（电路与系统专业论文）基于BS网络结构的嵌入式web服务器[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学瑚l 学位论史 摘要 嵌入式系统从产生到现在已有三十多年的历史，近年来随着半导体技术的飞 速发展，嵌入式处理器的性能f 乜越来越强大，嵌入式处理器在应用数量上远远超 过了各种通用计算机处理器。从1 9 8 5 年第一个a r m 原型在英国剑桥诞生以来， a r m 3 2 位嵌入式r i s c 处理器的应用已经扩展到各个领域，占掘了3 2 位应用的 大部分市场。同刚由于工业自动化系统的逐渐普及，伴随着计算机网络技术的发 展和应用，网络的应用必然将渗透到工业应用领域，通过计算机网络进行工业设 各的远程监控成为一种迫切的需求。 嵌入式l i n u x 因为其的多个特点：开放源代码；可裁减内核，内置各种网络 支持而获得了大量应用。u c l i n u x 作为嵌入式l i n u x 的一个分支，主要应用于无 m m u ( 内存管理单元1 的微处理器领域。 远程监控技术是将计算机网络技术应用到设备监控中，通过i n t e m e t 或者 i n t r a n e t 实时地监控工业设备，获取各种数据，同时为漫备的维护和升级提供依 据。而现有工业现场c a n 等并不能与i n t e m e t 直接连接。因此有必要实现一个 进行网络之间的互联系统。 本论文研究了基于a r m 7 t d m i 核的a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 的应用，实现了 一个嵌入式w e b 服务器，该系统以b s 网络模式构建，其核心为s 3 c 4 4 b o x ，并 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。本 系统可以完成c a n 与e t h e m e t 的互联，并具有一些基本的接口，能对工业设备 进行一些监控活动。本文同时论述了在a r m 系统设计过程和u c l i n u x 移植过程 中所遇到的一些问题以及其解决方法，具有较高的实践和研究价值。我们所实现 的这个系统具有低成本，高性能的特点，有广阔的应用前景。在本文的最后对设 计工作进行了总结并对嵌入式系统的应用进行了展望。 关键词：嵌入式微处理器；a r m ；u c u n u x ；移植；调试 基十b s 叫络结构的嵌入式w e b 服务器 a b s t r a c t i th a sb e e nm o r et h a n3 0y e a r ss i n c et h ee m b e d d e ds y s t e mh a db e e nl n v e n t e d i n t h er e c e n ty e a r s ，t h ee m b e d e ds y s t e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep o w e r f u lw i t ht h e d e v e l o p e m e n to fc m o st e c h n o l o g y t h ee m b e d e dc p u sh a v eo u t n u m b e r e dt h e g e n e r a lc p u s i n c e t h ei n v e n t i o no ft h ef i r s ta r mp r o t o t y p ei nc a m b r i d g ei n e n g l a n d t h e3 2 - b i ta r mr i s cc p uh a sb e e nu s e di na l lk i n d so ff i e l d sa n di t h a s o c c u p i e dm o s tm a r c k e t o ft h e3 2 - b i t a p p l i c a t i o n w i t h t h e p o p u l a r i z a t i o n o f a u t o m a t i z a t i o ns y s t e mi n i n d u s t r ya n dw i t ht h ed e v e l o p e m e n ta n da p p l i c a t i o no f c o m p u t e rn e t w o r k ，t h en e t w o r ki ss u r et ob eu s e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i tw i l lb e e x i g e n to ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l u s e di ni n d u s t r i a ld e v i c e s t h ee m b e d e dl i n u xg o tt h ec h a r a c t e r i s t i c sb e l o w ：o p e ns o u r c e ；c a nb ee a s i l y c u s t o m i z e d ；t h es u p p o r tf o ra l lk i n d so fn e t w o r k a sab r a n c ho fe m b e d e dl i n u x u c l i n u xi sm a i n l yu s e di nn o n m m um c uf i e l d t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g