（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的家庭网关的研究与实现.pdf

摘要 摘要 伴随着网络技术的发展，网络系统由局域网向广域网发展，由拨号上网发展 成为宽带接入的方式，网络生活步入家庭，网络和信息家电已越来越多地出现在 人们的生活之中。家庭网关，作为家庭网络和i n t e r n e t 的连接枢纽，也不可避免 地成为了研究的焦点。因而开发出适合我国家庭情况的产品，建立一个高效率、 低成本的智能家居系统是很有市场前景的。 近年来，嵌入式l i n u x 作为按照嵌入式操作系统要求而设计的一种小型操作 系统，在内核体积、可裁减性、稳定性、价格方面的优势使其成为嵌入式操作系 统中的新贵。u c l i n u x 正是在这种氛围下产生的，直接从u c 3 i n u x 开始构建操作系 统的工作，免去了许多不必要和烦琐的开发过程，不失为一个明智的选择。但是 正如u c l i n u x 继承了l n u x 的众多优点一样，同样它也具有一些不可忽视的弊端。 本文的主要工作是基于嵌入式l i n u x 的优势，结合家庭网络的特点，对u c l i n u x 的实时性和文件系统的改进进行研究与实现，同时就在s k y e y e 仿真环境下进行开 发展开讨论并实现了在家庭网关上运行的w e b 服务器。 笔者首先介绍了家庭网络，并对目前的嵌入式操作系统展开分析与对比，得 出嵌入式i i n u x 应用于家庭网关的优势和前景。既而重点就嵌入式l i n u x 存在的不 足展开深入分析：由于l i n u x 的内核是不能被抢占的，对于实时性的应用存在先天 不足，通过对r t a i 深入的讨论，笔者移植了r t a i 改进u c l i n u x 的实时性；另外， u c l i n u x 所采用的r o m f s 文件系统并不支持动态擦除，同样不适应家庭网关的要求， 笔者采用j f f s 2 文件系统的应用弥补这一缺点。同时，课题的开发都在s k y e y e 仿 真环境下展开，为突破嵌入式开发过于依赖硬件的限制做了成功的尝试。 最后在基于嵌入式l i n u x 开发的操作系统上展开了如何建立w e b 服务器的研 究与实现，对于家庭网关功能的实现提供了强有力的支持。经过全篇的研究工作， 篇末对家庭网关技术的发展方向进行了展望，提出了进一步深入研究工作的目标。 关键词：u c l i n u x ，r t a i ，实时性，文件系统，w e b 服务器，s k y e y e f r o ml a nt ow a n , f r o mt h ed i a l - i nw a yt ot h eb o a r db a n dw a y , n e t w o r ka n d i n f o r m a t i o nh o u s e h o l da p p l i a n c e sh a v eb e c o m ei n d i s p e n s a b l ei np e o p l e sd a i l yl i f e a s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , n e t w o r ks y s t e mh a sd r a m a t i c a l l yc h a n g e d a r to ft h ec o n n e c t i o no fd o m e s t i cn e t w o r kt ot h ei n t e r n e t ，d o m e s t i cn e tg a t e s u n a v o i d a b l yb e c o m et h ef o c u so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h s oi tc o u l db ev e r yp r o f i t a b l ei fw e c a nd e v e l o pa ni n t e l l i g e n ts y s t e mw h i c hn o to n l ym e e t st h en e e d so fc h i n e s ed o m e s t i c m a r k e tb u ta l s oh a st h el o w e rc o s ta n dh i g h e re f f i c i e n c y t h e s ed a y s ，e m b e d d e dl i n u x ，a st h ep i n - s i z e do p e r a t i n gs y s t e mw h i c hd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l e so fe m b e d d e do s ，h a sb e c o m ee v e nm o r ep o p u l a rd u et oi t s a d v a n t a g ei nt h es i z e , r e d u c i b i l i t y , s t a b i l i t ya n dp r i c e t h eu c l i n u xj u s tc a m ei n t ob e i n g u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e