（计算机应用技术专业论文）嵌入式internet技术研究及web服务器实现.pdf

学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 日期 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：日期 摘要 信息技术的高速发展和嵌入式系统的广泛应用给人们的生活带来了革命性 的变化，嵌入式系统接入i n t e r n e t 成为一个未来的趋势。本论文的主要目的是对 嵌入式系统接入i n t e m e t 的技术进行研究并予以实现。 本文设计并实现了一种嵌入式系统接入i n t e m e t 的方法，即用3 2 位微处理 器与嵌入式实时操作系统相结合，再通过精简的t c p 1 p 协议将嵌入式系统接入 到i n t e m e t 。文中详细地给出了这种解决方案的软硬件实现。在硬件方面，本文 设计了一个基于3 2 位a r m 微处理器的硬件实验平台，并结合嵌入式系统远程 监控的需要，给出了硬件电路的整体设计原理和实现方法。软件设计中，分析 u c o s i i 嵌入式实时系统内核的特点和移植方法，并实现了其在3 2 位a r m 微 处理器平台的移植，然后给出了针对嵌入式系统特点的精简的嵌入式t c p i p 协 议栈的设计和具体协议的实现。 此外，本文设计和实现了一个嵌入式w e b 服务器，该w e b 服务器采用m 1 t p 协议和c g i 技术，能与客户端浏览器进行动态交互，实现了对嵌入式设备的状 态查看和远程控制。文中还对嵌入式w e b 服务器的安全性进行了探讨。 研究结果表明采用3 2 位微处理器与嵌入式实时操作系统相结合，通过简化 的t c p i p 协议将嵌入式系统接入到i n t e r n e t 的方法是完全可行的，并且本论文 设计的嵌入式系统网络接入方案具有低成本、高效率、安全性高的特点，为信息 家电、工业远程控制和数据采集等应用提供一种新的解决方案。 关键词：嵌入式因特网：以太网：嵌入式实时操作系统；协议栈；w e b 服务器 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mh a v eb r o u g h tt h ep r o f o u n dc h a n g et op e o p l e sl i f e ，i th a sa b r i g h t f u t u r et h a tt h ee m b e d d e ds y s t e ma c c e s s e st oi n t e r n e t t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i s i st oc a r r yo nr e s e a r c ht ot h ee m b e d d e ds y s t e m s ，a n df i n dt h ew a yt oh e l pt h o s es y s t e m sa c c e s st oi n t e r n e t t h i sp a p e rp r o v i d e sas o l u t i o nf o re m b e d d e ds y s t e m st oa c c e s si n t e m e t ，b yp o r t - i n ga ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt o3 2 _ b i tm i c r o p r o c e s s o ra n ds i m p l i f y i n g t h et c p i pp r o t o c 0 1t oh e l pt h ee m b e d d e ds y s t e ma c c e s st oi n t e r n e t t h e3 2 - b i ta r m e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , l p c 2 1 0 4 i ss e l e c t e da st h ec o r eo fh a r d w a r ee x p e d m e n t c i r c u i tb o a r d ，a n dt h ed e s i g n i n go fh a r d w a r ec i r c u i ti sg i y e n 0 nt h eo t h e rh a n d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d d e dr e a l t i m es y s t e mk e r n e lo fu c o s i ia n dt r a n s p l a n t a t i o nm e t h o di sp r o f o u n d l ya n a l y z e da n di m p l e m e n t e d ，a n dt h ed e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fas i m p l i f i e dt c p i pp r o t o c o is t a c ki sg i v e n a na p p l i c a t i o no fe m b e d d e di n