（电路与系统专业论文）基于嵌入式的web服务器的设计与实现.pdf

摘要 随着现代通信技术的发展，w e b 技术得到了广泛的应用并且获得 了巨大的成功。随着信息化社会的不断发展，日益成熟的网络技术应 用到嵌入式系统成为必然的发展趋势。w e b 技术以良好的通用性，平 台独立性和交互性成为嵌入式系统网络化过程的必然选择。带有w e b 接入能力的嵌入式设备将会得到飞速的发展，应用在信息家电、通信 设备、仪器仪表、远程管理等各个领域中。嵌入式w e b 服务器为嵌 入式设备提供网络接口，实现远程管理和控制，是实现嵌入式设备网 络化的重要技术。 本文研究了基于a r m 9 2 0 核的a r m 芯片$ 3 c 2 4 1 0 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$ 3 c 2 4 1 0 ，并完成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。本文还论述了在a r m 系统设计过程和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：$ 3 c 2 4 1 0 ；a r m ；l i n u x ；嵌入式w e b ；调试 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r nt e l e c o m m u n i c a ti o n t e c h n o l o g y ， w e bt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d a n dh a sg r e a t s u c c e s s m e a n w h i l e ，w i t ht h ei n f o r m a t i o ns o c i e t yi sm o r ea n d m o r ew e l ld e v e l o p e d ，e m b e d d e ds y s t e mi n t e g r a t e dw i t hn e t w o r k i n t e r f a c eist h e n e c e s s a r yt r e n d t h e b e s ts o l u ti o nf o r i n t e g r a t i n gi n t e r n e ta n de m b e d d e ds y s t e mi sw e bt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sg o o dg e n e r a l n e s s ，i n t e r a c t i o na n dp l a t f o r m i n d e p e n d e n c y e m b e d d e dd e v i c ew i t hw e b a c c e s s e di n t e r f a c ew i1 1 h a v eag r e a ts p r e a di ni n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，t e l e c o md e v i c e ， a p p a r a t u so ri n s t r u m e n t ，r e m o t em a n a g e m e n ta n ds oo n e m b e d d e d w e bs e r v e riso n eo f i m p o r t a n tt e c h n o l o g y t on e t w o r k i n g e m b e d d e ds y s t e m i tp r o v i d e sn e t w o r ki n t e r f a c e ，r e m o t ea c c e s s a b i l i t ya n dm a n a g e m e n tc a p a b i l i t i e sf o re m b e d d e ds y s t e m i nt h isp a p e r ，f i r s t ，w es t u d yt h ea p p lic a ti o no f $ 3 c 2 41 0 b a s e do na r m 9 2 0a 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 r w h i c hisc o n s t r u c t e do nb sn e t w o r km o d e t h es e r v e risb a s e d o n $ 3 c 2 4 1 0 ，a n dt h el i n u xw h i c hs c h e d u l e st h et a s k sa n db u il d t h eb o an e t w o r ks e r v e ri sp o r t e dt o $ 3 c 2 4 1 0 s e c o n d ，w ed i s c u s s e s t 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 fl i n u xa n dr a i s et h es o l u t i o n st o i i t h ep r o b l e m s t h es y s t e