i tc a nb ev e r ya d v i s a b l ei fw ec o n s t r u c ta no p e r a t i n gs y s t e m d i r e c t l yf r o mu c l i n u x b e c a u s eal o to ft r o u b l ec a n b ea v o i d e dt h r o u g ht h i sw a y b u ta s e v e r y t h i n gh a st w os i d e s ，i t su n d e n i a b l et h a tu c l i n u xa l s oh a si t so w nd i s a d v a n t a g e s b a s e do nt h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e dl i n u x ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h e s t u d ya n dd e s i g no ft h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef i l es y s t e mi m p r o v e m e n to f u c l i n u x ，m e a n w h i l e ，u n d e rt h ee m u l a t i o n a ls k y e y ee n v i r o n m e n t ，aw e b s e i v e rm u n i n g o i lt h eh o m en e tg a t e sw a sa l s or e a l i z e d t h ea u t h o rf i r s t l yg a v ea ni n t r o d u c t i o no ft h eh o u s e h o l dn e t w o r k , m a d ea na n a l y s i s a n de o m p a r i s o na m o n gt h ec u r r e n te m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ，a n dt h e ne d u c e dt h e a d v a n t a g e sa n dt h ef u t u r eo fh o u s e h o l dn e tg a t e s m o r e o v e r , h em a d ead e e pa n a l y s i s o nt h es h o r t c o m i n g so fe m b e d d e dh n u x ，b e c a u s et h el i n u xk e r n e lc a l ln o tb eo c c u p i e d , , s oi th a sar e a l - t i m ed i s a d v a n t a g e t h ea u t h o rt r a n s p l a n t e dh i si m p r o v e dr e a l l i m e c h a r a c t e r i s t i co fu c l i n u x i na d d i t i o n , t h er o m f sf i l es y s t e mw h i c ha d o p t e db yu c l i n u x d o e sn o ts u p p o r td y n a m i ce r a s u r e ，a n dd o e sn o tm e e tt h en e e do fh o u s e h o l dn e tg a t e sa s w e l l ，b u tj f f s 2f i l es y s t e mw h i c ht h ea u t h o ra d o p t e ds u p p l i e st h i sg a p i nt h em e a n t i m e ， t h ed e v e l o p i n gp r o c e s sw a st o t a l l yc o n d u c t e du n d e rt h ee m u l a t i o n a le n v i r o n m e n to f s k y e y e ，t h u si tm a d eas u c c e s s f u la t t e m p tt ob r e a kt h el i m i t a t i o no fh a v i n gt or e l yt o o m u c ho nt h eh a r d w a r ei nt i m eo fe m b e d d e dd e v e l o p m e n t a b s 田艮气c t i nt h ee n d ，t h es t u d ya n dr e a l i z a t i o no fh o wt ob u i l daw e bs e r v e rb a s e do nt h