（系统工程专业论文）基于嵌入式Web技术的远程监控系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 现代通信技术和计算机远程控制技术被引入自动控制领域，引发 了控制技术的深刻变革，使设备的监控模式由最初的单机直接监控系 统，发展为基于网络的远程监控系统。通过远程监控，技术人员无须 亲临现场就可以对现场的设备的运行情况进行监控，这是制造、电力、 通信等行业所一直期望实现的。 应用嵌入式i n t e m e t 技术的监控系统是监控领域新的发展趋势， 嵌入式i n t e m e t 技术改变以往的监控系统体系结构，满足现代监控系 统的可扩展性、分布式、实时性等要求，具有广阔的应用前景。 本研究基于a r m 芯片、嵌入式操作系统u c o s i i 、嵌入式硎p 协议栈l w i p 和c g i 技术提出并实现了一个带有w e b 服务器的远程 监控系统。可以对工业现场的设备进行监控，用户通过i n t e m e t 远程 访问其w e b 服务器来监控设备的状态，同时还可以实现一些简单的 控制。文中首先讨论了远程控制系统的工作模式和研究现状，提出了 一种基于嵌入式w e b 技术的远程监控体系结构，然后详细论述了整 个系统的实现过程，包括u c o s i i 的移植、设备的网络互联、嵌入 式w e b 服务器和数据动态交互功能。最后，以江苏大学机电总厂的 数控立式升降台铣床这一具体设备为例，对所开发的系统进行了应用 验证，系统实际运行结果表明：该技术方案是合理可行。 本文将嵌入式w e b 技术引入到监控过程中，使其更具开放性、适 应性，从而为远程监控技术提供了一种新的途径。 关键词：远程监控，u c o s i i ，l w i p ，嵌入式w e b 服务器，c g i l 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t r o d u c e di n t oa u t o m a t i cc o n t r o la r e a ，m o d e mc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rr e m o t ec o n t r o lh a v eb r o u g h tb i gc h a n g e si nc o n t r o lt e c h n i q u e b e c a u s eo fi t ，t h e e q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mh a v e d e v e l o p e df r o mt h eo r i g i n a ld i r e c ts i n # e - c o m p u t e rm o d ei n t ot h er e m o t e m o d e ，w h i c hi sb a s e do nn e t w o r k b ym e a n so fr e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l ，t e c h n i c i a n sc a na c c e s st h ee q u i p m e n t so ns i t et h r o u g hn e t w o r k i n s t e a do fg o i n gt ot h es p o tw h e r et h ee q u i p m e n t sa r e i ti so n eo ft h e c r u c i a lp o i n t st ob es o l v e df o rr e s e a r c h e r si ns e v e r a lf i e l d s ，s u c ha s m a n u f a c t u r e ，p o w e ra n dt e l e c o me t c t h em o n i t o r i n g s y s t e mu s i n g e m b e d d e di n t e m e t t e c h n o l o g y t o c o n t r o li sn e wt r e n de s p e c i a l l y , e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yh a s c h a n g e dt h ep a s tm o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，h a sm e te x p a n s i b i l i t yo f t h em o d e r mm o n i t o r i n gs y s t e m ，d i s t r i b u t e d ，r e a l - t i m ec h a r a c t e r , e t c t h i st h e s i sh a sp r o p o s e da n dr e a l i z e dar e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mw i t hw e b s e r v e rb a s e do na r m c h i p ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m u c o s i i ，l w l pa n dc g it e c h n o l o g y i ti su s e dt oc o n t r o lr e m o t ei n d u s t r y e q u i p m e n t ，u s e rc a ng e tt h es t a t u so fe q u i p m e n tt h r o u g ht h ew e bs