yi sa p p l y i n gc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g yu p o nd e v i c em o n i t o r i n g ，i ti st h r o u g hi n t e r n e t o ri n t r a n e tt h a tt h e i n d u s t r i a ld e v i c e sc a l lb em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d a n dt h en e c e s s a r yd a t ac a nb e a c h i e v e d u n f o r t u n a t e l y t h ec u r r e n tf i e l db u ss u c h 勰c a nc a n tb ec o n n e c t e dt o i n t e m e td i r e c t l y s oi ti sn e c e s s a r yt oi m p l e m e n tas y s t e mw h i c hc a ni n t e r c o n n e c tt h e n e t w o r k s i nt h i sp a p e r ，w es t u d yt h ea p p l i c a t i o no fs 3 c 4 4 b o xb a s e do na r m 7 t d m i a r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n tae m b 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 t w o r k m o d e t h es e r 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 hs c h e d u l e st h et a s k s a n db u i l dt h eb o an e t w o r ks e r v e ri s p o r t e dt o s 3 c 4 4 b o x t h es y s t e mc a n i n t e r c o n n e c tc a na n de t h e r n e t ，i tc o n t a i n ss o m eb a s i ci n t e r f a c e s ，s u c ha sr s 2 3 2 t h e p a p e rd i s c u s s e st h ep r o b l e m st h a tm a yb em e td u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fa r m s y s t e ma n dp o r t i n gp r o c e s so fu c l i n u xa n dr a i s et h es o l u t i o n st ot h ep r o b l e m s n e s y s t e mc o s t sl e s sa n dh a sh j i g hp e r f o r m a n c e ，i th a sab r i g h tf u t u r e a tl a s t ，t h ep a p e r s u m m a r i z et h ed e s i g nw o r ka n dm a k eav i s t ao ft h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d e d s y s t e m k e y w o r d ：e m b e d e dm p u ；a r m ；u c l i n u x ；p o r t ；d e b u g 浙江大学倾十学位论空 引言 自1 9 7 1 年i n t e l 发明第一款微处理器4 0 0 4 以来，微处理器就已经成为生活 中的一部分，尤其是其在工业控制及汽车电子等方面的应用更为广泛。然雨出于 半导体工艺发展水平的限制及由此导致的微处理器的性能不高，嵌入式系统发展 一直比较平稳，直到近年，随着处理器性能的快速发展，微处理器爿产生了爆炸 式的发展，对我们的生活的各个方面产生了前所未有的巨大影响。 现在，嵌入式系统已经成为计算机领域的一个重要组成部分。传统的p c 机 主要应用在办公自动化领域，而嵌入式系统则已广泛渗透到人们的工作、生活中。 嵌入式设备几乎涵盖了人们市场生活中接触到的所有电子设备：从家用电器、手 持通讯设备到仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备等。据统计，每年只有1 0 ，2 0 的c p u 是为通用计算机设计的，这同时意味着每年有1 0 至2 0 亿个c p u 是为嵌 入式设备而设计制造的。美国著名未来学家n i c h o l a sn e g r o p o n t e 于1 9 9 9 年1 月 访华时曾预言，4 5 年后嵌入式智能工具将是p c 和因特网之后晟伟大的发明。 据统计，嵌入式处理器的数量占分散处理器的9 4 ，而p c 机用的处理器只占 6 【l j 。在最近几年，嵌入式系统不断被应用到新的领域，如航天设备、智能电话 等。 嵌入式系统拥有非常大的市场。在世界范围内，嵌入式系统的工业年产值超 过1 万亿美元。未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美 园产生每年1 5 0 0 亿美元的新市场。