t e r a c t ，e m b e d d e dw e bs e r v e r , i sa l s od e s i g n e di n t h i sa r t i c l e t h ew e b s e r v e ru s eh t t pp r o t o c o la n dc g it e c h n o l o g yt oi n t e r - a c t i v e w i t hb r o w s e ro fc l i e n t s ，s ot h a ti tc a nm o n i t o ra n dc o n t r o lt h ee m b e d d e dd e v i c er e m o t e l y m o r e o v e r ，t h es e c u d t yo ft h ee m b e d d e dw e b s e r v e ri ss t u d i e da n di m p r o v e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a ti t sf e a s i b l et oc o m b i n e3 2 b i tm i c r o p r o c e s s o ra n d f r e ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mt oc o n n e c te m b e d d e ds y s t e mt oi n t e r n e t ， a n dt h ed e s i g no ft h i sa r t i c l ei sl o w c o s ta n dh i g h e f f i c i e n c y i tp r o v i d e sak i n d o fn e w s o l u t i o nt op o p u l a r i z et h o s ea p p l i c a t i o n sa si 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 s ，i n d u s - t r yr e m o t ec o n t r o l sa n dd a t ac o l l e c t i o n ，e t c k e y w o r d s ：e m b e d d e di n t e r n e t ；e t h e r n e t ；r t o s ；t c p i p ；w e bs e r v e r 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，人类进入了后p c 时代，嵌入式系统与互联网络 已经无所不在，它们一起深刻地影响着我们的生活，而这两者的融合已经是大势 所趋，如何让嵌入式系统接入网络已经成为信息领域研究和应用的热点，越来越 受到人们的重视。 1 1 嵌入式系统及其发展趋势 微电子技术的迅猛发展使得嵌入式系统广泛地融入人类的生活。嵌入式系统 是软件和硬件的结合体，它的正式定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用 计算机系统。 嵌入式系统通常由3 个部分组成：嵌入式处理器，相关的硬件支持设备，以 及嵌入式软件系统。其中，嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。按照功能 和用途划分，其可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器m c u ( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 、嵌入式微处理器m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) 、 嵌入式数字信号处理器d s p ( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 和片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p s e t ) 。 嵌入式系统发展至今已经有3 0 多年的历史，其大致经历了四个发展阶段： 以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的 功能；以嵌入式中央处理器( 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：以基于网络操作为标志的嵌入式系 统。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，其具有如下的特点： 1 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统。它的硬件和软件都必须高效地 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。 2 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容 性等方面均受到应用要求的制约。 3 嵌入式系统一般要求高可靠性。在恶劣的环境或突然断电的情况下，要 求系统仍然都能够正常工作。