e r v e r ； c a i la l s or e a l i z es o m es i m p l ec o n t r 0 1 a tf i r s t ，i n t r o d u c e st h et e r m i n o l o g y 、 w o r k i n gm e c h a n i s ma n dl a t e s tr e s e a r c ha b o u tr e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m ，a n dg i v e sas t r u c t u r eo fr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dw e bt e c h n o l o g y , a l s og i v e st h ew h o l es y s t e m 江苏大学硕士学位论文 s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n ，i n c l u d em i g r a t i o no fu c o s - i i ，e q u i p m e n t n e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o n ，e m b e d d e dw e bs e r v e ra n dd y n a m i ci n t e r a c t i o n o ft h ed a t a a tl a s t ，t h et h e s i ss t u d i e sa n dd e v e l o p st h er e l a t i v ec o d e s a b o u tt h es y s t e mr e a l i z a t i o n ，a n dt a k e sn cm a c h i n ef o ra ne x a m p l et o i l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o nt e s to ft h ed e v e l o p e ds y s t e m t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et e c h n i c a ls t r a t e g yi sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h es y s t e mp u te m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yi n t or e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lp r o c e s s ，a n dm a k es u r et h a tt h es y s t e mh a sm o r eo p e na n d a d a p t i v e ，w h i c hs u p p l i e san e wa p p r o a c hf o rt h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lt e c h n o l o g y k e y w o r d s - r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，u c o s - i i ，l w l p ，e m b e d d e d w | e bs e r v e r ，c g i 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， 同意学位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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 们7 年，2 ，月t o e l 卞 吗咽 ， 名 月 堑 卜 矸 j y c 卜 溯 睥 导 卜 匕日 舒 ，7 当 独创性声明 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。除文中已注明引用的内容以外，本 论文不包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2 嘶 日期：m 7 年，月，护日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 远程监控系统概述和研究现状 1 1 1 远程监控的概念 从上个世纪9 0 年代以来，随着网络技术的迅速发展，引发了工业各领域的 深刻技术变革，远程监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统 也从早期的集散系统向网络监控方向迅速发展。早期的监控系统，采用大型仪表 集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。计算机 监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的 对象共同构成的整体，在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制 功能。在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性 参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的高 环境适应性、高实时性和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的 道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且 大多数系统都是面向单台或单一类型的设备【l 】。 