而我国电子信息产、2 0 0 3 年达到了1 8 2 万 亿元规模，而2 0 0 4 年完成产品销售收入2 ，6 5 万亿元。针对如此巨大的市场，围 绕嵌入式系统展开研究和开发也就成了计算机软硬件发展最活跃的方向之一。 本文所要实现的嵌入式w e b 服务器就是嵌入式系统与i r t t e r n e t 技术相结合产 生的，它通过在已有的嵌入式系统上增加i n t e m e t 和c a n 的接入能力来扩展其 功能，并将之应用到工业监控的领域，使 。业控制中的传统总线c a n 可以与 i n t e m e t 相互通信。以b s 网络结构的方式对工业设备进行监控，可有效降低成 本，提高效率。成为嵌入式系统改变工业生产，提高生产率的又一实例。 在传统的工业监控设备中，控制端往往采用工控机，现场采用c a n 总线标 准，这种方式不仅成本高，而且维护和扩展颇为不便，而本设计中采用嵌入式 w e b 服务器解决以上问题，仅仅通过一台普通的i 叮以接入h n l e m e t 的p c 机就可 以对挂接在各种现场工业总线上的工业设备进行监控，极大地降低了网络改造的 费用及由此造成的损失。 基十b s 嘲络结构的嵌八式w e b 服务器 第一章嵌入式系统概述 1 1 嵌入式系统发展概述 嵌入式系统( e m b e d e ds y s t e m ) 的开发有着其特殊的环境与过程。它在于结合 微处理器的系统电路及其专属的软件，来达到系统操作效率成本的最高比。今天 的各种电子产品及工业控制设备，如电视、手机、p d a 等无。不包含嵌入式系 统。正在丌发中的机顶盒、智能电话及未来的智能型家电等设备也都少不了嵌入 式系统的参与。 1 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的发展可以追溯到i 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。但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卜年中彻底 地改变了人类的生活。到如今，嵌入式系统已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 ，l e e ) 给“嵌入 式系统”下了一个定义：“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巾心，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；一切操作由微处理完成，不需要人的干预f 2 】。 过去业界按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分 为大型计算机、中型机、小型机和微计算机。近1 0 年来随着计算机技术的迅速 发展，实际情况产生了根本性的变化。随着计算机技术和产品对其它行业的7 “泛 渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应 用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算桃具有计算机 的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现并应用在社会的各个方 面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装 置、产品和系统中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、硬盘、显卡、显示器 等均包含嵌入式处理器。 嵌入式技术的发展过程，大致可以分为四个阶段【”。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。这类系统一般应用 浙江大学坝l 学位论史 于一些专业性强的工业控制系统中，无操作系统的支持。其主要特点是：系统功 能革，处理效率低，存储容量较小，几乎没有用户接口。嵌入式系统发展到今 天，这种系统已经远不能满足用户需求。 第：二阶段是以嵌入式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；系统丌销小，效率高：操作系 统达到一一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化。但用户界面不够友好。 第三阶段的嵌入式系统结合了嵌入式操作系统，从而兼具了嵌入式操作系统 的一些优良特性，如兼容性好，效率高，支持网络等。 第四阶段是与计算机网络尤其是i n t e r n e t 相结合的嵌入式系统。这项技术正 在迅速发展。目前大多数嵌入式系统是彼此孤立的，不能互相通信，或者仅能在 小范围内通信，但随着计算机网络技术的发展以及其与信息家电、工业控制技术 结合日益密切，嵌入式技术与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 本文所介绍的w e b 服务器兼具第三与第网阶段的核心技术。 1 1 2 嵌入式系统的组成 一般来说，嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，图1 1 为一个简单的嵌 入式系统的结构图。本系统的基本架构也如此。 斟1 , 1 嵌入式系统结构框魁 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。 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，芯片型号更是多达干种以卜。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。