e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw e r em a i n l yd i s c u s s e d t h i sp r o v i d e dac o g e n t s u p p o r tt ot h er e a l i z a t i o no fh o u s e h o l dn e tg a t e s a f t e rt h ew h o l es t u d y , t h ea u t h o r v i e w e dt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fh o u s e h o l dn e tg a t e st e c h n o l o g ya n da l s op u t f o r w a r dt h eo b j e c t i v e sf o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：u c l i n u x ，r t a i , r e a l t i m e ，f i l es y s t e m ，w e bs e r v e r , s k y e y e 图表目录 图1 家庭网关应用环境 图表目录 图2r t - l i n u x 框架。 图3l i n u x 文件系统层次结构 2 6 3 1 图4 家庭网关功能原理图3 6 图5u c l i n u x 系统架构 图6r t a i 工作方式 3 7 3 9 图7j f f s 2 与v f s 关系4 6 图8j - f f s 2 节点头结构 图9f f l d 与j f f s 的关系。 4 7 图1 0m t d 相关函数处理流程5 1 图l1 交叉编译开发模型 图1 2 交叉编译工具链编译过程 5 2 5 5 图1 3w e b 服务器主程序工作流程图6 5 表1j f f s 2 _ i n o d e _ c a c h e 字段4 7 表2j f f s 2r a wn o d er e f 字段4 8 1 在论文中加入文献引用。 论文修改提纲 2 第7 5 页，第1 段第5 行 原文为： 发表论文： 【1 】刘磊，张凤荔，秦志光基于u - b o o t 构建嵌入式l i n u x 的b o o t l o a d e f 电子科技大学研究生学报，2 0 0 7 年，已发表。 【2 】刘磊，张凤荔，秦志光基于u - b o o t 构建嵌入式l i n u x 的b o o t l o a d e r 计算机应用研究，2 0 0 7 年，已录用。 改为： 发表论文： 1 】刘磊，张凤荔，秦志光基于u - b o o t 构建嵌入式l i n u x 的b o o t l o a d e r 计算机应用研究，2 0 0 7 年，已发表。 将老师：螂 答辩老师：烈 日期夕岬 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：二止趸l 日期；加产伊日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：到兹导师签名：叠塑蒸 日期：。刁年牟月多日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的研究背景与研究意义 伴随着网络技术的发展，网络系统由局域网向广域网发展，由拨号上网发展 成为宽带接入的方式，网络生活步入家庭。应用于家庭里的智能家庭网络，使家 庭系统不再是一幢被动的建筑，而是更为舒适、安全、高效和节能的家庭。所谓 智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质( 如电力线、双绞线、同轴电缆、 无线电、红外等) 将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议， 对内实现资源共享，对外能通过网关与外部网( 如e t h e m e t 、i s d n 、a t m 等) 互连 进行信息交换。智能家庭网络包括低速的控制网和高速的信息网。控制网主要实 现对设备的自动控制、监测、自动拨号报警、能源管理( 如电、天然气) 等；信息 网主要实现场景监测、视频点播和视频会议等。它是借助现有的计算机网络技术， 将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、 方便、舒适、安全和高效的服务。人们可以在办公室用电脑或电话开启家中的热 水器；回家途中将家里的空调器启动并调节到适宜的温度；生产厂商对用户家中 有故障的家用电器进行远程诊断与维护；家中出现火灾、盗匪时能自动报警等。 拥有一个体现高新科技无穷魅力的智能化、现代化的家庭已不再是梦想，家庭网 络化是信息时代的必然趋势。 嵌入式i n t e r n e t 技术是近几年出现的新兴技术，主要是随着嵌入式系统应用的 普及，更多的嵌入式设备已经出现在当前的工业控制领域和家庭中。而i n t e m e t 技 术的普及，使网络逐渐延伸到地球的每一个角落，嵌入式设备也逐渐摆脱了传统 的单机运作模式，实现了对以太网和i n t e m e t 的接入。因而互联网的终端的设备不 仅仅是p c 终端，家居系统的控制也逐渐转向了以嵌入式家庭网关设备实现控制管 理的嵌入式系统领域。 家庭网关，作为家庭网络和i n t e m e t 的连接枢纽，不可避免地成为了研究的焦 点。