mc o s t sl e s sa n dh a sh i g hp e r f o r m a n c e ，i t h a sab r ig h tf u t u r e a tl a s t ，w es u m m a r iz et h ed e s ig nw o r k a n d m 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 d e ds y s t e m k e y w o r d s ：$ 3 c 2 4 1 0 ：a r m ：l i n u x ：e m b e d d e dw e bs e r v e r ：d e b u g i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：硎年月讼日 湖南师范大学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， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 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。本人授权湖南师范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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：嘲壬刎铲荤日期：游妇彦日 导师签名：l 帆币三 日期：年月 日 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 第1 章嵌入式w e b 技术综述 嵌入式w e b 服务器概述 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r , e w s ) 是指将w e b 服务器嵌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 服务器简化了传统服务器的系统结构，在嵌入式设备上它 同时实现信息传输和网络接口的功能。嵌入式w e b 服务器基于h t t p 协议运作，有标准的接口形式和通信协议。它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。w e b 技术的开放性和平台独立特性能够降低开发难度，减少软件系统和通 信系统的设计维护工作量，提高了现场测试和控制设备的管理水平。 1 1 1 嵌入式w e b 服务器的一般结构 嵌入式w e b 服务器的设计通常以通用w e b 服务器系统结构为蓝 本，根据嵌入式系统的特性进行优化。嵌入式w e b 服务器的硬件系 统包含了w e b 通信功能的微处理器或者微控制器系统，它可以和前 端的应用系统直接集成在一起，也可以通过现场总线与应用系统相 l 连。 一个完整的硬件系统由微型处理器、f l a s h 存储器、d r a m 存 l 硕士学位论文 储器、网络接口和前端应用系统硬件所组成。微型处理器负责全局的 运行和管理，f l a s h 存储器用来存储实时操作系统的系统内核、 t c p i p 协议栈、各种w e b 文档；d r a m 存储器在系统运行时使用； 网络接口实现与i n t e m e t 的连接；前端应用系统的硬件完成传统意义 上的应用功能。 由于嵌入式系统硬件资源有限，嵌入式w e b 服务器的硬件结构 不能很复杂，实时操作系统的系统内核、t c p i p 协议栈、各种w e b 文档都必须存储在f l a s h 中，这对软件系统设计提出了较高的要求。 嵌入式w e b 服务器应用系统的硬件结构如图1 - 1 所示： 图1 1 嵌入式w e b j 艮务器应用系统的硬件结构 1 1 2 嵌入式w e b 服务器的主要应用叫 嵌入式w e b 服务器是应用在嵌入式系统上的w e b 服务器架构。 它的主要应用是设备管理和应用程序的网络扩展。 嵌入式w e b 服务器作为一个后台程序直接在嵌入式设备上运行， 用户通过网络对设备配置、控制、监测，保证设备安全、有效地运作。 2 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 w e b 接口使得用户可以在任何一台有互联网接入能力的带有w e b 浏 览器的设备访问到该嵌入式设备。w e b 服务器提供应用程序接口可以 扩展w e b 的应用。这种设备管理方式不仅起到监测、控制的功能， 而且根据设备的特点可以更加人性化和智能化。它使对远程设备的操 作从监控( m o n i t o r ) 变成为管理( m a n a g e ) 。其中基于嵌入式w e b 服 务器的视频监控系统现已成为视频监控系统的主流技术，在嵌入式系 统中集成嵌入式w e b 视频服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统； 内置一个嵌入式w e b 服务器。摄像头送来的视频信号数字化后由高 效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务器，网络上用 户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还 可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。 另一个应用是应用程序网络扩展。