还有许多嵌入式系统应用要求实时功能， 这就要求嵌入式系统具有实时处理能力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的丹级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 嵌入式系统市场是一个分散的行业，充满了竞争、机遇与创新，没有任 何一个单一的处理器( 或处理器集) 和操作系统能够垄断全部市场。 当前，嵌入式系统已经广泛地渗透到工业流水控制、通讯、仪器仪表、汽车、 船舶、航空航天、军事装备、农业、生物、交通、金融、消费类产品等领域。随 着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术将越来越和人们的生 活紧密结合，成为后p c 时代r r 领域发展的主力军。 随着技术的发展，嵌入式技术也出现一些新的发展趋势，主要体现在以下几 个方面： 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 2 联网成为必然趋势 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 4 提供精巧的多媒体人机界面 1 2 嵌入式i n t e r n e t 1 2 1 嵌入式i n t e r n e t 的概念 嵌入式i n t e m e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，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 m e t ，并以i n t e r a c t 为介质实现信息交互的技 术，通常又称作非p c 式i n t e r n e t 接入。 嵌入式i n t e r n e t 技术的目标是将小型简单的低成本嵌入式系统连接到 i n t e r n e t ，充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。 嵌入式i n t e r n e t 在嵌入式系统应用领域的革命性举措是它有效地解决了嵌入式 系统不统一的网络协议标准和人机接口的矛盾。目前许多公司和组织( 包括 s i m e n s 、p h i l i p s 、i n f i n e o n 、m o t o r a l a 等) 成立了嵌入式i n t e r n e t 联盟( e t i ) 来专门 讨论和制定嵌入式i n t e m e t 领域的标准和开发相关的技术。 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的研究背景及应用前景 当前嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了应用。但目前大多数嵌 入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设 备配合实现一定的功能。另一方面，i n t e r n e t 和光纤主干网技术的飞速进展，使 得基于分组交换技术的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，i n t e r n e t 已成为 社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。 如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t ，我们就可以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，随时查看嵌入式设备 的情况，并指挥运转这些设备，从而方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任 何地方。可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术 的真正未来。 过去也有远程采集现场设备的数据、进行远程显示和控制的一些方法，但是 数据的传输大多采用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连和互操作，配 套的软件和硬件要单独设计。相比之下，嵌入式i n t e m e 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 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。 7 软件可靠性更高，而且有很多实用参考代码可供利用。 嵌入式i n t e r n e t 的广泛应用将未来世界变得更加自动化、智能化和人性化， 连入互联网的嵌入式系统的出现，将给地球披上“电子皮肤”。嵌入式片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ) 被称为“瘦服务器”，包括美固贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 7 在内的一批科学家对未来i n t e r n e t 的发展方向做出了预测：“在不久的未来，将 会产生比p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务 器将与这个世界你能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 自动 地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象”。 