国外有人认为，家庭网关的登台亮相将成为继p c 与移动电话之后到来的又一 浪潮。 嵌入式l i n u x 与其他嵌入式操作系统相比，其源代码是开放的，不存在黑箱技 术。l i n u x 作为一种可裁剪的软件平台系统，是发展未来嵌入式设备的绝佳资源。 电子科技大学硕士学位论文 l i n u x 与生俱来的优秀网络血统，更为今后的发展铺平了一条宽广平坦的大路。同 时，l i n u x 具有更小、更稳定、价格更低等优势。正是嵌入式操作系统的特殊要求 为l i n u x 在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空间，使得l i n u x 成为嵌入式操作系 统中的新贵。目前家庭网关采用嵌入式l i n u x 才刚刚起步，还处于研究阶段，有很 大的研究和发展空间。 本课题所应用环境如图1 所示，家庭网关通过小区接入服务器连接i n t e r a c t ， 可以在接入服务器上安装防火墙，进一步加强了安全性，同时还可通过i n t e r a c t 进 行远程控制等。 1 2 课题所做的主要工作 图i 家庭网关应用环境 本课题来自国家信息产业部资助基金项目入侵防御系统与防拒绝服务产 品。项目开发的过程中要求在嵌入式设备上开发入侵防御系统与防拒绝服务产 品，作者参与了基于m a g i c a r m 2 4 1 0 实验箱的嵌入式l i n u x 移植和裁减工作，其 d e v i c e a r m 2 4 1 0 核心板是广州致远电子有限公司开发的基于$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器的 a r m 9 板。开发工作告一段落后出于对嵌入式领域技术的热爱，作者萌生了进一 步研究开发的想法。结合目前家庭网络的迅猛发展，选择了基于嵌入式l i n u x 构建 家庭网关的研究方向。 课题涉及的主要工作如下： ( 1 ) 针对目前家庭网络技术发展的现状，分析嵌入式l i n u x 的应用前景。 2 第一章引言 圆结合嵌入式l i n u x 的自身特点，得出其应用于家庭网关的优势和不足。 ( 3 ) 研究嵌入式l i n u x 通常所采用的移植与裁减方法，在入侵防御系统与防 拒绝服务产品项目开发过程中，曾经根据需要研究了如何基于u b o o t 构造嵌入 式l i n u x 的b o o f l o a d e r ，由于本篇论文重点不涉及b o o f l o a d e r ，故文章中并未做详 细阐述。 ( 4 ) u c l i n u x 是作为嵌入式l i n u x 应用比较成功的一种，分析了其应用于家庭网 关的可能性，并进行了移植工作 实时性一直是u c l i n u x 存在缺陷的地方，通过对r t a i 实时应用程序接1 ：3 技术的研究与分析，阐述如何通过r t a i 来改进u c l i n u x 的实时性。 ( 6 ) 作为家庭网关来讲，对于配置或者修改的要求，使得u c l i n u x 所采用的 r o t o r s 文件系统不能满足要求，因为它并不支持动态擦除，课题中给出了利用 j f f s 2 文件系统来完善的方法。 ( 7 ) 由于硬件条件的限制以及资金的匮乏，导致了嵌入式开发一般并不能很方 便的展开，课题中对如何运用s k y e y e 仿真环境来脱离硬件条件的束缚也做了探讨。 ( 8 ) 为了达到家庭网关能够实现远程控制的基本需求，对嵌入式w e b 服务器 的建立也做了部分工作。 1 3 本文的章节结构 本论文的章节安排如下： 第一章，引言。主要介绍课题背景、来源、研究的内容和意义，以及作者的主 要工作。 第二章，家庭网络技术和嵌入式系统介绍。分别分析家庭网络技术的发展和嵌 入式系统，重点阐述了家庭网关技术，然后就目前嵌入式系统的发展引出嵌入式 l i n u x 的发展前景，分析嵌入式l i n u x 的优势。 第三章，嵌入式l i n u x 研究。首先从宏观上总结了嵌入式l i n u x 所采用的几种 裁减方法，进而结合课题要求分析了它做为实时系统的不足并介绍了几种目前实 行的改进嵌入式l i n u x 实时性的方法，最后分析了嵌入式l i n u x 的文件系统，为下 面文件系统的构建工作做理论分析。 第四章，家庭网关构建方案的研究。本章是论文的重点章节，主要从三个方面 展开阐述：第一，为什么选择u c l i n u x 作为构建家庭网关操作系统的基础；第二， 分析了r t a i 实时应用程序接口，对它的原理做了深入的研究；第三，本课题采用 3 电子科技大学硕士学位论文 j f f s 2 文件系统来提供动态擦除的功能，在这章对其进行了详细的分析。 第五章，家庭网关的具体实现。就前面第四章展开的分析和研究，描述了具体 的实现过程。主要包括s k y e y e 仿真环境的建立、u c l m u x 的移植、r t a i 的移植和 j f f s 2 文件系统的构建。 第六章，家庭网关w e b 服务器的建立。本章主要分析和讨论了嵌入式w e b 服 务器的原理和建立方法，并进行了验证。 第七章，总结和改进。总结了系统实现方案的优势和开发中的不足，阐述了进 一步研究的方向。 