当前嵌入式处理器的速度一般为0 1 2 0 0 0 m i p s 。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i p 核供应商，如a r m 、m i p s 等。 皋干b s 刚络结构的曦入式w e b 服务器 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。 业界一般将嵌入式处理器分为4 类： 一嵌入式微处理器( e m b e 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 ，安装丁一块母板之上，所有的 外设都处于芯片之外，芯片内之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。 一嵌入式微控$ 1 ：器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器将一些分立的功能模块和外设，例如r o m 、r a m 、a d c 等，集成于单块芯片中，完成嵌入式处理系统一块母板完成的功能，所以又叫做 单片机。目前该类芯片包括8 0 5 1 系列、p 1 c 系列等，约l i 嵌入式系统市场的7 0 左右。 - 嵌入式数字信号处理器( d i g i t a is i g n a lp r o c 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( h a w a r d ) 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，同时采用一系列措施保证 处理速度，如对快速傅立时变换( f v a 3 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。 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f i p ) 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 按技术 分可分为3 类：c s o c ，s o p c 和a s i cs o c 。其它如p s o c 、e p g a 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 i p s 系列和类指令系 列，性能成本各有千秋。 目前工业控制中所用的多数是m c u 。因为与工控机相比，m c u 具有体积小、 成本低、功耗低、可靠性高的优点。但是m c u 的总线一般是4 位、8 位或者1 6 位的，而e m p u 则采用3 2 位或6 4 位的总线，因此e m p u 采用的是比m c u 更 为先进的技术，e m p u 必将取代m c u 成为主流。而在e m p u 的几类内核架构中， a r m 核占了3 2 位r i s c 微处理器市场的7 5 以上。 有鉴于此，本设计采用a r m 7 t d m i 内核架构的芯片作为系统核心处理器。 l 1 3 嵌入式系统设计所面临的问题 在嵌入式系统设计中遇到的主要问题来源于设计需求，即所谓的外部约束。 其中包括以下一些问题f 4 1 。 1 硬件的选择。包括选择c p u 的类型，存储器的容量和必需的外设。在 早rb s 刚络结构的曦入，w e b 月娃务器 他们并1 i 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 些必要的外设来生产各个应用领域的处理器芯片。 业界一般将嵌入式处理器分为4 类： _ 嵌入式微处理器( e m b e d e dm i c r op r o c e s s o r u 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 安装丁一块母板之h ，所有的 外设都处于芯片之外，芯片内之保留处理器内核和一些必要的存储区。这娄处理 器主要自a r m 、x 8 6 、6 8 k 等。 一嵌入式微控制器f m i c mc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器将一些分立的功能模块和外设，例如r o m 、r a m 、a d c 等，集成于单块芯片中，完成嵌入式处理系统一块母板完成的功能，所以义叫做 单片机。目前该类芯片包括8 0 5 1 系列、p i c 系列等，约占嵌入式系统f h 场的7 0 庄右。 - 嵌入式数字信号处理器f d i 西t a ls i g n a lp r o c 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，以使其更适腑快速的数字信号处理运 算。大多数d s p 采用了哈佛( h a r v a r d ) 结构，将程序和数据存储区分丌，以不同 的地址数据总线分别对稗序和数据进行读取或存储，同时采用一系列措施保证 处理速度，如对快速傅立叶变换( f f i ) 酗j 专门优化。这类处理器目前主要有t i 公 ，q 的7 f m s 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 系列。 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_ l i = | 多方面知识产权r i p ) 将复杂的系统集成到块芯片 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 按技术 分可分为3 类：c s o c ，s o p c 和a s i cs o c 。