1 2 - 3 嵌入式i n t e r n e t 的研究现状及关键问题 嵌入式i n t e r n e t 技术就是要实现嵌入式系统连接到i n t e m e t ，要求嵌入式系统 在软件上实现有关的i n t e m e t 通信协议，解决数据的封装、编码及发送接收等问 题：在硬件上具有一定的计算和存储能力，提供高效处理口数据包需要的网络 带宽和吞吐量。 由于嵌入式系统自身的特点，按照传统p c 的方法将嵌入式系统接入i n t e r a c t 存在很大的困难。其困难在于，i n t e m e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、 运算速度等方面的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量 存在的是8 位和1 6 位嵌入式m c u ，它们存储容量小，运行速度较慢，支持t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用大量系统资源。另外，传统的t c p i p 协议在实现实时性 方面做得不够好，它把大量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控 制上。而在实时性要求比较高的嵌入式领域中，传统的t c p i p 不能满足其实时 要求。 因此，从简洁实用的角度出发，需要把传统t c p i p 在不违背协议标准的前 提下加以改进实现，使其实现性得到提高，占用的存储空间尽可能少，以满足嵌 入式应用的要求。 目前实现嵌入式系统接入i n t e r n c t 的方案主要有以下几种： 1 微处理器微控制器+ 实时操作系统( r t o s ) 这种方案采用1 6 3 2 位的高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的 平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p b p 的协议处理。1 6 位或3 2 位 的嵌入式系统具有较强的计算处理能力，有足够的能力和资源在实时操作系统并 完成很多复杂的功能。随着微处理器价格急剧下降，利用r t o s 开发嵌入式应用 系统已经逐步成为潮流，国外许多公司提供了具有t c p i p 协议支持的实时操作 系统，如v r t x ，n u c l e u s ，p s o s ，q n x ，v x w o r k ，r t x c ，c m x r t x 等，l i n u x 也在向这个领域进军。根据系统性能要求，选择合理的微处理器及其开发套件， 选取适当的r t o s 软件包，可以提高系统开发效率，最终达到系统目标。但这种 方案存在如下缺点：a 高档单片机价格较贵，开发周期较长；b 需要购买昂贵的 r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 2 网关+ 轻量级设备网 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，然后再将该专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信 息转换为t c p 口协议数据包，然后发到网上实现信息共享。 这种方式可以降低对嵌入式系统的要求，使用范围广泛，可以连接多种单片 机，可充分利用已经大量存在的8 位和1 6 位嵌入式产品，集中分散的小型设备 成为网络，并提供使用i n t e r n e t 进行信息交互的手段，有利于设备远程访问和实 时监控。但是这种方案也存在如下的缺点：a 需要一个专门的嵌入式网关，对 于过于分散的嵌入式系统而言，嵌入式系统和网关之间的通信需要专门的网络布 线，即不方便也加大了成本。b 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，这种 软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。 3 i n t e r n e t 控制器+ 固化的协议栈 这个方案是由m c u 及固化了t c p ，口协议的芯片组成应用系统的核心。应 用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器，如果所 用的t c p 口协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有较高的运行速度。采用这 种方案的芯片有s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k ，s e i k oi n s t r u m e n t 公司的 $ 7 6 0 0 a ，i r e a d y 公司的i n t e r n e tt u n n e r ，c o n n e c to n e 公司的i c h i p 等，其中s c e n i x 公司的单片机为软件固化协议，其它芯片为硬件固化。 此方案具有开发时间短、系统成本低的优点。因此对于开发小型、价廉的信 息终端产品是比较好的选择。 4 8 1 6 位低端嵌入式系统的简化方式 对于大量存在的8 位和1 6 位m c u ，由于其速度较慢，内存较小，如要支持 t c p 1 p 协议将占用大量系统资源，或根本不可能。