4 第二章家庭网关背景知识介绍 第二章家庭网关背景知识介绍 2 1 家庭网络介绍【4 9 i 驯 2 1 1 家庭网络概述 智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质( 如电力线、双绞线、同轴 电缆、无线电、红外等) 将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信 协议，对内实现资源共享，对外能通过网关与外部网( 如e t h e m e t 、i s d n 、a t m 等) 互连进行信息交换。智能家庭网络包括低速的控制网和高速的信息网。控制网主 要实现对设备的自动控制、监测、自动拨号报警、能源管理( 如电、天然气) 等；信 息网主要实现场景监测、视频点播和视频会议等1 1 。 从组成结构上划分，家庭网络可包括以下四个部分： ( 1 ) 宽带接入 它为家庭内部网络提供与外部网络的高速双向连接，可以提供实时、可靠的 数据传输服务。目前可以选用的宽带接入技术有h f c 、f t r h 、i s d n 等。 ( 2 ) 家庭网关【2 1 它是家庭网络的核心设备，不仅为家庭内部网络环境和外部网络环境提供连 接，还提供了路由选择、内外部予网之间的协议转换等服务。 ( 3 ) 信息家电网络 它是指家庭内部网络环境，将家庭内部的信息家电互联组网。对于消费用户 而言该网络应该是不可见、无需配置的。 ( 4 ) 信息家电【3 1 信息家电( i n t e r a c t a p p l i a n c e , t a ) 是近年来提出的一个新概念。它的含义是将计 算机技术和现代通信技术融入到传统的家用电器之中，使之智能化并具有网络信 息终端的功能，可以主动地发布、获取和处理相关信息，从而实现传统家庭信息 化、网络化，并与现代信息社会“信息高速公路”通信网络紧密相连。随着技术 的不断发展，信息家电的概念还在不断的扩充之中。 信息家电不同于传统的家用电器，而是有它独有的特点，这些特点可以归纳 为“三化”，即网络化、智能化和自动化。 5 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 网络化 网络化使得的信息家电间能够方便的进行资源共享和信息交互。信息家电应该 继承传统家电简单、方便、实用、耐用的特性，信息家电联网就应该像使用电话 机一样即插即用。 智能化 信息家电是网络上的家电，而不是电脑外设。也就是说，信息家电本身具有一 定的智能，并支持某种统一的、标准化的通信协议与控制协议，能够互相识别， 而不必像计算机外设那样必须受电脑的控制。信息家电应该无需使用电脑便能独 立动作。 鳓自动化 信息家电应能够与网络中的其他信息终端自动建立通信联系，主动向网络获取 信息。例如，网络冰箱应该能够知道自己存储食品的种类、数量和存储日期，提 醒食品存储到期和发出存量不足的警告，甚至自动从网络上订购。此外，信息家 电还应该能够主动向网络提供本身的一些有用信息，如向生产厂家提供故障报告 要求维修的反馈信息等。 智能家庭网络的主要特点就是多元信息处理，包括各类信息的采集、加工、管 理、存储、交互等。因此有必要建立一个功能强大的信息处理平台。在智能家庭 网络中，家庭网关担当了信息处理平台的角色。它一方面完成家庭无线网络中各 种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功 能，另一方面负责对家庭中各个信息家电的管理和控制。各个信息家电也可通过 家庭网关与外部网络相联，从而实现信息的交互和共享。正是由于家庭网关在家 庭网络的中心地位，使得对家庭网关的研究成为r r 业界的热点之一【”。 2 1 2 家庭网络目前的发展状况【5 l 随着信息社会的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中。 智能家居系统已经成为智能建筑化的一个重要研究方向。如何去建立一个高效率、 低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。近年来，国际上许多大 公司提出了相应的解决方案，但迄今为止，这一领域的国际标准尚未成熟，各国 正努力研制适合于本国国情的智能家居系统。 国外在探索现代化智能家居系统及其核心技术的过程中，已逐渐形成了一些相 关的标准，分别受许多大公司的支持，其中较有影响力的是o b i ( o p e ns e r v i c e s 6 第二章家庭网关背景知识介绍 g a t e w a yi n i t i a t i v e ) 的s p e c i f i c a t i o n r e l e a s e l 0 和e i a t i a 相关标准。智能家居系统 已由开始时以p c 为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领 域。而智能家居系统物理层的接口标准和数据传输协议则是大部分国内外学术机 构和厂商关注的问题。嵌入式i n t e m e t 技术是近几年发展起来的项新兴概念和技 术，是指设备通过嵌入式模块而非p c 系统直接接入i n t e r a c t ，以i n t e r a c t 为介质实 现信息交互的过程，通常又称为非p ci n t e m e t 接入。嵌入式i n t e m e t 在家庭中应用 也是其重要的方面，如信息家电、家庭网关( 嵌入式设备实现) 均是嵌入式i n t e m e t 的一种应用产物。 标准化接口和通讯协议【6 1 ( 协议问题，即诸多家电和网络能够彼此相容) 等方面， 不同的技术标准还难以统一，为智能家居的迅速普及留下了很大的障碍。当然， 智能家居系统的提出和实现不仅会带来普通居民用户家庭生活方式上的变革，而 目将波及工业控制等许多与i n t e m e t 相关的嵌入式应用领域。