（电路与系统专业论文）嵌入式web服务器的设计与实现.pdf

摘要 嵌入式w e b 服务器是嵌入式系统应用的一个重要组成部分。以其简单、廉价、功能完 善和通用性强等特点，在远程监控，智能家电和资源共享等多种场合得到广泛应用。本文 以嵌入式w e b 服务器为核心，对其研究概况、工作原理、软硬件设计及其在远程温度监控 系统中的应用作了一个较为系统的研究。首先介绍了嵌入式w e b 服务器的原理与应用，然 后针对嵌入式w e b 服务器的特点和l i n u x 操作系统的自身优点，提出了基于a r m l i n u x 系 统平台的嵌入式w e b 服务器的开发方案。重点研究了基于a r m 处理器的l i n u x 操作系统 的启动过程、内存管理以及中断处理，并将l i n u x 操作系统成功地移植到了基于 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的系统平台上，对移植技术进行了详细的的介绍，包括启动代码( u b o o t ) 的移植，嵌入式l i n u x 操作系统的移植以及应用于f l a s h 的j f f s 2 文件系统的移植。接着 深入分析并实现w e b 服务器底层网卡的驱动，主要包括网卡的初始化，网卡的发送和接收 数据的过程以及网卡的中断处理过程。然后在此基础上，探讨了嵌入式l i n u x 系统的常用 w e b 服务器，分析了b o aw e b 服务器的工作流程并在目标板上移植实现了嵌入式w e b 服 务器，最后应用嵌入式w e b 服务器进行远程温度监控，主要完成了用于动态交互的c g i 程序的编写与l i n u x 下温度传感器的驱动实现。在论文的最后，总结了本文完成的工作， 并进一步提出该嵌入式w e b 服务器需要改进的工作。 关键词：嵌入式系统；删；l i n u x ；嵌入式w 曲服务器 a b s t r a c t e m b e d d e dw e bs e r v e rc a r r i e sa ni m p o r t a n tf u n c t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e dw e bs e r v e rw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fb e i n gs i m p l e ，c h e a p ，a n dp o w e r f u lp e r f o r m a n c e h a sa l r e a d yb e e na 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 ei n d u s t r i a lc o n t r o la n d i n t e l l e c t u a lh o m ea p p l i a n c e sa n ds oo n n i sp a p e rd e s c r i b e st h er e s e a r c hp r o f i l e w o r k i n g p r i n c i p l e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fe m b e d d e dw e bs e r v e r , a sw e l la sh o wt oa p p l yi tt o r e m o t et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g f i r s t l yi ti n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f a p p l i c a t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e r t h e nt oc o n f o r mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m b e d d e d w e bs e r v e ra n dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，i tp u tf o r w a r dad e v e l o p m e n tp r o g r a mb a s e do nt h e e m b e d d e dl i n u xs y s t e mw i t ha r m l i n u xa si t ss y s t e mp l a t f o r m t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so i l t h es t a r t - u pp r o c e s s 、m e m o r ym a n a g e m e n ta n di n t e r r u p th a n d l i n go ft h ea r m l i n u xk e r n e la n d s u c c e s s f u l l yp o r t e st h el i n u xk e r n e lo p e r a t i