w e b 服务已成为支撑现代应用 程序技术和系统核心组件，现今约8 7 的企业用户都希望为他们的程 序添加上基于w e b 的用户接口。嵌入式w e b 服务器很好地提供了 i n t e m e t 网络的接口，将应用程序和w e b 接口结合起来，是应用程序 网络扩展的解决方案。 1 1 3 使用嵌入式w e b 服务器的优点 设备上嵌入w e b 服务器，使得设备能与现今最大的网络i n t e r n e t 无缝连接。它无需专用的线路，通信介质是以太网，能有最大的普及 范围。它的传输内容不仅限于数据、还有图像、声音等多媒体信息。 它的通信协议( h t t p ) 是标准的而且是公开的，独立于系统平台。它 硕+ 学位论文 所使用的h t m l ( 超文本标记语言) 语言具有统一性，它的标准化界面 独立于客户端的软硬件平台，极大地节省了客户端的开发工作。它使 用w e b 架构，开放性和平台独立性能够大大降低系统的设计工作量， 同时，能提供大量工具和函数库以减少开发的工作量。在客户端使用 任意与i n t e m e t 互连的标准p c 就可以随时随地的访问。 嵌入式w r e b 服务器具有通用性，这使得它能够嵌入到任何的设 备当中。通过应用程序接口，服务器可以运行程序去实现高级功能， 这是普通的监控方式不能相比的。它具有可扩展的特性，通过应用程 序接口实现各种具体的应用。另外它还具备升级简单、维护容易等优 点。 1 2 嵌入式w e b 技术的研究意义 互联网的成功极大地推动了社会的信息化。随着现代通信技术的 发展，w e b 技术迅速渗透到各个领域。但是，基于p c 的互联网网络 在覆盖面上仍然存在局限性。面向一线设备的工业网络长期使用着各 种传统的工业总线，互联网并未应用到嵌入式设备网络当中。随着嵌 入式技术的发展，嵌入式系统的应用将互联网推向了后p c 时代。接 入互联网的不仅限于p c ，移动终端等，还包括各种嵌入式设备。一 方面，应用嵌入式系统的网络设备为互联网提供了各种灵活的网络连 接形式，另一方面，嵌入式系统帮助互联网扩展到各种专用网络。 互联网也对嵌入式技术提出的更为广泛的应用要求。将日益成熟 的网络技术应用到嵌入式系统成为必然的发展趋势，w e b 技术是目前 最适合这种趋势的一种解决方案。因此，近年来，嵌入式系统不仅应 4 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 用于路由器、网关、移动站点和接入器等网络设备，嵌入式w e b 服 务器成为一项研究热点。 2 1 世纪是嵌入式i n t e r n e t 时代的开端，越来越多的嵌入式设备需 要实现内置的嵌入式w e b 服务器实现设备远程访问。嵌入式w e b 服 务器的应用广阔，它应用在信息家电、通信设备、消费电子、仪器仪 表、数据采集、视频监控和显示、过程控制、远程实验、产品的远程 管理、工业自动化、家庭自动化、智能家居系统等各个方面。嵌入式 w e b 技术使各个孤立的节点彼此之间有了联系，成为信息化社会整体 的一分子。嵌入式w e b 服务器提供实现这种功能的技术手段。如图 1 2 所示： 器的工业控制系统 图1 1 2 嵌入式w e b 服务器的应用 1 3 课题研究内容、论文安排 1 3 1 课题研究内容 本课题研究的主要内容是基于a r m + l i n u x 的嵌入式w e b 服务 器，这需要对嵌入式系统的硬件和软件特性有非常深入的了解；嵌入 式系统硬件的选择必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、体积、 5 硕士学位论文 可靠性和处理能力等为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和 应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠，大多 系统对实时性有严格要求。所以要求掌握软硬件协同设计( c o d e s i g n ) 方法，使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综合和验证。 在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬件功能及现有资 源，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统的软硬件能力， 避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低 代价的优化设计方案。在掌握软硬件设计选购的、协同设计方法的基 础上，构建自己的嵌入式系统硬件平台，移植嵌入式操作系统，实现 嵌入式w e b 的访问。 针对以上内容，本文主要完成的研究工作有： ( 1 ) 根据需要进行硬件的选购，参照芯片资料设计符合自己要求 的系统原理图，p c b 布线、制板，构建系统硬件平台。 ( 2 ) 根据系统的整体设计思想，选用嵌入式操作系统，进行操作 系统移植，从而构建好软硬件平台；为下一步工作做好准备。 ( 3 ) 根据选用的外围器件，编写l i n u x 设备驱动程序。 ( 4 ) 移植嵌入式w e b 服务器，实现嵌入式w e b 服务器的访问。 1 3 2 论文结构安排 本文的内容都是作者在完成所有的设计调试工作后，对系统研究 内容的概括总结形成的；全文分六章： 第一章：介绍了嵌入式w e b 服务器技术及其结构，设备应用嵌 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 入式w e b 服务器的优点；阐述了基于嵌入式的w e b 服务器系统设计 的关键技术。 