随着设备的分布越来越离散，单一的、各自独立的监测系统已不能适应工业 化的需求，于是便产生了分布式系统，这种系统以计算机网络为基础，使系统资源 分配趋于合理。但是由于运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通 常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。i n t e m e t f l 皂够实现资 源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远 程监控系统的发展提供了有利的条件【2 】。远程监控是本地计算机通过网络系统， 对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功 能。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行 状态并进行有效控制，这是远程监控技术在工业生产上的需求。由于监控系统的 监控对象是远程的现场设备和控制系统，所以应具有以下几个特点【3 1 1 4 1 5 】：第一， 实时性，即要求控制系统网络能够在限定的时间内完成控制命令和数据的传输和 处理，实时性要求很高。第二，可靠性和容错性，首先要求控制命令和数据能在 1 江苏大学硕士学位论文 监控网络上正确无误的传输，另外当出现故障时，系统要能继续工作而不能崩溃， 并且在自动或者人工干预的情况下恢复被破坏的数据，恢复正常运行。第三，安 全性，监控数据是在公共网络上传输的，这就为攻击者提供了窃听、篡改的机会， 因此安全问题同样也很重要。 1 1 2 远程监控系统的工作模式 传统的远程监控系统一般采用客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式，由客户端 和服务端两部分组成。被监控的计算机系统工作于服务器模式，监控者为客户端。 客户端主要是负责向服务器端发送服务请求和控制命令，而服务器负责响应客户 端的请求并发送信息。图1 1 为典型的三层c s 模式结构。应用系统的三个逻辑部 分一用户界面表示、业务逻辑和数据各自独立，分别放置在客户机、服务器和数 据库服务器三个实体上。客户应用程序只负责提供用户界面，服务器响应客户应 用程序的请求，完成复杂计算，或者向数据库服务器发送请求以完成数据操作， 并将计算或操作结果返回给客户程序。 图1 1 三层c s 结构示意图 随着i n t e m e t 的发展，万维网广泛使用，人们越来越习惯于使用浏览器来进行 远程访问和控制了，出现了b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构。它由w e b 浏览器服务器 数据库服务器组成。如图1 2 所示，客户端只需要一个简单的浏览器，它根据用 户请求资源的u r l 向w e b 服务器发出请求，w e b 服务器把数据文件发送给客户， 而客户端由h t m l 负责表示逻辑。服务器端是w e b 服务器，它通常使用c g i 、a s p 等技术访问数据库进行数据查询或者处理。数据层是负责各种数据处理的数据库 服务器。 与三层c s 相比，b s 模式具有如下的优点： 第一，b s 模式简单一致，不需要专门的客户端软件，使用统一的w e b 浏览 器作为通用的客户端，客户端无须编程，且用户界面一致，而且不论在何时何地， 2 江苏大学硕士学位论文 只要一个浏览器软件连上h l t c m e t 即可进行远程控制，非常方便。 第二，b s 模式建立了一种与平台无关的机制，应用程序不局限于任何硬件 平台或者操作系统，提供了一个简单一致的开发平台和应用环境，采用统一的 t ( ：p 口协议、应用层的唧协议以及h i m i 描述语言，使得信息可以在一个广 域网范围内传播。 第三，易于管理和维护，由于客户端是统一的，所有应用软件的开发、维护 和升级工作集中在服务器端，系统升级时，只需修改服务器端软件就可以满足需 要，从而大大改变了系统维护人员的工作和降低了劳动强度，提高了信息发布的 及时性和广泛性。 图1 2 三层b s 结构示意图 1 1 3 远程监控技术的国内外研究现状 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都开展了积极的研究。 ( 1 ) 远程监控技术国外的研究现状 欧美等发达国家和地区已将设备故障诊断与状态检测技术广泛应用于航天、 航空、军事、冶金、矿山、炼油、化工、石油、汽车等各行业，并取得了极大的 经济效益和社会效益。国外采用故障诊断与状态检测的企业维修费用平均降低 1 5 2 0 。目前，国外油田和大企业基本上依靠故障诊断与状态监测来实现对 设备的动态管理，美国对故障诊断与状态监测技术的投入占其生产成本的7 2 ， 日本为5 6 ，德国更是高达9 4 1 6 。 在国外，机器设备的远程监控和诊断技术的应用和研究，主要开始于发达国 家，现在其研究及应用领域越来越广泛。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监 控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究 机构的5 0 多位代表到会，会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信 息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦 3 江苏大学硕士学位论文 福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代远程监控诊断示范系统， 这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、i - i p 、b o e i n g 、i n t e l 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性 的系统t e s t b e d ，t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成 在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理r 7 1 。