考虑到这类系统功能较为单 一，数据量较小，可以根据实际要求尽量简化，即提供最低要求的t c p i p 堆栈 和最精简的t c p i p 协议。如实现简化的w e bs e r v e r ；简化1 c m p 协议；使用u d p 协议而不是t c p 协议等。精简后的t c p i p 协议虽然功能受到了一定的限制，但 对于这种低端嵌入式系统的要求而言，如传送少量数据或是信令，还是完全可以 胜任的。而且，这种方式的实现成本很低，在很多些场合下，也不失为一种可行 的低端嵌入式以太网解决方案。 5 m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 协议 采用e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 网络技术e m i t ( e m b e d d e dm i c r o i n t e r n e tw o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议，再通过 e m g a t e w a y 网关与i n t e r n e t 进行连接。e m g a t e w a y 网络软件接口可以安装在计算 机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它支持t c p i p 协议并运行h t f p 服务程序，作为用户可以通过网络浏览器浏览访问远程服务器。e m g a t e w a y 通 过r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 红外及射频等通信方式与多个嵌入式设备相连。每个嵌入 式设备的应用程序包含一个独立的通信任务，称为e m m i c r o ，监测嵌入式设备中 预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时e m m i c r o 还可以解 释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。为了完成网络连 接，e m w a r e 公司开发了大量软件来建立访问和监控m c u 应用系统的接口，这 些接口可以在不同的设备中。 这种方案具有一定的性能价格比优势。但应用系统设计工程师必须熟悉 e m n e t 协议和相关的接口，原来客户应用系统的m c u 也不一定符合要求，并且 软硬件设计的工作量仍然较大。同时，应用系统的单片机处理e m n e t 协议要占 用一定的系统资源。 1 3 论文研究工作与论文结构 本论文在分析了目前嵌入式系统接入i n t e r n e t 的研究现状和实现方法的基础 上，进一步设计了自己的解决方案和实现。论文采用前文所介绍的“微处理器 微控制器+ 实时操作系统( r t o s ) ”方案并进行改进，选择在3 2 位嵌入式系统 上使用免费的r t o s 进行开发，研究并实现实时操作系统在嵌入式系统上的移 植。另一方面对现有的t c p i p 协议进行分析后，对其进行裁减和简化，设计和 实现适用于嵌入式系统远程实时监控的嵌入式t c p i p 协议栈。最后利用这个嵌 入式t c p i p 协议栈实现一个嵌入式w e b 服务器，可在网络上通过浏览器快捷、 1 0 方便地查看嵌入式系统的运行情况并对其发出相应的控制指令。具体实现时，硬 件平台以a r m 核微控制器l p c 2 1 0 4 为核心，软件系统则是在u c o s i i 实时操 作系统下开发的。文章安排如下： 第一章为绪论，介绍嵌入式i n t e m e t 的背景和论文所作的工作； 第二章设计和实现系统的硬件平台； 第三章研究u c o s i i 嵌入式实时操作系统的内核机制，并将它移植到以 l p c 2 1 0 4 为核心硬件平台： 第四章对传统t c p i p 协议进行裁减和简化，设计和实现适用于远程监控的 嵌入式t c p i p 协议栈； 第五章研究嵌入式w e b s e r v e r 技术，并给出具体实现方法，在验证嵌入式 t c p i p 协议栈的有效性的同时，重点讨论了嵌入式w e b s e r v e r 与浏览器的动态交 互技术和嵌入式w e b s e r v e r 的安全性； 第六章为结束语，对本文的工作进行了总结，并提出对今后工作的展望。 第二章嵌入式系统硬件平台 硬件平台的是实现嵌入式系统i n t e r n e t 接入的基础，本文采用了3 2 位高端 嵌入式微处理器为核心，通过网络控制芯片将嵌入式系统与i n t e r n e t 网络相连接。 一硬件平台应包含如图2 1 所示的组成模块。 嵌入式 微处理器 图2 1 嵌入式i n t e r n e t 的硬件平台 2 1 实验平台的器件选择 嵌入式硬件平台包括中央处理器、外围的控制电路、只读存储器、可读写存 储器和外围设备和网络控制单元。由于嵌入式系统芯片的多样性，各模块芯片都 有较大的选择空间。在选择上述硬件平台模块的具体芯片时，通常需要考虑它们 的功能、功耗、封装、体积、成本、可靠性、电磁兼容性等方谣，并在尽量满足 应用需求的同时尽量减少冗余功能，以节约成本。本文根据实时监控的需要选择 实验平台各模块的芯片。 