n gs y s t e mt ot h ea t 9 1r m 9 2 0 0p l a t f o r m ，i n c l u d i n g p o r t i n gu b o o ta n dl i n u xk e r n e lt ot a r g e tb o a r d , r e a l i z i n gt h ej f f s 2f i l es y s t e m o nt h i sb a s i s t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dt h es t r u c t u r eo fe m b e d d e dw e bs e r v e r s p r o g r a m ，d e s i g n sa n dr e a l i z e sa ne m b e d d e dw e bs e r v e r t h e nw ed i s c u s s e dt h ed r i v e ro f n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no ft h ec a r d ，t h ec a r dt os e n da n dr e c e i v ed a t a a sw e l la st h ep r o c e s so fc a r di n t e r r u p th a n d l i n gp r o c e s s a tl a s t , w ea p p l yt h ee m b e d d e dw e b s e r v e rt or e m o t et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n df o c u so n 陀a j i z i n gt h et e m p e r a t u r es e l l s o rd r i v e r a n dc g ip r o g r a m t h ef i n a lp a r to ft h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r kd o n ed u r i n gt h ec o m p l e t i o n o ft h i st h e s i s , a n dp o i n t e do u te f f o r t st h a tn e e dt ob em a d et oi m p r o v et h ee m b e d d e dw e bs e r v e r i nt h ef u t u r e k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ；a l 洲：l i n u x ；e m b e d d e dw r e bs e r v e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育 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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：旌丝! 么：日期：丝星：主：衫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：蒸蕴型丝幺导师签名：研究生签名：堑经生丝鳓导师签名： 日期：锄班卜占日期：丝丝：芏量 第一章绪论 1 1 、课题背景及研究意义 第一章绪论 w e b 服务器是指在网络中使用，通过w e b 来访问，提供给客户端共享资源的硬件及软 件的结合体。嵌入式w e b 服务器是w e b 服务器在嵌入式系统中的应用。在当前数字信息 技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统以其体积小、性能强、功耗低、可靠 性高以及面向行业应用的突出特征，广泛应用于军事国防、消费电子、网络通信，工业控 制及人们的日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新、加速自动化进程、 提高生产效率等方面起到了极其重要的推动作用。嵌入式系统具有无比广阔的市场需求和 发展前景，吸引了大量的生产厂商投入到这一领域。 所谓嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可 靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外 围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其它设备 的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统是一个以计算机技术为基础，涵盖了微电子技术、 电子信息技术、软件编程和硬件设计等多项技术领域的综合性应用，已经被广泛应用于诸 多领域中，并呈现出系统复杂化、应用多样化、硬件集成化、软件平台化的特点。 另一方面，当今是一个以网络为核心的信息时代，以i n t e m e t 为代表的计算机网络得 到了飞速发展。