其它如p s o c 、e p g a 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 1 p s 系列和类指令系 列，性能成本各有r 秋。 目前工业控制中所用的多数是m c u 。因为与工控机相比，m c u 具有体积小、 成本低、功耗低、可靠性高的优点。但足m c u 的总线般是4 位、8 位或者1 6 位的，而e m p u 则采用3 2 位或6 4 位的总线，凼此e m p u 采用的是比m c u 更 为先进的技术，e m p u 必将取代m c u 成为主流。而在e m p u 的几类内核架构中， a r m 核占了3 2 位r i s c 微处理器市场的7 5 以上。 有浆于此，本设计采用a r m 7 t d m i 内核架构的芯片作为系统核心处理器。 1 1 3 嵌入式系统设计所面l 临的问题 在嵌入式系统设计中遇到的主要问题来源于设计需求，即所谓的外部约束。 嬉中包括以下一些问题1 4 1 。 1 硬件的选择。包括选择c p u 的类型，存储器的容量和必需的外设。a 1 硬件的选择。包括选择c p u 的类型，存储器的容量和必需的外设。在 浙江大学颂士学位论文 完成功能的前提下，需要尽可能地压缩成本。 2 。满足时限。一味c p u 的时钟频率著不能提高程序的执行速度，因为存 储系统的带宽和速度对执行速度也有很大的影响。 3 系统功耗问题。这对于手持设各尤其重要。应降低非主要部分的功耗， 有时可以降低c p u 工作频率。 4 系统的可升级性。系统硬件可能使用几代，升级系统通过升级软件来实 现。因此通过设计硬件使之能支持升级后的软件就成为一个关键问题。 5 系统的可靠性。可靠性是 工页非常重要的指标，尤其对于某些对可靠性 要求极高的系统，如安全控制系统，航空控制系统等。 6 测试复杂性。多数嵌入式系统没有通用计算机的输入输出设备，因此刁i 能采用常规的方法进行测试。须结合系统工作的整个环境来测试。 7 开发环境。开发嵌入式系统软件必须依赖于p c 上的一些开发程序。 针对以上这些问题，必须根据实际情况采取相应的措施，从系统的整体进行 考虑才能较好地解决。 1 2 嵌入式系统硬件比较 在目前的市场上存在多种流行的c p u 架构，仅3 2 位的c p u 架构就有1 0 0 种以上的芯片型号。这些芯片性能、功耗差异较大分别针对不同的应用领域。 如何从中选取适合本系统的芯片就必须分析各个主要的c p u 架构。 1 2 1 微处理的分类 主流的3 2 位c p u 架构主要有x 8 6 、6 8 k 、a r m 、m i p s 、p o w e rp c 等【”。下 面介绍这些架构的主要特点。 - 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1 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 。今目的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。 - 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 e l 、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 剧c o i df i r e 系统微处理器。 摹于b s 网络结构的嵌入式w e b 服务器 一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i p 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 | 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 i p s 架构 m 1 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y 0 ) 和m i p s 6 4 ( 6 4 位系列) 。这是唯一一种能提供6 4 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 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。 1 2 2 微处理器的选型 面对众多的微处理器类型，如何选择才最合适? 在一个设计中使用什么样的 嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、丌发的难易程度 等因素。表1 1 为几种常见的嵌入式处理器的性能和应用场合。 处理器类型价格性能主要应用场合 x 8 6 高功耗高，性能高个人电脑 6 8 k高 功耗高，性能高桌砥系统。p d a ，工业控制 a r m低功耗低，性能较高 个人便携设备，网络通信，消费妮乐电子 m i p s 较低 功耗低，性能较高工业控制，便携通信，办公自动化 p o w e r p c 高功耗较高，性能高 游戏机、刀片式服务器和网络通信设备领域 表1 1 常见嵌入式处理器比较 a r m 是一种近年来在嵌入式系统颇有影响力的微处理器，a r m 的设计非常 适合于小的电源供电系统。a p p l e 在n e w t o n 手持计算机中使用a r m 。在很多网 络设备中和手持游戏设备中也能找到a r m 核的芯片。如果是面向高性能的应用， 则可以考虑某些新的处理器，这些处理器价格极为低廉，如i b m 和m o t o r o l a 的 p o w e rp c 。另一种趋势就是越来越多的人在磁盘控制器，数码相机，手持电话，调制 解调器等方面使用d s p 。但d s p 不能完全替代c p u 的功能。因此现在出现了将 浙江大学碳1 学位论文 c p u 和d p s 核集成在一起的微处理器。