而以智能家居为最基 本构成单元的一个有序化网络体系结构的诞生则会为i n t e m e t 注入新的生机和活 力。家居系统发展趋势必然是在该领域实现标准的统一，同时随着芯片价格的下 降，家居系统的技术选择上可能性增多，更多有潜力的技术将被应用到家居系统 环境中。 2 1 3 家庭网络相关技术介绍 2 1 3 1 家庭网络发展的技术基础 促进智能家居发展的两个重要的基础是嵌入式i n t e m e t 技术和外部宽带接入技 术的发展。嵌入式i n t e r a c t 技术是近几年出现的新兴技术，主要是随着嵌入式系统 应用的普及，更多的嵌入式设备已经出现在当前的工业控制领域和家庭中。而 i n t e m e t 技术的普及，使网络逐渐延伸到地球的每一个角落，嵌入式设备也逐渐摆 脱了传统的单机运作模式，实现了对以太网和i n t e m e t 的接入。因而互联网的终端 的设备不仅仅是p c 终端，更多的嵌入式“瘦”服务器将出现以取代了原有p c 这 样“胖”服务器。家居系统的控制也逐渐逐渐转向了以嵌入式家庭网关设备实现 控制管理的嵌入式系统领域。 此外，i n t e r a c t 技术的普及使智能小区出现了基于以太网总线的网络，为家居 系统提供了一个对外的接入，使家居系统的设备诸如p c 和家庭信息处理平台即智 能家庭网关设备能直接实现对以太网或i n t e m e t 的互连。基于上述两个重要的基础， 家居系统中也逐渐产生了很多能直接实现网络接入的设备如信息家电、智能家庭 7 电子科技大学硕士学位论文 网关、机顶盒等。构建家居系统的关键技术智能家庭网关不仅能实现对内部网络 的互连，使家居系统中所有设备互连成一个系统实现统一管理和控制，同时网关 被设计成嵌入式服务器完成对外部网络的接入，响应远程客户端的请求以w e b 的 浏览器服务器模式实现和远程浏览器的交互。 2 1 3 2 家庭网络的构建基础 智能家居系统的构建的三个重要的基础是：布线系统；家庭信息处理平台即 智能家庭网关；三种网络的支持【7 8 ”。 ( 1 ) 布线系统，提供一个硬件平台实现数据在上面传输。由于布线往往是在施 工时预先埋设，扩展和更换不便，所以未来家庭中将会采用无线方式来解决家庭 内部网络的组建，如此不仅省去布线的麻烦，同时便于设备扩展。无线方式数据 通信不存在方向的限制决定了设备的位置是随意的，增加家居的布局的便利。 ( 2 ) 家庭信息处理平台即智能家庭网关，它是整个家居系统调度和控制的核心。 它主要是用于完成协议转换，实现家庭内部网络和外部的以太网或i n t e m e t 的集成， 集成方式是通过网关作为一个数据互通的桥梁。 ( 3 ) - - 种网络分别是：外部宽带接入即外部的互联网，提供家居系统的外部接 入；家庭内部互联网，存在在家庭内部的信息网络和控制网络，为了实现上的便 利，采用二者合一的方式；家庭低一级的控制子网，该种网络存在家庭和设备直 接连接的控制子网，实现的方式主要是通过控制器进行家庭内部的分级子网组建， 子网中各设备通过控制器实现对网关的接入。 2 1 3 3 家庭网关介绍 智能家庭网关是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单 元。它通过各种途径( 如i n t e r a c t 、w a p 、电话、手机等) 从多种多样的外部网络接 收通信信号，然后通过家庭内部网络将信号传送到特定的用户设备上，并将相应 信号反馈给外部通信节点，实现远程交互。智能家庭网关是智能家庭局域网的核 心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及 同外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关一般还负责家庭智能设备的管理 和控制。由于嵌入式i n t c m e t 技术的发展，家庭网关实现上也逐渐从p c 机实现转 向嵌入式设备的实现上。如下为通用网关的大致发展历程： ( 1 ) 2 0 世纪9 0 年代中期，采用p c 机+ 网卡+ 采集插卡组成，利用p c 进行协议 转换，将家庭内部设备组成的测控系统接入到以太网。这种方式p c 机放在以太网 8 第二章家庭网关背景知识介绍 内，成本很高，不太现实。 ( 2 ) 近几年，采用嵌入式系统+ 以太网卡+ 采集卡来组成以太网测控网关。嵌入 式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的p c 机。例如，p g l 0 4 实际就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的p o - 4 8 6 d x 计算机，有电子硬盘 及各种y o 插口，可装入w i n d o w sc e 和其他p c 机应用软件。所以，实际上它是 第一种网关的简化和微型化。它的成本比第一种有所下降，但价格还是较高。另 外，利用了p c 机的软件，开发速度较快。 ( 3 ) 近年以来，随着嵌入式i n t e m e t 的发展，出现了的m c u 单片机加上以太 网接口芯片组成家庭网关。这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发 展。它以单片机取代p c 机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使网关的价格进一 步下降。