i n t e m e t 已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息交流的重要渠道。 i n t e r n e t 可以提供多种网络服务，但是i n t e m e t 能够如此大规模的流行，w e b 技术可谓居功 至伟。可以说，如果没有w e b 技术就没有这么多人使用i n t e m e t ，正是w e b 技术把i n t e r a c t 的结构、服务和应用引上了一个新台阶。 将众多嵌入式设备接入i n t e r n e t 网络具有伟大和深远的意义i l j 。使用互联网的接入功能 为嵌入式系统应用带来许多优势：利用无所不在的互联网络，可以从全球的任何一个角落 实现对设备的监控；利用开放的t c p i p 网络通信协议，任何计算机都可以使用通用的网络 浏览软件访问设备，不需要专门的计算机和专门的软件；设备的信息通过网页的形式体现， 可以使用数据、图表、动画等各种丰富的表现形式。 如果嵌入式系统支持t c p i p 等i n t e m e t 相关协议成为w e b 服务器，原本相互独立、分 散的嵌入式设备就可以通过i n t e m e t 网络实现互联，将自身信息快捷、方便、经济地传送 至世界任何地方，用户就可以使用w e b 浏览器访问嵌入式设备，实现远程控制和信息共享 的目的。这就是“嵌入式i n t e m e t 技术” 2 1 。 过去嵌入式设备间的数据传输与控制大多采用r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 以及各种现场总线， 这些方式存在着通信速度不够快，距离不够远的缺点，而且各种总线之间难于实现互联和 操作，配套的软件和硬件需要单独设计。相比之下，嵌入式i n t e r a c t 技术可以充分利用现 有的i n t e m e t 网络和通信协议，设计和使用都更加方便。嵌入式i n t e m e t 技术有以下的优点： ( 1 ) 不需要专用的通信线路，充分利用现有的网络资源； ( 2 ) 传输速度快、距离远； ( 3 ) 传输的数据多种多样，可以是字符、文本、图像、音视频等各种多媒体数据； ( 4 ) 协议更具有通用性，任何一种w e b 浏览器下都可以使用； ( 5 ) 信息直接反映到网页上，形式多种多样，实时数据会自动更新； ( 6 ) 每传一次信息，所有想收到信息的用户机都可以按照各自的终端要求给予显现和 操作； 东南人学硕l j 学位论文 ( 7 ) 软件可靠性高。 嵌入式w e b 服务器是嵌入式i n t e m e t 的重要组成部分，是嵌入式技术和i n t e r n e t 技术 结合的产物，是嵌入式技术网络化的一项重要应用。将w e b 服务器移植剑接入网络的嵌入 式设备后，我们就可以利用无所不在的互联网络，将所有设备的信号都通过网络来传送， 而且还可以做到通过网络充分共享多种设备。用户在全球的任何地方通过w e b 浏览器，就 可以随时查看嵌入式设备的运行情况，并指挥和控制这些设备。嵌入式w e b 服务器以其简 单、廉价、功能完善和通用性强等特点，能够提供远程用户对现场设备的访问与控制，在 远程监控，智能家电和资源共享等多种场合得到广泛应用。 1 2 、论文的研究工作 本文主要研究内容是首先论述了嵌入式w e b 服务器的体系结构与应用，然后构建基于 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的嵌入式l i n u x 软件系统平台，包括u b o o t 移植、l i n u x 内核移植、 应用于f l a s h 的j f f s 2 文件系统的移植以及w e b 服务器底层网卡驱动的分析与实现。最后 介绍了嵌入式w e b 服务器的实现，并将嵌入式w e b 服务器应用于远程温度监控。具体工 作如下： 1 论述了嵌入式w e b 服务器的体系结构与应用，接着针对嵌入式w e b 服务器的特点 和l i n u x 操作系统的自身优点，提出了基于a r m l i n u x 系统平台的嵌入式w e b 服务器的开 发方案，然后介绍了嵌入式w 曲服务器系统软硬件平台的设计。 2 构建嵌入式l i n u x 软件系统平台。主要包括u b o o t 移植、l i m m 内核移植、应用 于f l a s h 的j f f s 2 文件系统的移植。本文重点研究了系统中所采用的u b o o t 实现原理及移 植方法，然后深入分析了a r m l i n u x 内核的启动过程、内存管理及中断处理，并详细论述 了根文件系统内容的制作与应用于f l a s h 的j f f s 2 文件系统的移植，最后深入分析了w 曲 服务器底层网卡的驱动，主要包括网卡的初始化，网卡的发送和接收数据的过程以及网卡 的中断处理过程。 3 探讨了嵌入式l i n u x 系统常用w e b 服务器，然后分析b o aw 曲服务器的工作流程 并在目标板上移植实现了嵌入式w e b 服务器。然后应用嵌入式w r e b 服务器于远程温度监 控，主要完成了用于动态交互的c g i 程序的编写与l i n u x 下温度传感器驱动的实现。最后 在局域网内对嵌入式w e b 服务器进行了系统测试。 