对于需要低功耗的场合，例如手持设备， p d a ，手桃等产品，这些产品中选购的微处理器除了要有很高的性能外，还要有 极低的功耗，此时，a r m 就是一个不错的选择。 选择针对特定应用的专用集成处理器可以最大限度的改善系统性能。 综合各个因素，我们在本次设计的嵌入式w e b 服务器中选择了a r m 7 t d m i 核的c p u 。该c p u 成本较低，功耗较低，非常适宜应用在电池供电的系统巾。 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片在网络应用l i _ 】的表现1 分优秀，它集成了许多外 围设备，有一个1 0 m 1 0 0 m 的以太网接口，两个u a r t ，一个h d l cf 1 ，及外 设接口。但由于这块芯片已经停产，所以我们选择与$ 3 c 4 5 1 0 1 3 同一系列的 s 3 c 4 4 8 0 x 来完成此设计。 1 3 嵌入式系统软件设计 嵌入式系统由硬件和软件构成，离开了软件，硬件就无法工作。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 俺+ + 、j a v a 等来编写。在嵌入式操作系统 ( e m b e d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 出现之前，所有的系统初始化和控制工作都由用 户来完成，而当嵌入式操作系统诞生后，许多工作都由操作系统完成，这样就大 大减轻了用户的工作强度，但这样有可能降低系统性能。 1 3 1 不带操作系统的嵌入式软件系统 在嵌入式系统出现至嵌入式操作系统问世之前的很长一段时间内，设计者要 提供所有低级i o 的控制和初始化。即使是在嵌入式操作系统技术已比较成熟的 现在，大多数的嵌入式系统还是无操作系统支持的，因此，如何尽可能地提高程 序执行的效率，减少系统资源消耗就成为编程人员所要思考的首要问题。 在无操作系统参与的情况下，编程人员必须对硬件的架构非常了解，因为他 们必须完成对芯片和外围设备的初始化工作，完成整个系统的功能实现。 通常，当系统较为简单，完成的功能不多的情况下，可以不使用嵌入式操作 系统，而直接开发支持目标机的软件。简单的无操作系统的嵌入式软件设计一1 般 有下列几种方式1 6 j ： 1 前后台系统 一般的小系统可以设计成前后台系统。后台是一个无限循环，循环执行多 个事件，掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度。通常 在系统运行时就存在。前台则是中断服务程序处理异步事件。后台可以称为任务 级，前台可以称为中断级。这种系统的实时性有一定的问题。 2 中断( 事件) 驱动系统 摹于b s 网络结卡勾的嵌入式w e b 服务器 对于低功耗系统的设计，可以采用中断驱动的程序没计方法。整个软件系统 完全由中断服务程序实现。没有发生事件时，进入低功耗状态，发生中断时，处 理器进入运行，这过程中没有主程序的循环执行。 3 循环服务系统 由于嵌入式微处理器微控制器的中断源不多，而外部事件众多，因此采用 中断驱动系统有一定的局限性。当然，可以进行中断的硬件扩展，f h - 造成系统复 杂、成本高、浪费处理器的其他资源等问题。另一种方法是采用软件的方法，类 似前后台系统，对外部事件进行轮询和处理。 4 基于定时器的循环服务方式 循环服务系统中，处理器一直处于工作状念，功耗较高，不大适合需要极低 功耗的场合。若外部事件发生不频繁，可以采用基于定时器的循环服务方法，在 定时器的中断服务程序中对外部事件进行检测和处理。 1 3 2 嵌入式操作系统的特点和优势 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。 1 9 8 1 年，世界上第一个商业嵌入式实时内核由r e a d ys y s t e m 公司开发成功， 这个实时内核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务问通信、同 步与互斥、中断、内存管理等。此后，嵌入式操作系统获得了快速的发展，出现 了上百种的嵌入式系统内核。一般，嵌入式操作系统可以分为两类， 类是面向 控制、通信等领域的实时操作系统，如美国w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、美国i s i ( i n t e r g r a t e ds y s t e mi n c ) 公司的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 公司 的n u c l e u s 等：另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括微 软的w i n d o w s c e 、开源的嵌入式l i n u x 等。 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的j f 确程度，而且与这些操 作进行的时间有关。而非实时操作系统则与之不同。 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。 专用的实时操作系统( r x o s ) 。 代表性的产品有加拿大q s s l 公司开发的q n x 、美国w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s 、p s o s 和l y n x 实时系统公司的l y n x o s ，还有h o p e n ，中文名称为”女 娲”，它是由中科院开发的中国人自己的嵌入式操作系统。专用r t o s 的特点是： 浙江人学顾_ ：学位论文 模块化，实时性好，稳定性好，但是价格昂贵。一般不提供源代码，只提供_ 进 制代码。 