第二章：详细介绍了实现嵌入式w e b 服务器的主要设计方案， 给出了基于嵌入式的w e b 服务器系统的总体设计方案。 第三章：阐述了硬件设计思想，详细介绍了嵌入式硬件平台的设 计的过程，给出了电路原理图及p c b 布线时所采取的一些措施。 第四章：阐述了软件设计思想，详细介绍了b o o t l o a d 设计过程和 嵌入式l i n u x 系统的移植；同时说明了l i n u x 设备驱动程序的开发。 第五章：总结了系统调试过程。 第六章：最后对研究中存在的问题及需要改进的地方进行总结； 对下一步工作进行展望。 1 4 本章小结 本章主要介绍了嵌入式w e b 服务器，嵌入式w e b 服务器的发展现 状及设备应用嵌入式w e b 服务器后具有的优点。最后介绍了本课题 研究的主要内容。 硕十学位论文 第2 章系统设计方案 系统总体设计的主要工作是首先明确目标系统的需求，在研究前 人所做的工作的基础提出不同的实现方案，然后从各个备选方案中选 择最合理的方案。本章首先从系统需求出发，分析并比较了各种实现 网络w e bs e r v e r 功能的嵌入式系统开发方案，给出了系统总体方案。 并对系统的硬件和软件选择及划分进行了详细说明。 2 1 系统需求 系统的设计目标是为嵌入式w e b 服务器的应用开发提供一个稳 定的软硬件平台，然后在此基础上把嵌入式w e b 服务器应用于特定 的环境中去，如工业控制、视频监控等。因此功能上的要求包括以下 几个方面： ( 1 ) 处理器要有较高的处理能力。 ( 2 ) 存储器要有较高的数据存储能力。 ( 3 ) 系统的可靠性和稳定性高。 ( 4 ) 支持多种设备接口。 ( 5 ) 软件有良好的交互接口。 嵌入式系统的发展十分迅速，要抢占市场，就要利用高效的系统 开发工具，缩短开发周期，提高系统性价比，这就要求系统有很好的 适应能力，能根据市场需求快速的作出反应，使系统尽快升级以满足 新的需求。因此，系统还要满足以下的要求： 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 ( 1 ) 系统开发及时性，以便迅速的抢占市场。 ( 2 ) 系统的可维护性。应该留出管理员操作修改接口，以便对必 要的数据进行设置和修改，充分满足各个方面的需要。维护系统是为 了让系统更好的发挥功效。 ( 3 ) 系统的扩展性要求系统具有良好的二次开发及扩展能力， 以便能利用现有资源开发出新的产品或增加新的功能来随时适应市 场变化。 ( 4 ) 系统的可管理性。使用户可以根据需要对系统的执行进行控 制，且操作简单实用。 ( 5 ) 设备体积。嵌入式设备最重要的优点就是体积小、重量轻。 ( 6 ) 开发及生产成本。任何一项投入市场的产品都要有合理的价 格，只有在最小的成本来满足需求的产品才能占领市场同。 2 2 系统的设计方案 互联网的成功极大地推动了社会的信息化。随着现代通信技术的 发展，w e b 技术迅速渗透到各个领域，w e b 服务器成为研究热点，其 中文献 4 介绍的设计方案是：选用凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a + 网络 接口芯片d m 9 0 0 + u c o s i i 实现嵌入式w e bs e r v e r 系统平台；1 6 位 单片机s p c e 0 6 1 a 工作频率最高为4 0 m h z ，内置2 k 字s r a m 和3 2 k f l a s h ；芯片存储资源有限，但文献中没有介绍是否扩展了存储系统； 同时s p c e 0 6 1 a 芯片扩展接口大少；而u c o s i i 操作系统较简单， 没有文件系统和网络协议，实际实现起来非常困难。此方案在低端应 用有较大市场，但随着系统工程越来越复杂，越来越无法满足实际系 o 硕士学位论文 统的应用需求。文献 4 的系统设计方案如图2 - 1 所示： s p c e 0 6 l a 剖d m 9 0 0 0 吲r j 4 5 吲i n t e r n e t u c o s i i 图2 - 1 文献4 的w e b 服务器设计方案 文献 5 】介绍了三星公司的3 2 位处理器$ 3 c 4 51 0 b + u c l i n u x 的设 计方案，$ 3 c 4 51 0 b 是基于a r m 7 内核设计的嵌入式处理器，最高工 作频率为6 6 m h z ，$ 3 c 4 51 0 b 内嵌了一个以太网控制器，支持媒体独 立接口( m i i ) 和缓冲d m a 接口( b d i ) ，可在半双工或全双工模式 下提供1 0 m 1 0 0 m b p s 以太网接入。实际上芯片已经包含以太网m a c 控制；但未提供物理层接口，使用了r t l 8 2 0 1 作为以太网的物理层 接口。同时芯片没有内存管理单元，这在一定程度上影响了系统的性 能。文献 5 的系统设计方案如图示2 2 所示： 图2 2 文献5 的w e b 服务器设计方案 文献 6 介绍了采用t i 公司d s pt m s 3 2 0 v 5 4 0 2 + 硬t c p i p 协议 转换芯片w 3 1 0 0 a 设计的嵌入式w e b 服务器；w 3 1 0 0 a 芯片通过硬 件实现t c p i p 协议栈，文献中的设计方案介绍的不是很清楚，给出 的系统设计方案如图2 3 所示；同时，文献中也没有给出实现的结果。 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 而d s p 主要应用于数字信号处理方面，而控制能力较弱，实现起来 有一定的难度。