这些都为实施远程监测诊断打下了技 术基础，可以说，国外的远程监测已从理论走向了生产实践： ( 2 ) 远程监控技术国内的研究现状 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大 学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西 安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统 r m m d ”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”。武汉 理工大学自动化学科的相关课题组也开始相关技术的研究，并初步建立了一个远 程诊断示范体系i r d s v i 0 ，并承担了多个监控项目的开发工作【8 】。国家科技部曾 在“十五 8 6 3 计划中提出根据国内外远程服务技术的现状和发展动向，基于企 业内部的网络结构，搭建远程服务系统，实现故障的远程监测、预报和诊断，提 高企业的经济效益及制造业的自动化的水平，该计划的研究工作已经取得了重要 的进展。 1 2 本课题研究的意义及主要内容 1 2 1 本课题研究的意义 设备的远程监控是一门涉及到多学科的交叉性科学技术。它包括机电、计算 机、控制、仿真、通讯、图像处理等多门学科。近年来，随着网络技术的不断发 展，i n t e m e t 技术已经渗透到日常生活和工业生产的各个领。远程监控将更多地 应用在企业生产过程的管理中，专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产 过程，提高设备的可用率，最终降低生产成本、提高效益，借助于远程监控可以 将企业内部的信息网与控制网有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时掌 握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动 化。通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产 4 江苏大学硕士学位论文 系统和现场设备的运行状态及各种参数，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远 程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，实现远端的无人或少人值守， 达到减员增效的目的。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，企业的各工厂或产品生产 地分散，采用远程监控系统便于企业集团对所属工厂生产设备及时监控、诊断和 维护，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及 增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。对于研究机构，可以方 便地利用本地丰富的实验设备资源，以及各行各业的专家来对生产设备和研究设 备的故障进行远程分析和诊断，从而实现信息、知识和资源的共享，并给研究机 构提供广大的研究应用场所【9 】【l o l 。 基于嵌入式w e b 技术的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，在 t ( 驯m 协议和w w w 规范的支持下，具有简单、高效、跨平台等优点，已经成为 信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。设备的远程监控系统与传统的设备 监控系统相比，具有明显的优越性：它打破时空的限制，实现资源和技术的共享， 利用互联网实现真正的开放式远程监控。这些优点使得它得以飞速发展。 1 2 2 本课题研究的主要内容 本文从设备的开放式远程监控的目标和任务出发，结合嵌入式技术的发展趋 势，以i n t e m e t 技术的为基础，深入研究t ( ：p 口体系结构及其各种相关技术的基 础上，构造一种基于b s 模式的嵌入式w e b 远程网络监控系统。主要工作包括以 下几个方面： ( 1 ) 基于嵌入式w e b 技术的数控设备远程监控系统体系结构的研究：对网 络通信中多种结构标准并存问题及现场总线与数据网的互连问题进行分析研究， 以增加异构设备之间的互访为基础，把基于b s 模式的体系结构运用于远程监控 系统中，并结合嵌入式技术，实施监控方案，对该方案进行了剖析，进行系统的 设计。 ( 2 ) 分析了嵌入式操作系统u c o s i i 的工作原理，完成u c o s i i 在三星公司 3 2 位a r m 处理器芯片s 3 c 2 4 1 0 a _ l 的移植，为嵌入式t 客户朋艮务器模式：h t l t 支持浏览器与服务器间通信，相互传送数据； 简单灵活：h t l t 协议本身很简单，在客户与服务器连接后，客户必须传 送的信息只是请求方法和路径。h t l t 允许传输任意类型的数据对象； 无连接无状态：也就是说浏览器和服务器每进行一次h t y p 操作，就建 立一次连接，随即又断开此连接，一次h t l t 操作称为一次事务，h t t p 采用t c p 连接而且该连接状态仅在此次事务中保持，无论浏览器或服务 器都不会记忆上次连接的状态； 元信息：h t r p 对所有事务处理都加了头，在主要数据前加一块信息( 元 信息，即信息的信息) ，它是服务器能够提供正在传送数据的有关信息。 