w i n d o w s c e 微软开发的嵌入式操作系统。其应用编程接d ( m i ) 与w i n 3 2a p i 兼容。缺 点同样是源代码不公丌，对每个应用都要收取版税。另外，w i n c e 体积庞大， 占用很多的r o m 和r a m 。 嵌入式l i o 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。据i d g ( i n t e r n a t i o n a l d a t ac o r p o r a t i o n ) 预测嵌入式l i n u x 将占据未来两年的嵌入式操作系统份额的 5 0 。t a n u x 的主要特点为：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 ：有大量的并在才i 断增加的 开发：e 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。 表1 2 是几种流行的嵌入式操作系统的比较。 系统内核大小系统服务 实时性 可定制性 开放性应用领域 p a l m儿十k b幽形界面支持，较好可自由定多种软件p d a 开 o s t c p 1 p 网络协议 制支持发 嵌入式 从几十 u n i x 用户的开大部分嵌可自由定可得到各个领 l i l a t l kk b 到发上具和应用软入式m t l x制，选择u n 的域，特别 1 m b 件，各种网络协为1 f 实时需要的用 全部开发 往适合丁 议，xw i n d o w s ， 性 户模块 工具。 信息家电 多种高级语言编开发 译器 o n x内核仅 设备管理，图形实时性能可定制支持多静机顶盒、 1 2 k b 窗口支持，t c p i p一般c p u 、总 消费类电 网络协议 线和外设f 、服务 器系统等 u c o s晟小可至仅提供基本的内实时性极需定制服代码开工业控制 2 k b核系统服务好 务不多放，支持领域 多数c p u w i c e核心 图形窗口支持，多2 1 以前版 受约束较在厂商的车载电 5 0 0 k b ， 种文件系统支持，本实时性多。定制支持f 具脑、掌上j 整个系统t c p i p 网络协议差，3 0 后不便有很好的i b 脑等 1 5 m b 有所改善开放性 表1 2 各嵌入式操作系统比较 嵌入式操作系统类似于p c 机上的操作系统，如w i n d o w s 和u n i x 等，但决 不是台式视操作系统的简单裁剪和简化，而是由此演变发展雨来的。与其它传统 的操作系统相比，嵌入式操作具有稳定、开放、网络负载力强、占用系统资源小 攮于b s 网络结构的嵌入式w e b 服务器 以及运行费用低等特点，同时嵌入式操作系统均不要求片面追求高主频，高容量 内存等硬件支持，就能提高出较好的效能，并且有效解决了高主频c p u 为系统 带来的一连串闷题( 例如：耗电量大，发热量大等) ，提高了嵌入式系统长期运 行的可靠性，因此被广泛应用于军事计算机、特定功能的计算机系统、j 一业控制、 信息家电、办公自动化、移动通信、仪器仪表、医疗电子以及国防等领域。 1 3 3 嵌入式操作系统的移植 基本上所有的嵌入式操作系统都不是为特定的处理器设计的，它并不能通过 简单的下载方式，即直接将厂商提供的内核的二进制文件下载到嵌入式系统的 r o m 中然后运行，要使得某个操作系统在特定的c p u 上运行起来，必须修改一 些操作系统内核中与硬件相关的文件内容。例如主频的设置，i 0 口的地址，存 储映射方式等等。 一般柬说，将一个嵌入式操作系统移植到某个处理器硬件平台上的过程首先 是要编写操作系统的引导程序一b o o t l o a d e r ，b o o t l o a d e r 的主要功能是初始化一 些必要的硬件，主要是芯片的时钟和存储器以及一些外设。然后根据具体的硬件 设置相应修改嵌入式操作系统内核中涉及到与硬件进行交互的文件，必须按照设 计的嵌入式系统的硬件结构进行修改，否则就不能在该平台上运行嵌入式操作系 统。如果必要，还必须编写板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) 。板级支 持包在操作系统和硬件之问充当一个转换层的角色，操作系统必须通过b s p 对 硬件进行控制。最后，借助b o o t l o a d e r 或者j t a g 口将操作系统的镜像文件下载 到嵌入式系统的存储系统。 由于新的处理器不断出现，如果重新进行移植工作则会十分困难，此时，可 以借助具有相似硬件结构的其他型号处理器的移植经验，将之应用到新的处理器 型号上。本设计中采用的s 3 c 4 4 b o x 的移植工作便可以在早已完成的同类型产品 s 3 c 4 5 1 0 b 的基础上进行。 1 4 本文的研究内容 本文介绍了一个嵌入式w e b 服务器的设计方法，包括硬件架构设计和软件 平台设计，包括嵌入式操作系统和操作系统上的应用程序的移植。出于目前存在 的嵌入式w e b 服务器存在一些问题，比如成本高、体积大、功耗高等，这些问 题在嵌入式系统中非常不利，为此，本文对传统的设计方法进行分析，深入研究 现阶段的技术，包括硬件处理器和软件嵌入式操作系统及嵌入式数据库，提出一 个较为新颖的嵌入式w e b 服务器设计方法，并成功完成设计。 本设计要完成的工作包括： 1 分析系统功能和传统设计中网络数据交换所使用的方法，比较之问的优 浙江大学硕l 学位论文 劣，设计出一种低成本高可靠的数据交换方法。 2 。设计整个硬件w e b 服务器的架构，选择各个模块所使用的器件。该硬件 w e b 服务器使用在工业现场中，可以为管理层提供c a n 总线的接【_ 】，从而使管 理层可以很容易地通过以太网监控挂接在c a n 总线上的工业设备。 3 分析传统的网络架构，确定设计采用的网络结构，并