2 第一：章嵌入式w e b 服务器的研究j 总体设计 第二章嵌入式w e b 服务器的研究与总体设计 2 1 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 服务器引入到现场测 试和控制设备中，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。与传统的w e b 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。由于w e b 技术的开放性和独 立平台特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，节省了人员培训费用 等，提高了现场测试和控制设备的管理水平。对于嵌入式w e b 服务器的研究和应用，其意 义重大，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。这种设备可 以在世界的任何一个地方，只要它连入i n t e m e t 就能控制它，因而具有广泛的应用前景。 2 2 嵌入式w e b 服务器体系结构 嵌入式w e b 服务器将w e b 服务器的技术引入现场监控环境中，对传统的w e b 服务器 进行精简，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的监控设备转变为具备t c p i p 底层通信协议、可以实现通过i n t e m e t 传输信息的设备：嵌入式w e b 服务器嵌入了t c p i p 协议和实时操作系统，可以实现在i n t e m e t 上传输数据：嵌入式w e b 服务器采用浏览器 服务器( b s ) 结构，从而避免了客户端应用程序的开发。其体系结构如图2 1 所示： 嵌入式w e b 服务器 嵌入式操作系统 通用输入输出口 串1 3 以太网口 i 客户端w e b 浏览器 h 下r p w e bs e r v e r 应用程序现场设备 图2 1 嵌入式w e b 服务器体系结构 嵌入式w e b 服务器完成嵌入式w e b 服务器的配置、安全设置、文件管理等；嵌入式 操作系统完成任务的调度、资源分配等；应用程序实现现场数据通信、采集等。客户端与 嵌入式w e b 服务器之间的数据传输是基于h 1 限协议完成的，而嵌入式w e b 服务器与现 场设备的连接，可以通过通用输入输出口( g p i o ) 、串口( r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 ) 或者工业以 太网进行连接。本系统在远程温度监控应用中，由于采用的是单线温度传感器，故通过g p i o 口连接温度传感器。 3 东南人学倾i j 学位论文 2 3 嵌入式w e b 服务器的远程监控应用 嵌入式w e b 服务器在控制领域中的一个重要应用就是实现对远程现场设备的状态监 控。所谓远程监控是指本地计算机通过网络系统对远端的设备进行监测与控制。以i n t e r n e t 和以太网为代表的各类网络技术的应用和普及，拓展了监控系统的作用空间，为新一代控 制模式和系统的发展提供了基础。利用基于w e b 的嵌入式技术，可以方便地在各类嵌入式 应用中，实现远距离操作、监测、控制和维护1 3 1 。 基于w e b 的嵌入式技术的远程设备状态监控将设备诊断技术与信息技术相结合，用网 络化远程监控仪器在现场设备上建立状态监测点，使设备状态数据上网，并通过i n t e r n e t 网络对设备进行全天候的远程实时监控。技术人员通过计算机网络可随时了解远程设备的 运行状况，不必亲临现场就可实现对远程被控对象的监视控制，保证设备的安全和高效运 行，节省了大量的交通费用和人力。因而，基于w e b 的嵌入式技术可以应用于从事移动通 信公司的无人值守基站、需要进行温度监控的仓库等场合。 本课题设计目的是设计一个嵌入式w e b 服务器平台，并用于远程温度监控系统。一 个简单的远程监控系统可由嵌入式w e b 服务器、现场设备以及客户端p c 机组成。利用嵌 入式w e b 服务器的w e b 浏览功能，实现现场设备的远程监控功能，能够方便快捷地掌握 设备的运行状态，图2 - 2 直观的说明了一个远程监控系统的运行过程。 服务器端 客户端 1 访问w e b 一 4 变量输入c g i 5 发，i j 控制信息 远 浏 2 输出请求页面 w e b 程 一 应 一 服 一 现 览用 场 器 3 发出请求务 程 6 返i习状态信息 器7 变量输出 设 得到回复页面 一 序 备 图2 - 2 基于w 曲服务器的远程监控 客户端使用浏览器向服务器发送h 1 m 请求，服务器响应客户端的请求后，并引导到 指定的脚本程序，对命令进行解析，将信息交给后台c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，公 共网关接口) 去处理。c g i 解析信息后，向远程设备发出控制信息。设备响应后，返回给 c g i 状态信息，c g i 再将信息解析成变量输出到w e b 服务器上，最后客户端得到w e b 服 务器发回的页面消息，就能得到现场设备的运行状态，实现对现场设备的远程监控。 相比于传统系统由于实现远程通信较为困难、需要编制专用客户端软件、系统的可扩 展性和通用性差等特点，嵌入式w e b 服务器具有下列优点： 1 统一的客户界面：客户端只需要一个通用的浏览器，解决了过去不同的应用采用不 同界面的问题，而且此软件可自由获得，节省了客户端软件的开发费用。 