但是在单片机上实现各种网络协议，如t c p i p 、u d p 等相对比较复杂。 ( 近两年，许多大公司推出集成了i o m i o o m 的以太网接口的嵌入式处理 器，如m o t o r o l a m c f 5 2 7 2 可以很方便构建家庭网关，利用运行其上的嵌入式操作 系统可以方便的实现网络通信。但是该技术也正处于研发中，成本不低。 家庭网关硬件上的结构就决定了其内部的物理层接口的模式，外部的接口就决 定外部的接入方式。其中物理层接口是实现家庭局域网内部网络结构的底层硬件 协议接口，是智能家庭局域网的最基本部件。目前国际上流行的物理层系列接口 主要包含无线射频( r f ) 、电力载波( p l ) 、双绞线( r s 4 8 5 等) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、 无线以太网( i e e e 8 0 2 1 1 ) 、x l l 、h o m e r f 技术等，这些接口涵盖了从以智能设备 监控为代表的低速数据链路接口和以家庭多媒体娱乐和视频监控为代表的高速数 据链路接口。其中以现场总线为特征的家庭自动化子网的物理层接口形式比较多 样，且大量的新型接口标准正处于探索和标准化之中，这些方面一直是智能家居 最热门，也是最有活力的研究内容之一。现场总线标准的物理层接口形式主要采 用无线射频、电力载波、双绞线、红外等形式。其中无线射频和电力载波以其无 需增加附件的布线资源、可靠的数据传输性能和低廉的成本成为最现实和最受欢 迎的两种物理层接口形式。外部的网络形式决定了网关外部接口类型，接口一般 为以太网e t h e m e t 、c a b l em o d e m a d s l 等。如果在家庭内部物理层接口选择为无 线方式，家庭网关须嵌入无线接口芯片以实现家庭内部组网。另外，网关还应内 置外部接口芯片实现对外接入。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 嵌入式系统介绍 2 2 1 嵌入式系统与嵌入式操作系统 嵌入式系统【1 1 1 被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用 软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。 1 2 1 其主要特点 1 3 1 有： ( 1 ) 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统 嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全，软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系 统功能的应用软件，硬件除了c p u 外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制 器、d s p 已构成嵌入式系统硬件的基础。 ( 2 ) 嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统 嵌入式系统的发展离不开应用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌 入式系统技术日益完善，各种高性能嵌入式应用系统层出小穷，它已是资源开销 小的高性能价格比的一类应用系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠 性的要求，大多使用f l a s hm e m o r y 。 ( 3 ) 嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统 嵌入式系统应用的广泛性要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统， 使用它应如同使用家用电器一样方便。 经过多年的开发与研究，嵌入式系统的发展已经经过了四个阶段：以单芯片 为核心的可编程控制器形式的系统，没有操作系统的支持；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；以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统； 以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可分成四个部分：嵌入式处理器、嵌 入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。其中最为核心的当属嵌入式 操作系统。 嵌入式操作系统【1 4 1 ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 是支持嵌入式系统应用 的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的 底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器 等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、 第二章家庭网关背景知识介绍 软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的出 现，将大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的 应用从头做起的局面。在嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开发的工 作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能， 如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以一下特点： ( 1 ) 装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 ( 4 ) 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 ( 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p u d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 ( 回强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般 不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系 统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，采用的是各种内存文件系统。 ( 8 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 2 2 国内外各种嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类：一类是面向消费电子产品的非 实时系统，这类设备包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒( s t b ) 等；另一 类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统。 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： ( 1 ) 专用的实时操作系统( r t o s ) t 捌： 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 a x o s ，还有h o p e n ，中文名称为”女 蜗”，它是由中科院开发的中国自己的嵌入式操作系统。专用r t o s 的特点是：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，只提供二进制 代码。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) w i n d o w sc e 微软开发的嵌入式操作系统。其应用编程接n ( a p l ) 与w i n 3 2a p i 兼容。缺点 同样是源代码不公开，对每一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 。 ( 3 ) 嵌入式l i n 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。i d g ( i n t e m a t i o n a l d a t a c 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 。 l i 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 ；有大量的并在不断增加的开发工具； 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。 2 2 3 嵌入式l m u x 【1 6 l 发展和优势 嵌入式l i n u x 则是按照嵌入式操作系统要求而设计的一种小型操作系统。由一 个k e r n e l ( 内核) 及一些根据需要进行定制的系统模块组成。其k e r n e l 一般只有几百 k b 左右。即使加上其他必须的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。与其他 嵌入式操作系统相比，l i n u x 的源代码是开放的，不存在黑箱技术。l m u x 作为一 种可裁剪的软件平台系统，是发展未来嵌入式设备的绝佳资源。l i n u x 与生俱来的 优秀网络血统，更为今后的发展铺平了一条宽广平坦的大路。遍布全球的l i n u x 爱好者又能给予l i n u x 开发者强大的技术支持。同时，l i n u x 具有更小、更稳定、 价格更低等优势。正是嵌入式操作系统的特殊要求为l i n u x 在嵌入式系统中的发展 提供了广阔的空间，使得l i n u x 成为嵌入式操作系统中的新贵。 而且，l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具有许多的优势【1 7 】： ( 1 ) 系统稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、简单易用。l i n u x 在许多方面与u n i x 类似，但是它是一个完全独立的操作系统，它可以非常稳定 地运行在许多种体系结构的