文献 6 的系统设计方案如图2 3 所示： f l a s h g w 3 1 0 0 a s s t 3 9 v f s 0 0 a ： z n t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 ， 弋7 r a m 1卜 r t l 8 2 0 l 物理 i s 6 1 l v l 2 8 1 6 层接口 图2 3 文献6 的w e b 服务器设计方案 在研究前人的工作成果的基础上，总结出实现嵌入式w e b 服务 器的途径主要有以下几种方案。 方案一、s o c ( 专用片上系统) s o c 是未来电子产品的发展方向，设计和生产技术也越来越成 熟，因此该方案是未来网络产品设计的发展趋势。该方案将网络接口 部件和t c p i p 协议栈，甚至实时操作系统都集成在一个芯片上。例 如o s i c o m 公司推出的集成了n e t + a r m 的系统级芯片( s o t ) ，它具有 r i s c 技术的4 0 m i p s 的a r m 7 内核和以太网控制器；使用r t o s 和 t c p 、u d p 、r a r p 、i c m p 以及应用于i n t e m e t 的高层软件协议，构 成了专用的单芯片系统s o c 。把这种s o c 嵌入式一台打印机中就可以 上网，成为网络打印机，使i n t e m e t 上的任何一个客户机都可以用浏 览器上使用、监视和控制这台打印机。 此种方案的优点是，网络产品的软硬件设计都比较简单，应用系 统设计工程师完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行网络芯 1 l 硕十学位论文 片传送过来的指令和数据就可以实现与i n t e m e t 的连接。但是致命的 缺点是成本大高，主要应用于高端产品。 方案二、p c 专用网关+ 专用网 采用专用网络，如r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、c a n 总线等，把一批单片 机应用系统连接在一起，然后再将该专用网络连接到一台p c 上，用 p c 作为网关将专用网络上的信息转换为t c p f l p 协议数据包，然后发 送在网络上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机，但缺点是需 要依赖p c 机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下， 专用网络布线极为不便；还需要在p c 机上安装专用的协议转换软件， 而该软件一般由专业的第三方软件商提供，费用高。 方案三、m c u + 网络接口芯片 可选用多种型号的m c u 来实现网络协议，如a t 8 9 c 8 2 5 2 、 s x 5 2 b d l 0 等，硬件结构不大复杂，但是m c u 速度不够快、内存不够 大，要想实现t c p i p 网络协议实在有点困难。 方案四、3 2 位m p u + r t o s 采用3 2 位的高性能嵌入式处理器m p u ，在r t o s ( 实时操作系统) 平台上时行软件开发，实现t c p i p 的协议处理。由于采用高性能 m p u ，该方案可以实现文件系统和图形用户界面等复杂功能，缺点是 开发周期较长，技术门槛较高；优点就是可利用的资源多。 以上四种设计方案的各有优缺点，分别适用于不同的应用场合和 功能需求，本课题采用3 2 位m p u + r t o s 设计方案。学习和探讨基 于中高档m p u 和嵌入式操作系统的i n t e m e t 应用开发问题。主要基 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 于以下几点来考虑的： ( 1 ) 随着硬件水平和对嵌入式系统功能需求的不断提高，在嵌入 式系统中应用操作系统是大的趋势。硬件的提高使得嵌入式系统可以 负担嵌入式操作系统的开销，而操作系统是当今软件技术发展的精华 之一，而且业已成熟，因此我们可以充分利用已有的软件成果，同时， 由于良好的嵌入式操作系统和相关软件库平台的建立，降低系统的复 杂性，提高可靠性、可维护性，使得开发新功能更容易，并缩短产品 的上市时间。 ( 2 ) 利用l i n u x 作为嵌入式系统的软件平台，有很好的开发工具， 可以跨越i c e 等屏障。相比较其他的几种嵌入式操作系统，l i n u x 系 统适应于多种c p u 和多种硬件平台，性能稳定，定制性好，开发和 使用都较容易；同时l i n u x 有丰富资源。开发源代码，在某些敏感领 域，l i n u x 是最佳选择。 一 ( 3 ) 嵌入式瘦服务器、嵌入式网关及嵌入式路由器等这些嵌入式 i n t e m e t 大规模应用的重要设备，只有以3 2 位m p u + r t o s 才能满足 系统的应用需求。方案二和方案三因为运算和存储资源相当有限，如 果一定要他们支持t c p 、h t t p 等i n t e m e t 协议必将给他们带来沉重 的负担，甚至可能影响他们本来的“正业”。大多数情况下，他们需 要的只是一个传输通道。方案二和方案三也正是为此设计的。 硕士学位论文 2 2 1 嵌入式处理器的选择 2 2 1 1 嵌入式处理器分类 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处 理器，是控制、辅助系统运行的硬件单元。