2 平台独立性：浏览器所运行的平台与嵌入式w e b 服务器所在的平台无关，真正实 现了跨平台。 3 高可扩展性：服务器端可以在任何需要的时候进行功能的增强与扩展，而且管理员 通过客户端即可完成这些操作，实现了远程管理和控制。 隼 第一二帝嵌入w e b 服务器的研究o j 总体设计 2 4 系统总体设计方案 实现嵌入式w e b 服务器的重点承l 难点在于如何将嵌入式设备接入i n t e m e t 网络。根据 国内外的研究分析，嵌入式系统接入i n t e m e t 有三种方案： 方案一：网关+ 专用网 该方案是采用专用网络( 如r s 2 3 2 。r s - 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把一小批单片机连接在一 起，然后再将专用网络接到一台网关( 如p c 加上专用软件或嵌入式网关) 上。该网关的作用， 将专用网络上的信息转换为t c p i p 协议数据包。这个方案可以连接多种单片机，但存在以 下缺点：它依赖网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用网络布线不便； 需要专门的网关；但是，在集成现有嵌入式系统时有很大的优势，只需增加网关设备，即 可将现有专用网络接入i n t e m e t 。 方案二：3 2 位m c u m p u + e o s 该方案是采用3 2 位高档处理器或控制器，在e o s ( 嵌入式操作系统) 平台上进行开发， 在嵌入式操作系统中实现t c p i p 的协议处理。由于采用高档m c u m p u ，这个方案可以完 成很多复杂的功能。它的缺点是：目前高档m c u m p u 价格较高，第一次开发的时间较长 ( 以后可以复用) ，可能需要购买昂贵的e o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 方案三：m c u m p u + 虚拟软件包 它采用某些8 1 6 位m c u m p u 实现因特网接入功能，该类处理器速度较高( 如s c e n i x 的单片机等) ，能够实现实时多任务操作，可以在m c u m p u 执行数据采集和控制功能的 同时把数据打包并传送到互联网上。c p u 通过执行虚拟软件模块直接驱动普通i o 口实现 硬件外设功能( 如u a r t 、1 2 c 、s p i 等) 。在外接一个以太网控制芯片的情况下还可以实现 互联网( i e e e s 0 2 3 ) 协议处理，使该单片机系统可以直接通过r j 4 5 连到以太网上。这个方 案的优点是：是用8 1 6 位m c u m p u 通过i s p 接入互联网，不需要使用p c 机或高档单片 机；外围器件少，系统成本低；由芯片厂商或第三方提供用于互联网处理的软件模块，可 以大幅度地缩短开发周期。但是该方案依赖于特定厂商的某些处理器，完成的功能有限。 应该说，以上三种方案各有优缺点，分别适合于不同的应用场合和功能需求。本课题 主要是基于方案二的思路，以a t m e la t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器为硬件平台，l i n u x 操作系统 作为软件平台，学习和探讨基于中高档m c u m p u 和嵌入式操作系统的i n t c r n e t 应用开发 问题。 之所以做此选择，是基于以下原因： 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 是未来的趋势。硬件性能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l i n u x 操作系统是当今软件技术发展的精华之一而且已经成熟，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 l i n u x 的成功经验和丰富资源。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。相比较于其它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，定制性较好，开发和使用都较容易；在某些敏感 领域，由于其独特的开源代码特性，使其成为未来的最佳选择。 3 以方案二的思路研发的基于嵌入式操作系统的嵌入式系统可发展成嵌入式瘦服务 器、嵌入式网关和嵌入式路由器等产品，本文将此系统应用于嵌入式w e b 服务器的实现。 课题采用基于l i n u x 的嵌入式系统解决方案，硬件采用a t m e la t 9 1 r m 9 2 0 0 作为嵌入 式微处理器，软件包括在操作系统运行之前启动硬件平台的b o o t l o a d e r 、功能强大的l i n u x 5 东南人学硕i j 学位论文 操作系统和实现w e b 服务器功能的应用程序。嵌入式w e b 服务器的总体设计结构如图2 3 所示。根据系统要实现的功能，可分为三层结构由下至上分别为： j ；! 用 层 软 件 层 硬 件 层 f l a s h 接口 s d r a m 接口 嵌入式 微处理器 网络接口 a t 9 1 r m 9 2 0 0 串口 图2 3 嵌入式w e b 服务器总体设计结构 ( 1 ) 硬件层是由基于a r m 9 内核的嵌入式微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 和外围扩展接口组 成，为软件层提供运行平台。 ( 2 ) 软件层包括启动代码( b o o t l o a d e r ) 、l i n u x 操作系统、文件系统和以太网卡驱动。 b o o t l o a d e r 是在操作系统运行之前执行的- - , b 段程序，系统上电后，通过这段程序来引导 操作系统的运行，课题中采用功能齐全的u - b o o t 启动代码。l i n u x 操作系统屏蔽底层硬件 平台，通过系统调用接口为应用程序的执行提供了各种功能和服务，以实现特定的任务。 文件系统主要存放了嵌入式系统的配置文件、设备文件、应用程序、动态链接库以及其他 一些相关的程序和文件，以太网卡驱动用于将嵌入式w e b 服务器接入i n t e m e t 。软件层为 应用程序的运行提供了一个操作系统平台。 ( 3 ) 应用层是直接面向系统功能服务的软件程序，通过调用软件层中l i n u x 操作系 统提供的接口，实现w e b 服务器功能。 2 4 1 系统硬件平台设计 本文实现的嵌入式w e b 服务器使用以太网作为物理网络，以t c p i p 协议作为数据的 传输规范。以太网是一种分组交换局域网。以太网应用于工业领域是当今工业网络化发展 的必然趋势。t c p i p 是一种将不同物理网络互联的方法及使用网络的约定。通过t c p f i p 协议，联网的、运行不同操作系统的不同型号计算机便可以进行通信。t c p i p 协议是完全 开放的系统。以太网标准定义了物理层和链路层协议，其高层协议便是基于t c p 1 p 协议， 二者结合构成了完整的通信系统。另一方面，嵌入式w e b 服务器系统在调试阶段需要通过 串口将调试信息输出到p c 机的串口终端显示。根据上述系统的需求分析，针对目前常见 的微处理器，我们最终选择3 2 位a r m 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，这款处理器内部集成了以 太网控制器和多个串口符合系统要求，同时可参考的资料多，便于开发设计。 在我们的设计方案中，嵌入式w e b 服务器硬件系统设计成核心板+ 底板的模式，在核 心板上引出该款微处理器的所有功能，然后根据不同的需要设计出不同的底板，这样给设 计带来了很大的灵活性，同时也方便以后的系统升级。 核心板上集成a t m e la t 9 i r m 9 2 0 0 处理器，“ms d r a m 以及1 6 m 的f l a s h 。 a t 9 i r m 9 2 0 0 微处理器芯片是工业级2 0 0m i p s a r m 9 2 0 t 内核，具有1 6 k 字节的指令和1 6 k 6 第- 二章嵌入式w e bh 皓务器的螂f 究j 总体设计 字符的数据高速缓存的处理器，它内部有1 2 8 k 字：1 卜的只读存储器，外部总线包括s d r a m 接口，b u r s tf l a s h 接口和s r a m 控制器，u s b 设备和主控制器接口，1 0 1 0 0 m 以太网接口， 电源管理器，实时时钟，系统时钟，同步串行控制器，6 通道的定时肼数器，4 通道的u s a r t ， 两线制接口0 2 c ) ，s p i 接口，多媒体g - 接口和g p i o 等等。a t 9 l r m 9 2 0 0 微处理器芯片是 一个多用途的通用芯片，它具有很高的性价比，特别适用于工业控制领域。 系统硬件底板上提供以下外设接口：三个r s 一2 3 2 串口和一个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太 网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式接入网络。目前最常见的廉价 性能高的接入方法是采用成熟的以太网接口，能够满足局域网接入和绝大多数宽带网络接 入的要求。因此，本文设计的嵌入式w e b 服务器通过以太网接口接入i n t e m e t ；其中一个 串口作为d e b u g 串口，用于程序调试。a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器以功能强大，使用方便， 在众多领域得到了广泛的应用。 2 4 2 系统软件方案设计 在软件方面，t c p i p 协议比较复杂，如果自己从头编写t c p 、l p 等协议，难度相当大。 所以我们选择了带有t c p i p 协议栈的嵌入式l i n u x 操作系统。l i n u x 操作系统源码开放， 支持所有标准的i n t e r n c t 网络协议，此外l i n u x 操作系统对a r m 处理器具有很好的板级支 持，可以很容易移植到嵌入式系统中，大大简化了我们的开发难度。 本课题使用基于a r m 微处理器与l i n u x 操作系统的方案实现嵌入式w e b 服务器。首 先构建基于a r m 处理器的嵌入式l i n u x 系统。通常来说，嵌入式l i n u x 系统一般包括引 导程序、l i n u x 内核和根文件系统。引导程序主要实现硬件设备初始化、搬运内核与根文 件系统至s d r a m 中、为内核设置启动参数以及最终调用内核执行。l i n u x 内核是整个软 件系统的核心，提供内存管理、进程管理等功能，管理整个系统的资源。