2 4 3 嵌入式w e b 服务器接口技术 基于b s 结构的远程监控系统关键的问题就是如何实现现场生产设备、服务 器、客户端之间数据的动态交互，从而达到远程实时监控的目的。要使网页文件 能够实时采集、传递、处理、显示实时动态数据，需要用动态编程语言对实时数 据与图形等进行处理，然后嵌入到网页文件中。 在异构网络环境中，嵌入式w e b 服务器与外部应用程序进行动态数据交互的 方式有多种，有c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 、s s i ( s e r v e rs i d ei n c l u d e s ) 和 h c p a ( h t m l - t o cp r e p r o c e s s o ra p p r o a c h ) 等接口形式。c g i 是一个用于定义 w e b 服务器与外部程序之间通信方式的标准f 3 2 l 。与s s i 和h c p a 相比，c g i 具有如 下一些明显的特点【3 3 1 ： c g i 程序可以用任何一种语言编制，可运行在任何一种网络平台上，只 要它符合c g i 的规范即可，因此c g i 程序的移植性好； c g i 的实现与w c b 服务器的具体类型无关，c g i 程序具有良好的扩展性和 江苏大学硕士学位论文 兼容性； 一 由于所有浏览器都支持c g i ，因此c g i 更灵活。 基于上述考虑，本论文中选择c g i 技术。c g i 定义的接口规范，包括环境变 量、标准输入s t d i n 、标准输出s t d i ) u t 等3 部分 3 4 】。按照c g i 标准编写的外部扩展应 用程序可以处理来自客户端的协同工作数据，完成客户端与服务器的动态交互， 从而实现静态h t m l 网页无法实现的功能。通过编写不同的c g i 夕f 部扩展程序， 可以完成对外部数据库的访问及现场设备数据采集的任务，客户端用户通过它和 w e b 服务器就可以完成对动态数据的访问。在w e b 环境下，从客户端传送一些信 息给嵌入式w 曲服务器，w 曲服务器把接收到的有关信息放入环境变量，然后再 去启动所指定的c g i 脚本以完成特定的工作，c g i 脚本从环境变量中获取相关信 息来运行，最后以h t m l 格式输出相应的执行结果返回给浏览器端。c g i 程序和 w r e b 服务器交互流程如图2 3 所示。c g i 在整个数据传送的过程中，要从w ，e b 服务 器传递有关数据给c g i 脚本，因此w 曲服务器先将从浏览器接收到的有关数据转 换为各种环境变量，然后c g i 脚本就可以从这些环境变量中读取所需要的内容。 也就是说，环境变量是w 曲服务器和c g i 脚本进行数据传递的途径【3 5 1 。 潮双搬翰氆叛鸯落褥结鬟 2 5 系统支持环境 2 5 1 系统硬件平台 图2 3c gi 程序和w e b j 报务器交互流程 本系统开发板选用北京恒颐公司i 拘h 2 4 1 0 f ，该开发板主处理器基于s a m 舳n g 1 6 江苏大学硕士学位论文 公司的s 3 c 2 4 1 0 a ，是一款基于删9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式处理器。 开发板上的资源： c p u ：s 3 c 2 4 1 0 a ( a r m 9 t d m i ) ，工作频率为2 0 3 m h z ，c p u 内部集成 有1 6 k b 的指令缓存和数据缓存，m m u 虚拟内存管理单元。 2 m bn o rh a s h ( a m 2 9 l v l 6 0 d b 9 0 e c ) ，用于固化测试程序。 6 4 m bs d r a m ，所用芯片为k 4 s 5 6 1 6 3 2 。 6 4 m bn a n df l a s h 。 2 0 针j t a g 调试接口。 1 0 m 以太网接口i u 4 5 。 u a r t 接口：r s 2 3 2 c 串行接口：i i a r 仰、u a r t l 。 ic d 邢接口：可以连接叩或者s t n 规格的液晶屏，能支持四线电阻式触 摸屏。 i d e 接口：标准 d e 接口，可挂接i d e 硬盘等外设。 电源：标准a 电源和1 2 v 普通d c 电源输入。 2 5 2 操作系统平台 r t o s 的引入，可以有效对资源进行管理、多任务进行调度，可以保证任务 得以及时响应，同时r t o s 也体现了一种新的应用程序设计思想和开放的框架， 降低了程序的复杂度和开发周期。现在市场上有各俱特色的嵌入式r t o s ，纯商 业性的嵌入式操作系统主要有v x w o r k s 、p a l mo s 和w i n c e ，开源的嵌入式操作 系统有u c l i n u x ，半开源性质的嵌入式操作系统有r t l i n u x 、u c o s i i 等。w i n c e 和p a l mo s 比较适合实时性要求不高但通用性要求较高的产品( 如消费型p d a ) ， v x w o r k s 匕较适合复杂性、重要性要求都比较高的大型商业化产品( 如核心路由 器) ，l i n u x 系列的衍生产品( u c l i n u x 和r t l i n u x 等) 适合比较复杂但重要性程度 不高的低成本产品，u c o s i i 是一个完整的、可移植的、可剪裁的、占先式实时 多任务内核，适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小等特点，由于采 用“可剥夺型调度”方式，意味着在任何时候操作系统内核都运行就绪了的最高 优先级的任务，因此具有很强的实时性，可以应用于工业控制、进程控制等一些 实时要求较高的领域，其源码用a n i s 的c 语言编写，具备良好的可移植性，它已 1 7 江苏大学硕士学位论文 经被移植到4 0 多种处理器构架中，包括8 位到6 4 位的各种c p u 。u c o s - 已经在 全世界从照相机到航空设备等各个领域得到了广泛应用，可靠性和安全性已经得 到了广泛的证明。