2 1 1 嵌入式处理器 由于本文要实现嵌入式系统直接接入i n t e m e t ，其中要运行嵌入式t c p i p 协 议栈并最终实现一个嵌入式w e b s e r v e r ，要求c p u 具有一定的数据处理能力及足 够大的程序存储空间，而且要求价格低廉，以便于控制成本。因此选用3 2 位嵌 入式微处理器。 目前嵌入式系统中3 2 位微控制器( m c u ) 的使用率正逐年增长，3 2 位a r m 体系结构已经成为一种事实上的标准，随着高端3 2 位嵌入式微处理器价格的不 断下降和开发环境的成熟，使得3 2 位嵌入式处理器正日盏挤压原先由8 位微控 制器主导的应用空间。随着a r m 处理器在全球范围的流行，3 2 位的r i s c 嵌入 式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。使用3 2 位架构不仅能 提升性能，还能降低相同成本下的系统功耗和节约总成本以及缩短产品上市时 间。并使得嵌入式系统可随着产品的性能和需求不断扩展而升级。 本文选用了一款基于a r m 内核的3 2 位r i s c 芯片飞利浦半导体推出的 基于a r m 7 t d m i s 内核的l p c 2 1 0 4 芯片。l p c 2 1 0 4 是基于一个支持实时仿真 和跟踪的m p u ，并带有1 2 8 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器 接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。非常适用于嵌 入式实时应用。由于采用0 1 8 微米工艺制造，l p c 2 1 0 4 具有非常小的尺寸和极 低的功耗，它们非常适合于将小型化作为主要要求的应用，例如访问控制和电子 收款机( p o s ) 。有关l p c 2 1 0 4 的详细描述可参考其d a t a s h e e t 。 l p c 2 1 0 4 适合于通信网关和协议转换器、软件调制解调器、声音识别以及低 端的图像处理、工业控制、医疗系统及网络产品等。 2 1 2 存储芯片 由于w e b 服务器需要一个很大的存储空间存放网页等数据，l p c 2 1 0 4 内置 的存储空间显然是不够用的，可以使用外部地址和数据总线在微控制器增加存储 空间。但本文选用的微控制器没有提供外部总线，所以选用了带有( 时钟的) 同 步串行接口的设备。 本文选择美国c a t a l y s t 公司生产的c s l 2 4 w c l 6 串行e e p r o m ，它具有 3 v 工作电压，1 6 k b i t 存储容量，每个页面1 6 字节的写缓冲，与4 0 0 k h z 的1 2 c 总线兼容，能适应很大的温度范围。 2 1 3 以太网控制器 在嵌入式系统的网络化开发的过程中，首先要解决的就是与以太网络的连接 问题，即如何将通用处理器的网络连接装置( 以太网络控制器) 应用于嵌入式网 络的丌发。目前市面上有许多厂商的以太网络控制j 占片，可是其中大多耗电量高、 功能复杂，不适用于价格低廉的嵌入式系统之中。本文选择使用的是r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器。 r t l s 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的以太网控制器。支持i e e e 8 0 2 3 ；支持8 位或1 6 位数据总线：内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲：全双工，收发同时 达到1 0 m b p s ；支持1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ，并能自动检测所连接的介质； 内含接收功能模块、c r c 产生模块、发送功能模块、地址识别模块、f i f o 控制 模块、协议逻辑阵列模块及d m a 和缓冲模块。r t l 8 0 1 9 a s 与主机有3 种接口 模式，即跳线模式、p n p 模式和r t 模式。另外，它还具有与n e 2 0 0 0 兼容、软 件移植性好，以及低廉的价格等优点，在市场上的1 0 m b p s 网卡中占有相当的比 例。 r t l s 0 1 9 是针对p c 的总线线路设计的。将其应用在嵌入式设备中，则需考 虑其硬件和软件设计上的特殊性。嵌入式设备的主处理器可利用内存映像方法， 将以太网络控制器内1 6 个f o 地址上的缓存器映像到嵌入式操作系统来，这样 就可以用程序来操控以太网络控制器。 2 2 硬件平台的设计 论文的主要目的是实现i n t e m e t 的嵌入式接入，采用接入到以太网的形式， 然后通过以太网接入到因特网中。硬件平台的总体结构框图如图2 4 所示。 2 3 1 硬件实现框图 图2 2 硬件平台的总体结构框图 4 系统硬件平台主要的组成模块有： 电路模块、主从j t a g 接口电路模块、 1 2 c 电路模块、网络控制模块。 1 电源电路模块 电源电路模块、复位电路模块、系统时钟 串口电路模块、键盘、l e d 等i o 模块、 l p c 2 1 0 4 要使用两组电源，i o 供电电源为3 3 v ，内核供电电源为1 8 v ，因 此系统供电设计为3 3 v 。 2 复位电路模块 由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的 滤波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性及电源监控可靠性等诸多方面也提出了更 高的要求。