据不完全统计，到2 0 0 7 年全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过了1 2 0 0 多种，流行体系 结构有3 0 多个系列；根据目前现状，嵌入式处理器可以分为以下几 类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，它具有3 2 位以 上的处理器，具有较高的性能，价格也相应较高，与通用计算机处理 器不同的是，在实际的嵌入式应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相 关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，配上必要的扩展电路，如 i o 的扩展电路、存储器的扩展电路和一系列专用的接口电路等。以 最低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊需求。嵌入式微处理器在功 能上与标准处理器基本相同，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠 性等方面都做了增强。嵌入式处理器还具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高等优点。目前主要的嵌入式处理器类型有a r m 、m i p s 、 p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、3 8 6 e x 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器 微控制器又称作单片机，是将整个计算机系统集成在一块芯片 上，以微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 f l a s h 、总线、定时器计数器、a d 、d a 等必要的功能模块和外围 器件；与微处理器相比，其特点是单片化、功耗和成本低、功能更简 单。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，它对系统结构 和指令进行了特殊设计，使其适合于d s p 算法，编译效率较高，指 令执行速度也高。d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，如果强调对连 续的数据流的处理及高精度复杂运算时应该选用d s p 器件。 ( 4 ) 片上系统 随着e d a 的推广、v l s l 设计的进步及半导体工艺的迅速发展， 将整个嵌入式系统或其大部分功能集成到一块或几块芯片中已成为 现实，这就是片上系统。它以通用的c p u 内核为标准库，用标准的 v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。优点是电路板 变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 2 2 1 2 嵌入式处理器的选择 嵌入式系统是面向特定应用的，与通用处理器最大的不同是嵌入 式处理器工作在特定应用场合，把许多外围接口集成到芯片内部，因 此大大提高了系统集成度。与全球p c 市场不同的是，没有一种微处 理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统标准；同一应用领域，设计 者可以选择的嵌入式微处理器是多样化的。针对特定的应用领域，嵌 硕士学位论文 入式系统设计的差异性极大，在某种情况下，性能或成本极为重要； 而在另一种情况下，低功耗又成为关键因素。同时，还要考虑处理器 的软件支持，处理器的内置调试工具及是否有评估板等因素。 目前，嵌入式微处理器主要有p o w e r p c 、m i p s 、a r m 系列等。 其中，a r m 类处理器以体积小、低功耗、低成本、高性能及支持1 6 3 2 位双指令集，已经成功地广泛应用于无线通信、工业控制、消费类电 子产品、网络产品等领域；已成为r i s c 标准。市场占有率超过7 5 。 在本系统中选用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器作为中央处理控制单元的核 心部件，其性能不仅完全能够满足嵌入式w e b 服务器的要求，而且 又有广泛的软件支持。 $ 3 c 2 4 1 0 是著名的半导体公司s a m s u n g 推出的一款3 2 位r i s c 处理器，为手持设备和一般类型的应用提供了低价格、低功耗、高性 能微控制器的解决方案。$ 3 c 2 4 1 0 的内核是基于a r m 9 2 0 t ，带有 m m u 功能，主频最高可达2 6 6 m h z ，适合于对成本和功耗敏感的需 求，同时它还采用a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 的新型总线结构，实现了m m u 、a m b ab u s 、h a r v a r d 的高速缓冲 体系结构，同时支持t h u m b l 6 位压缩指令集。其片上功能如下： - 内核工作电压为1 8 v ，存储器及外部i o 供电电压为3 3 v ； 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e ； 0 4 通道的d m a 请求，一通道的i i c i i s 控制器； 0 3 通道的u a r t ( k d a l 0 ，1 6 字节t x f i f o ，1 6 字节心礤o ) ： 2 通道的s p i 接口；2 通道的u s b ( h o s t s l a v e ) ， 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 0 4 路p w m 和一个内部时钟控制器，带有p l l 片上时钟发生器； 1 1 7 个通用i o ，2 4 路外部中断， o l c d 控制器，最大可支持4 k 色s t n 和2 5 6 色t f t ； 2 7 2 p i nf b g a 封装。 