根文件系统是l i n u x 系统不可或缺的组件，在嵌入式l i n u x 系统中，内核在系统启动期间进行的最后操作之一 就是安装根文件系统，当根文件系统安装完毕后即开始初始化进程。所谓初始化进程，是 一个由内核启动的用户级进程。以上三项是最为基本的部分，但只有这些是不能做任何事 情的，它只是操作系统的基本框架，只是代表操作系统能够运行而已。如果要使w e b 服务 器能够真正有用，还必须加上底层网卡驱动程序以及根据任务需要所开发的上层应用软件， 其中又包括用于监听8 0 端口的h 1 r p 服务器软件和用于实现用户动态交互的c g l 程序。 从而形成一个包括板级支持包、系统引导、设备驱动、操作系统以及上层应用程序在内的 完整应用系统。系统软件框图如图2 - 4 所示： 7 东南人学顾l j 学位论义 w e b 月i i 务器c g l 脚本 网络套接字a ll文件系统a p i ) 系统调用 姿 圭 5 。 g 爵 进程管理内存管理 文件系统t c p p 协议栈 对 c p u 初始化以太网驱动串口驱动 a t 9 l 砌订9 2 0 0 嵌入式系统硬件平台 图2 - 4 系统软件框图 在具体实现过程中，首先构建基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的嵌入式l i n u x 系统，主要 包括u b o o t 移植、l i n u x 内核移植和应用于f l a s h 的j f f s 2 文件系统的移植。在系统软件 平台移植过程中，我们重点分析了引导程序u - b o o t 的实现原理与执行过程以及基于a r m 处理器的l i n u x 操作系统的启动过程、内存管理和中断处理在目标板上成功构建 a r m l i n u x 软件系统平台后，重点分析并实现了网卡驱动程序以及构成嵌入式w e b 服务器 所需的必要软件，其中最主要的就是一个嵌入式h ”限服务器软件，它负责监听8 0 端口上 的h t t p 请求，并且将目标板上所设计的h t m l 网页和用c g i 实现的动态网页模块传到 客户端供客户使用。因此，系统中还包括所设计的h t m l 网页和c g i 程序，这些都是和 其它应用程序以及必要的软件、配置文件一起以映像压缩的形式存在于根文件系统中。最 后，我们将嵌入式w e b 服务器应用于远程温度监控，主要需要完成用于动态交互的c g i 程序的编写与l i n u x 下温度传感器驱动的实现。至此整个系统方案基本明确，下面将具体 阐述整个软硬件系统及应用的开发与实现。 8 第三章嵌入w e b 服务器系统五史件、p 台i 殳汁 第三章嵌入式w e b 服务器系统硬件平台设计 3 1 嵌入式w e b 服务器硬件结构 硬件系统是实现整个系统功能的基础，是整个设计实现的关键。嵌入式w e b 服务器系 统硬件平台由微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 和外围扩展接口组成。系统硬件平台结构如图3 1 所 示： 图3 1 系统硬件平台框图 c p u ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，为了 降低成本和减少外围器件，芯片内部集成了许多外围接口，具有很高的性价比，特别适用 于工业控制领域。 s d r a m 存储器：硬件平台包含6 4 m bs d r a m ，由两片1 6 位的h y 5 7 v 5 6 16 2 0 芯片 芯片组成。 f l a s h 存储器：硬件平台包含6 4 m bn o rf l a s h 存储器，是由两片1 6 位宽度的 s s t 3 9 v f 6 4 0 1b 芯片组成，用于保存启动代码，l i n u x 内核映像和文件系统映像。 串行通信接口：a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括3 个u a r t 控制器。其中系统使用d e b u g 串口与 p c 机连接，启动p c 机的超级终端来进行调试过程中人机交互和文件传输。 以太网通信接口：由于a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片内部集成以太网控制器，故系统设计中使用 d m 9 1 6 1 e 作为以太网的物理层接口，实现嵌入式w e b 服务器与i n t e m e t 连接。 以下各小节分别对各个模块进行详细分析。 3 2 嵌入式处理器模块 系统核心微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司针对系统控制以及通信领域推出的基于 9 东南人学硕l ：学位论文 a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位新型微控制器。它的1 ：作电压为3 3 v ，内核的j ：作电压仅为1 8 v ， 大大降低了芯片的功耗。支持8 位、1 6 位和3 2 位寻址方式，8 个外部2 5 6 m 存储区域，可 方便地构建较大的存储空间。同时片内集成了大量的外设和标准的接口，为大范围的低功 耗、低价位计算机应用提供了一个单片的解决方案，从而使这款芯片在很多领域得到了广 泛应用。 该款处理器的特色如下1 4 】： 处理器核心： a t m e l 公司的这款a r m 处理器是a r m 9 2 0 t 的核，带存储器管理单元。