本实验平台的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片m a x 7 0 8 s ， 提高了系统的可靠性。 3 系统时钟电路模块 l p c 2 1 0 4 可使用外部晶振或外部时钟源，时钟频率为1 0 2 5 m h z ，内部p l l 电路可调整时钟，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟频率为6 0 m h z ) 。 4 主从j t a g 接口电路模块 l p c 2 1 0 4 具有两个j t a g 接口，即主j t a g 接口和从j t a g 接口，主从j t a g 接口的切换是由两片7 4 h c 2 4 4 来实现的。 5 串口电路模块 由于系统采用3 3 v 供电，因此选用m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转换，m a x 3 2 3 2 是3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片。另外，l p c 2 1 0 4 的u a r t l 带有完全调制解 调器接口，所以要使用8 路的r s 2 3 2 转换芯片m a x 3 2 3 8 ( 或s p 3 2 3 8 ) 。 6 键盘、l e d 等i o 模块 为了调试和应用时进行方便的输入设计和输出设计，在硬件平台上加入常用 的键盘输入部分和l e d 输出部分。对于键盘输入，由于g p i o 作为输出时，内 部无上拉电阻，因此需要考虑上拉电阻和保护电阻。对于l e d 数码管输出，可 以采用7 4 h c 5 9 5 来驱动静态共阳数码管。 7 1 2 c 电路模块 l p c 2 1 0 4 具有支持4 0 0 k h z 高速模式的硬件1 2 c 接口，本平台设计了一片 c a t 2 4 w c 0 2 与其连接，实现1 2 c 的读写操作。此外还通过1 2 c 总线连接到f l a s h 芯片m 2 9 w 1 6 0 。 8 网络控制模块 网络控制模块完成l p c 2 1 0 4 到网络接口的控制和连接。 l p ( 7 2 1 0 4 r t i j 0 1 9 a s2 0 f 0 0 i nr j 4 5 l e d l 渖 t p o l 丌+ t x + l e d 2 t p o u r t x 匾订一 r p i n + r x +r x + 旺旷 t p i n r x p 0 1 , ：n t 0i j ! d 1 s 肚s p dl e d 0 1 丁 盈 譬 s a b s k q 。一 e 怒a 2 。s 。d a ld g n d1 c s l 2 4 w c l 6 图2 3l p c 2 1 0 4 与r t l 8 0 1 9 a s 、e e p r o m 的连接框图 l p c 2 1 0 4 与r t l 8 0 1 9 a s 、f l a s h 芯片的连接如图2 5 所示。r t l 8 0 1 9 a s 的工 作电压为5 v ，而l p c 2 1 0 4 的工作电压为3 3 v ，所以r t l 8 0 1 9 a s 的数据线输出 需要电平的转换。选用2 个8 位( 采用1 6 位数据总线) 的具有双向数据传输功 能的7 4 h c 2 4 5 来完成，由于l p c 2 1 0 4 的输出电平符合r t l s 0 1 9 a s 输入电平的 要求，所以地址线可以直接相连，而不需电平转换。r j 4 5 接口连接至以太网络， 以太网控制器完成以太帧的接收与发送；外部扩展f l a s h 用来存放w e b 资源； c p u 内部r o m 用来存放m a c 地址、口地址、子网掩码、默认网关等配置信息。 2 4 本章小结 本章主要介绍了嵌入式系统的硬件平台，包括主要部件微处理器l p c 2 1 0 4 、 f l a s h 存储芯片、网络芯片r t l 8 0 1 9 a s 以及a r m 体系结构的相关，该硬件平 台是本文的后续研究工作的基础。 第三章u c o s i i 移植 u c o s i i 是一个代码完全开放的嵌入式实时操作系统，其内核提供任务调度 与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。u c o s i i 采用a n s i 的c 语言编写，包含- - d , 部分汇编代码，代码风格简单、高效，可以 供不同架构的微处理器使用。目前，从8 位到6 4 位，u c o s 已在超过4 0 种不 同架构的微处理器上运行，其中包括x 8 6 、a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等众多体系 结构，并有上百个商业应用实例。2 0 0 0 年，u c o s i i 得到美国航空管理局f a a 的认证，可以用于飞行器中，具有高稳定性和可靠性。 本章研究u c o s i i 嵌入式实时操作系统运行机制，并将讨论其在3 2 位a r m 微处理器p h i l i p sl p c 2 1 0 4 平台上的移植。 3 1 嵌入式操作系统的选择 为了满足应用功能的升级，在嵌入式设计中一方面采用更强大的嵌入式处理 器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用嵌入 式实时操作系统( 简称r t o s ) 和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应 用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。