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 2 2 2 1 嵌入式操作系统分类 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现各种各样的商用嵌入式 操作系统，这些操作系统大部分是为专有系统开发的，从而逐步 演化成了现在多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。 有许多商业级的，也有大量开放源代码的嵌入式操作系统。其中 著名的嵌入式操作系统有：u c o s 、v x w o r k s 、n e c u l e u s 、l i n u x 和w i n d o w s c e 等。下面简单的介绍一下这些主流的嵌入式操作 系统。 ( 1 ) l i n u x 在所有的操作系统中，l i n u x 是一个发展最快、应用最广泛 的操作系统；l i n u x 本身的特性使其成为嵌入式开发中的首选。 在进入市场的前两年中，嵌入式l i n u x 的设计通过广泛应用而获 得巨大成功。随着嵌入式l i n u x 技术的成熟，定制需要的尺寸尤 为方便，同时支持更多平台，并从早期的试用阶段迈进到成为嵌 入式系统主流。 ( 2 ) u c o s 1 7 硕士学位论文 u c o s 是一个典型的实时操作系统；它的特点是：公开源代 码、代码结构清晰、注释详尽、组织有条理、可移植性好。可裁 剪、可固化。内核属于抢占式，最多可以管理6 0 个任务。系统 短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首选。 ( 3 ) w i n d o w s c e w i n d o w c e 是微软的产品，但不是削减的w i n d o w s 版本， 它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多 任务的操作系统。采用模块化设计，并允许它对于从掌上电脑 到专用的工控电子设备进行定制。操作系统的基本内核至少 2 0 0 k b 。 ( 4 ) v x w b r k s v x w o r k s 是美国风河公司专门为实时嵌入式系统设计开发 的操作系统，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理， 实时的系统资料以及实时的任务间通信。应用程序员可以将尽可 能多的时间投入在应用程序中，而不必再去关心系统资源的管 理。该系统主要应用在单板机、数据网络( 以太网交换机、路由 器) 和通信等方面。 2 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 在嵌入式系统的前期设计过程中，首先必须决定采用哪一种 嵌入式操作系统。这将影响到工程后期的发布以及软件的维护。 嵌入式操作系统可分为商用型和免费型两种。商用型的实时 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 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。免费型的实时操作系统则在价格方面具有优势。不 管选用什么样的系统，都应该考虑操作系统对硬件的支持；其次 要考虑的是开发调试用的工具，对于开销敏感和技术水平不强的 企业来说开发工具往往在开发过程中起决定性作用。概括地说， 在进行操作系统选型时，要遵循以下一些原则： 系统成本； 市场进入时间及技术支持； 可移植性； 可利用资源； 系统定制能力。 综合以上各个方面来考虑，本课题选用l i n u x 作为嵌入式操作系 统。l i n u x 还具有以下优势： ( 1 ) 开放性：l i n u x 内核遵循g n ug p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) ， 其源代码是免费公开的； ( 2 ) 可移植性：支持几乎所有硬件平台； ( 3 ) 可定制性：不但能够运行在高性能计算机上，也可以运行在 资源有限的嵌入式设备中； ( 4 ) 互操作性：兼容许多标准； ( 5 ) 网络支持：支持许多网络协议； ( 6 ) 安全性：实现许多的安全协议，开发源代码使缺陷暴露无疑， 它的代码接收了许多专家的审查； 硕士学位论文 ( 7 ) 稳定性：经过许多产品的使用已经表明它具有很好的稳定性； ( 8 ) 模块化：内核可以只包含系统必须的代码，其他的可以使用 模块化来加载； ( 9 ) 方便编程：可以学习现有的代码，网络上有丰富的资源。 选用l i n u x 作为嵌入式操作系统，既能满足应用需求，性价比又 可达到最佳的实时操作系统，同时网上有许多开源代码可以利用。 2 2 3 系统设计方法 2 2 3 1 传统的设计方法 传统的嵌入式系统设计方法如图2 4 所示，硬件和软件分为两个 独立的部分，分别由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程完 成。 