该款处理器工 作于1 8 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s ，与此同时，该款处理器是哈佛c a c h e 架构【5 1 的，具有 独立的1 6 k 字节的数据缓存和指令缓存。 系统控制模块： 3 2 个可编程的i o 口线 由一个3 2 7 6 8 k h z 独立提供的实时时钟 一一系统定时器，分为周期定时器、看门狗定时器、实时定时器 一增强的中断控制器，控制处理器的中断线n l r q 与n f i q 电源管理控制器，优化整个系统功耗提供处理器时钟p c k 、主机时钟m c k 、u s b 时钟u h p c k 及u d p c k 、3 0 个外设时钟、四个可编程时钟输出p c k 0 p c k 3 一复位控制器，提供两条复位输入线( n i s t 与n t r s a 3 一内嵌调试单元，方便系统调试 存储器控制模块： 一一静态存储控制器，8 个片选口线，8 位或1 6 位数据线 一一s d r a m 控制器，有两个或四个s d r a m 区，1 6 位或3 2 位数据线 外设控制模块： 一u s b 主机端口，u s bv 2 0 全速与低速标准适用 - - u s b 设备端口，u s bv 2 0 适用，1 2 m b p s 一一以太网m a c ，与i e e e8 0 2 3 标准兼容，达到每秒1 0 - 1 0 0 m b p s 的数据吞吐能力， 与物理层接口为m i i 或r m i i 两线接口，与标准的两线串行存储器兼容 u s a r t ，5 9 位的全双工同步或异步串行通信 一- 多媒体接口，与多媒体卡标准v 2 2 兼容，与s d 存储器卡标准v 1 0 兼容 3 3 外围扩展接口模块 外围扩展接口是根据系统要实现的功能而确定的，本系统主要包括f l a s h 接口、s d r a m 接口、网络接口和串口模块。 3 3 1f l a s h 存储器接口模块 f l a s h 存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有功耗低、 大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算 法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存 储器，f l a s h 在系统中主要用来存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用 户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位数据宽度，编程电压为3 3 v 。现在市场上两种主要 1 0 第三章嵌入式w e b 服务器系统硬件、p 台设计 的1 f 易火性闪存技术是n o r 和n a n d l 6 1 。n o r 的特点是芯片内执行，这样应刚程序可以 直接在f l a s h 内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，但是很低 的写入和擦除速度大大影响了它的性能。n a n d 结构能提供极高的单元密度，并且写入擦 除速度快。由丁系统启动时需要一部分代码在f l a s h 上执行，硬件平台采用一片1 6 位的s s t 公司生产的s s t 3 9 v f 6 4 0 1 bn o rf l a s h 芯片，共8 m b 的存储空间，用于存放启动代码、 操作系统和文件系统映像。电路如图3 - 2 所示。系统启动时直接运行0 x 0 处n o rf l a s h 上的启动代码。 a t 9 lr m 9 2 s s t 弼i v f 6 4 0 1 d 0 5 ：0 d q 1 5 ：o 】 a 2 0 ：i 】 a 1 9 ：0 n w ew _ e n r s t l 强i t n c s o c e n o e o e 3 3 2s d r a m 接口模块 图3 - 2 f l a s h 接口电路图 与f l a s h 存储器件相比，s d r a m 不具有掉电保护数据的特性，但其存取速度大大高于 f l a s h 存储器，且具有读写的属性。因此s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据 及堆栈区。在系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始 化后，程序代码调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统用户堆栈、运 行数据也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统 中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须 定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处理器具有刷新控制逻辑， 或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器在片内具有独立的 s d r a m 刷新逻辑，可方便地与s d r a m 接e l 。本系统采用h y n i x 公司的h