在嵌入式系统的应用开发中，采用 r t o s 已逐渐成为嵌入式系统开发的一个发展方向。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s c e 、p a l m 公司的p a l m o s 、q n x 软 件系统有限公司的q n x 等产品。这些商业化的嵌入式操作系统通常比较稳定， 功能强大，然而价格都比较昂贵，且由于源代码不公开导致了诸如对设备的支持、 应用软件的移植等一系列的问题。 考虑系统的成本和灵活性等因素，本文采用开放源码的嵌入式操作系统。开 放源码的嵌入式操作系统目前也有很多种，比较常用的有u c o s 1 1 、e c o s 、 u c l i n u x 等。开放源码的r t o s 在成本和技术上有其特有的优势，在r t o s 领域 占有越来越重要的地位。 通过比较目前的几种开放源码的嵌入式操作系统，本文选择了嵌入式实时操 作系统u c o s 1 1 。本文研究的重点是用于实时监控的嵌入式系统i n t e r n e t 接入， u c 0 s i i 相对其他嵌入式操作系统小巧且实时性强，更适合本文的研究。 u c o s i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操 作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务问同步与通信、内存管理 和中断服务等功能。u c 0 s i i 内核是针对实时系统的要求设计实现的，相对简单， 可以满足较高的实时性要求。如果包含全部功能( 信号量、消息邮箱、消息队列 及相关函数) ，编译后的u c o s i i 内核仅有6 1 0 k b ，最小内核可编译至2 k b ， 适合中小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性 强等特点。 3 2u c o s i i 的移植 3 2 1 移植需考虑的问题 嵌入式操作系统的一个特点是针对不同的平台，系统不是直接可用的，一般 需要经过针对专门平台的移植，操作系统才能正常工作。 对于u c o s i i 来说，要移植u c o s i i ，目标处理器必须满足以下要求：处 理器的c 编译器能产生可重入代码；用c 语言就可以打开和关闭中断；处理器 支持中断，并能产生定时中断；处理器支持足够的涨c 几k 字节) ，作为多任 务环境下的任务堆栈：处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器读出和存储到堆 栈或内存中的指令。本文选用的l p c 2 1 0 4 微处理器完全满足u c o s i i 的移植要 求条件。 目前，针对a r m 处理器核的c 语言编译器有很多，如s d t 、a d s 、i a r 、 t a s k i n g 和g c c 等。s d t 和a d s 均为a r m 公司自己开发，a d s 为s d t 的 升级版，以后a r m 公司不再支持s d t ，所以不能选择s d t 。g c c 虽然支持广 泛，很多开发套件使用它作为编译器，但其编译效率与a d s 比较起来太低，初 步比较同一个c 程序速度相差2 3 倍，这对充分发挥芯片性能极其不利。所以 本文最终选择a d s 编译程序来进行调试。 a r m 7 t d m i s 处理器核具有用户、系统、管理、中止、未定义、中断和快 中断7 种模式。其中除用户模式外其他均为特权模式。管理、中止、未定义、中 断和快中断与相应异常相联系，不合适作为任务的工作模式：而系统模式除了是 特权模式外，其他与用户模式一样，因而可选的任务模式只有用户模式和系统模 式。为了尽量减少任务代码错误对整个程序的影响，缺省的任务模式定为用户模 式，可选为系统模式。同时提供接口使任务可以在这两种模式切换。 3 2 2u c o s i i 移植 整个嵌入式系统分为两大层：硬件层和软件层。本章及以后章节将主要研究 软件层的架构。软件层主要分为四个部分：实时操作系统内核，与处理器相关部 分，与应用相关部分，用户的应用系统。 移植的时候内核是不变的，开发者不能对内核随意访问，只能使用内核提供 的功能服务来开发自己的应用系统。与处理器相关的代码是移植中最关键的部 分。内核将应用系统和底层硬件有机的结合成一个实时系统，要使同一个内核能 适用于不同的硬件体系，就需要在内核和硬件之间有一个中间层，这就是与处理 器相关的代码。在u c o s i i 中这一部分代码分成三个文件：o s c p u h ， o s _ c p u a a s m ，o s c p u c c 。 与应用相关的代码是用户根据自己的应用系统来定制合适的内核服务功能。 包括两个文件：o sc f g h ，i n c l u d e s h 。o sc f g h 用来配置内核，用户根 据需要对内核进行定制，设置系统的基本情况，比如系统可提供的最大任务数量， 是否定制邮箱服务等。i n c l u d e s h 是系统头文件，整个实时系统程序所需要 的文件，包括了内核和用户的头文件。 用户应用系统是整个实时系统的最高层，用户通过利用实时操作系统提供的 服务来开发自己的具体程序。本文以后章节讨论的嵌入式t c p i p 协议栈和嵌