1 2 c 总线l 牟冷l 1 2 s 总线 l 牟冷l o l 仁i 叭 i 夺令l 瞄 l 错e 墨篓羹 、置昌量露嚣器罱置置盈l 图2 2s 3 c ：2 4 1 0 硬件组成结构图 2 1 2 硬件平台的调试接口 硬件调试是嵌入式系统进行实际调试的第一步。首先保障硬件电路完好、 没有设计问题，然后才能进行软件设计。否则在调试的过程中，会因为过多的不 确定因素，影响调试进度。关于嵌入式系统的硬件调试，方法众多，在实际研究 工作中，采用了有别于传统调试方式的j t a g 调试技术，j t a g 接口调试见图2 3 。 1 0 硕士学位论文 图2 3 脚接口调试框图 借助于示波器、逻辑分析仪、仿真器等传统的调试工具及方法存在过分依 赖芯片引脚、不能在处理器高速运行下正常工作、占有系统资源且不能实时跟踪 和置硬件断点、价格过于昂贵等弊端。目前嵌入式高端处理器常常运行在 1 0 0 m h z 以上，并且内部控制以及内部存储器的总线信号并不体现在外部引脚 上。这种深度嵌入、软件负责的发展趋势给传统的调试工具带来了不便，这就需 要更先进的调试技术和工具进行配套。因此片上调试技术应运而生，这里讲述使 用最广的j t a g 技术。 j t a g 是为了满足当今嵌入式系统调试的需要而被i e e e l l 4 9 1 标准所采纳， 它遵循1 1 4 9 1 标准，是面向用户的测试接口，是a r m 处理器调试的基础。 在a r m 处理器中，芯片内包含了一个测试访问接口控制器( t a p ) 。它由 一个1 6 状态的有限状态机以及若干寄存器组成。一旦进入调试状态，通过不同 的测试指令来完成不同的测试功能。包括用于外部电气连接和外围芯片功能额外 部模式，以及用于芯片内部功能测试的内部模式【4 4 1 。其优点如下： ( 1 ) 可以通过j t a g 操作扫描测试整个板的电气连接，特别为表贴元件提供 方便； ( 2 ) 可以软件下载、执行、调试和控制，为实时跟踪调试提供路径： ( 3 ) 可以提供实时跟踪和硬件断点的功能； ( 4 ) 可以进行多内核和多处理器的板级和芯片级的调试。 2 2 软件平台 2 2 1 操作系统的选择 硬件方案确定之后，操作系统的选择就相对轻松了。硬件的不同会影响操 作系统的选择。低端无m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，存储器管理单元) 的 c p u ，可选择使用u c l i n u x 操作系统；而相对高端的硬件系统，则可以用普通的 嵌入式l i n u x 操作系统。u c l i n u x 和普通的l i n u x 有各自的优势和缺点。其实， 可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是如何选择一个适合开发项 目的操作系统【2 引。经过开发实践，我们认为应该从以下几点进行考虑： 基于a r m 平台的嵌入式、b 服务器的研究与实现 ( 1 ) 操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统( i 汀0 s ) 只支持该系统供 应商的开发工具，因此，还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等；而有 些操作系统使用广泛，且有第三方工具可用，因此，选择的余地比较大。 ( 2 ) 操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要 的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可 移植性程度高的操作系统，避免操作系统难以向硬件移植而带来的种种困难，加 速系统的开发进度。 ( 3 ) 操作系统的内存要求。均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m 或 e e p r o m 来迎合操作系统对内存的较大要求。 ( 4 ) 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的a p i 。 ( 5 ) 操作系统是否提供硬件的驱动程序，如网卡等。 ( 6 ) 操作系统的可剪裁性。有些操作系统具有较强的可剪裁性，如嵌入式 l i n u x 、v x w o r k s 等等。 ( 7 ) 操作系统的实时性能。 本课题选择嵌入式l i n u x 作为操作系统。因为l i n u x 系统具有卓越的性能、 开放的源代码、模块化设计、支持多种硬件平台以及函数接口符合国际和工业标 准等优点，在操作系统中尤其是嵌入式系统中得到了广泛的应用。相对于其他嵌 入式操作系统，l i n u x 在很多方面独具特色。和目前流行的专用嵌入式操作系统 相比，嵌入式“n u x 操作系统具有以下优势1 3 2 】： 首先，l i n u x 是模块化设计的操作系统。用户可以方便地对其进行配置，去 除系统不需要的模块以减小开销。 第二，l i n u x 已经成功地运行在多种体系的处理器上，其中大部分都可以用 于嵌入式系统。 第三，具有小巧的功能完善的内核。嵌入式操作系统的硬件容量都非常有 限，通常是采用软件固化的方法，将程序和操作系统“嵌入”到整个产品中。 l i n u x 内核小，并且裁减方便，从根本上解决了嵌入式应用中，体积和功能的矛 盾。 第四，l i n u x 在进程管理、内存管理方面功能强大，可以满足嵌入式系统绝 大多数应用的复杂要求 第五，强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于i n t e r n e t 并具有u n i x 的特性， 这就保证了它支持所有标准i n t e r n e t 协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将 其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。 第六，具有很高的适应性和可靠性。和其它运行于p c 上的系统相比，因为 l i n u x 继承了u n i x 的优点，在适应性和稳定性方面性能是非常突出的，而嵌入 式l i n u x 也是如此。 硕士学位论文 第七，嵌入式l i n u x 的可移植性。将l i n u x 移植到新的微处理器体系比较容 易，一般是将其移植到一种新型的目标板，其中包含有独特的外设。大部分的内 核代码都是相同的，因为它们与微处理器无关，所以，移植的工作多集中在一些 存储器管理及中断处理程序上，一旦完成，它们将非常稳定。 第八，支持大量的周边硬件设备。l i n u x 上的驱动已经非常丰富，它们支持 各种主流硬件设备和最新硬件技术。 最后，软件开发者的广泛支持。l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程序员 投入到l i n u x 的开发和测试中来，这使得l i n u x 在短时间内就成为一个功能强大 的操作系统。 2 2 2 软件系统的交叉编译环境 由于嵌入式系统资源有限，所以很难在嵌入式系统的硬件平台上进行软件 开发。通常解决的方法是在台式计算机上编好程序，通过交叉编译生成可在目标 板上运行的二进制代码，然后将生成的二进制代码下载到目标板的特定位置运 行。需要交叉编译环境是嵌入式软件开发时的一个显著特点。所谓交叉编译环境 是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境 有所不同，通常采用宿主机目标机模式。一般而言，宿主机就是通用的台式计 算机，目标机就是待开发的嵌入式系统。 对于l i n u x 下的开发环境，最重要的是一个交叉编译器，其次是一个标准 的c 库。然而编译一个可靠的a r m 交叉编译器是非常复杂的工作，有两种方法 可以得到一个a r m 交叉编译器【3 7 1 。 ( 1 ) 到专门为a r m 开发建立的网站下载一个别人编译好的编译器，如网 站f t p ：f t p a r m 1 i 仰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 ，这里提供了多个版本的交叉 编译