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 是 图2 4 传统的系统设计方法 这种设计方法只能改善硬件软件各自的性能，在有限的设计空 间内不可能对系统做出较好的性能综合优化。另一方面是在系统设计 的初始阶段考虑了软硬件的接口问题，但由于软硬分别开发，各自部 分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限 制，这些错误难于定位，对它们的修改往往会涉及整个软件结构或硬 件配置的改动。很显然，这是灾难性的。 2 2 3 2 软硬件协同设计方法 传统的独立进行软件设计和硬件设计的设计方法已经不能满足 当前复杂的嵌入式系统的设计需要，并发地进行软件设计和硬件设计 的软硬件协同设计是嵌入式系统复杂化后的一种新的设计新趋势。 硕士学位论文 图2 5 软硬件协同设计 典型的软硬件协同设计的过程如图2 5 所示。采用软硬件协同设 计方法后，首先把准备设计的新产品的功能需求、限制条件以及系统 接口完整的描述出来，形成一个正式的基于文本的说明文档。在此基 础上对软硬件进行划分，系统的软硬件划分决定哪些系统功能用软 件来实现，哪些系统功能用专用硬件来实现。完成软硬件功能划分之 后，需要对划分结果做出评估。第一是性能评估，另一方面是对硬件、 软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结果不 满足要求，则需要重新划分软硬件模块；直到系统获得一个满意的软 硬件实现为止。 2 2 4 系统总体设计方案 本课题要实现嵌入式w e b 服务器。由于$ 3 c 2 4 1 0 处理器有丰富 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 的接口，可扩展性强，系统结构并不复杂。在一个嵌入式系统中，微 处理器、f l a s h 存储器、s d r a m 内存、电源是必不可少的；要实 现嵌入式w e b 服务器，还必须要有接入i n t e m e t 的连接方式；$ 3 c 2 4 10 芯片上没有集成网络接口，所以要在$ 3 c 2 4 1 0 通用i o 接口的基础上 扩展网络接口，t c p i p 协议栈可以用专用芯片实现，也可以用软件 实现；在本系统中，由于采用了实时操作系统l i n u x ，l i n u x 操作系 统中已有t c p i p 协议栈，只要根据自己的需求在l i n u x 移植时进行 裁剪即可以实现t c p i p 协议，w e b 服务器是用软件实现的。根据以 上分析，系统的软硬件划分如下： ( 1 ) 硬件方面： $ 3 c 2 4 1 0 处理器； 3 2 m bf l a s h 存储器； 6 4 m bs d r a m ： a x 8 8 7 9 6 网络接口芯片； m ，a x 3 2 3 2 串口芯片。 ( 2 ) 软件方面： b o o t l o a d e r ； 嵌入式l i n u x 操作系统； 设备驱动程序； 嵌入式w e b 服务器程序。 系统软硬件综合起来，本课题的系统整体设计框图如图2 - 6 所示。 硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 _ 6 系统的总体框图 本章主要介绍了嵌入式系统的特点，比较了几种处理器和操作系 统，在比较的基础上对处理器和操作系统进行了选择；在掌握了软硬 件协同设计方法后对系统进行总体设计。 基于嵌入式的w e b 服务器的设计与实现 第3 章系统的硬件设计 系统硬件的总体设计 基于嵌入式的w e b 服务器系统采用一个3 2 位的高性能嵌入式处 理器$ 3 c 2 4 1 0 ，移植l i n u x 操作系统，在系统中集成一个嵌入式w e b 服务器，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。 为以后系统扩展预留接口；系统的硬件框图如图3 1 所示： l c d 液晶屏触摸屏接口 s 3 c 2 41o 总= = = 剖3 2 m bf l a s h a x 8 8 7 9 6 网络接口 图3 1 系统硬件结构图 6 4 m bs d r a m 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 存储控制器及存储器接口电路 $ 3 c 2 4 1 0 的存储控制器提供- z # f 部存储器存取的控制信号，它具 有如下特征：支持大d , 端模式存储字数据，其寻址空间可达1 g b ， 存储器b a n k ( 共有8 个) 都具有可编程的操作周期，每个b a n k 的 大小为1 2 8 m 字节，采用n g c s 7 - o 8 个通用片选线信号选择8 个 蓦一 硕士学位论文 b a n k 区，图3 2 是$ 3 c 2 4 1 0 复位后的存储空间分布图；b a n k 0 到 b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s 删；b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s 洲或s d r a m ，b a n k 6 地址也是固定的，b a n k 7 的 开始地址是b a n k 6 的结束地址，起始地址和大小编程可变；所有内 存块的访问周期都可编程，外部w a i t 扩展了访问周期；除了b a n k 0 ， 其余的存储区可以通过程序控制存取的位数8 1 6 3 2 支持s d r a m 的自动刷新和电源关模式等；复位后存储空间分布图如