基于l l c 0 s - 的诸多特点和优点，以及对u c o s - 内核的理解 基础上，本论文选用u c o s i i 。u c o s i i 一些特点如下【3 6 1 1 3 7 】： 源代码公开：用户可以根据自己的需要修改。 可移植性( p o r t a b l e ) ：绝大部分r t c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s i c 写的。和微处理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的，汇编语言写的部分已 经压到最低限度，使得i 且c o s i i 便于移植到其他微处理器上，i x c o s 一1 i 可以在 绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至“位微处理器、微控制器、d s p 上运行。 可固化( r o m a b l e ) ：i t c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着， 只要读者有固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，p c o s i i 可以嵌入到读者 的产品中成为产品的一部分。 可裁剪( s c a l a b l e ) ：可以只使用r t c o s i i 中应用程序需要的那些系统服 务。这样可以减少产品中的l - t c o s i l 所需的存储空间，这种可裁剪性靠条件编 译实现的。程序和数据两部分的存储用量已被最大努力的压低。 占先式( p r e e m p t i v e ) ：i - t c o s i i 完全是占先式的实时内核，i _ t c o s i i 总 是运行就绪条件下优先级最高的任务。 多任务：i _ t c o s i i 可以管理多达6 4 个任务，除了系统内核本身保留了8 个任务外，其它5 6 个任务用户都可以使用， t c o s 不支持时间片轮转调度法， 赋予每个任务的优先级必须是不同的。 可确定性：全部i t c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。 也就是说，全部r t c o s 的函数调用与服务的执行时间是可知的。进而言之， i t c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 任务栈：每个任务有自己单独的栈，p c o s i i 允许每个任务有不同的栈空 间，以便压低应用程序对r a m 的需求。使用p c o s i i 的栈空间校验函数，可以 确定每个任务到底需要多少栈空间。 系统服务：p c o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、 块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 1 8 江苏大学硕士学位论文 中断管理：中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务 被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层 数可达2 5 5 层。 2 6 本章小结 本章在分析远程监控系统特点和功能需求的基础上，设计了一种基于嵌入式 w e b 技术的设备远程监控系统，运用这种结构，可以增强系统的开放性和互操作 性，提高系统对不i n n 境的适应性，解决不同平台之间的通信问题。远程监控系 统的总体结构是整个系统实现的关键问题。 江苏大学硕士学位论文 第三章嵌入式操作系统u c o s - i i 的移植 在前面章节中，我们着重讨论了基于嵌入式w e b 技术的设备远程监控系统 的体系结构及实现的相关技术，本章完成嵌入式操作系统u c o s i i 在s a m s u n g 公司3 2 位a r m 处理器芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 上的移植工作，为接下来工作提供操作 系统支持。 3 1 嵌入式实时操作内核u c o s i i 3 1 1u c o s i i 内核结构及工作原理 u c o s - 是内核式操作系统，其主要的工作是任务管理，确保实时性。 u c o s - 软件体系结构如图3 1 所示，包括3 个部分：u c o s i i ( 与处理器无关 的代码) 、u c o s 设置( 与应用相关的代码) 、u c o s i i 移植( 与处理器相关 的代码) ： 与处理器无关的代码包括9 个c 程序文件，主要实现系统调用、任务管 理、内存管理、信号量、消息邮箱和消息队列等系统功能。 与应用相关的代码包括两个头文件，用于裁剪和配置u c o s 。 与处理器相关的代码包括一个汇编、一个c 程序文件、一个头文件，用 于系统移植。 o s - x x 徒淄漏嘲笼关代秘) 潞勰c 潞蕊c 0 s _ m 3 0 x c 芷潞嚣嚣 a s _ t i 6 x c0 s _ t i i 。c o sm 。c 潞瀵c a s j 孺翻+ g 图3 1u c o s i i 软件体系结构 江苏大学硕士学位论文 u c o s 内核的工作思想是：近似的让拥有最高优先级的就绪任务处于运 行状态。 3 1 2u c o s 任务管理 一个任务，也称作一个线程，有它自己的一套c p u 寄存器和自己的栈空间， 每个任务都是整个应用的某一部分，并被赋予一定的优先级。p c o s i i 可以管理 多达6 4 个任务，保留了其中四个最高优先级和四个最低优先级的任务供自己使 用，规定各个任务的优先级必须不同，任务的优先级号是任务编号，任务的优先 级越高，反映优先级的编号值则越低。p c o s i i 提供了进行任务管理的各种函数， 包括创建、删除、改变任务优先级、挂起和恢复等。系统初始化时会自动运行两 个系统任务：一个是空闲任务o s t a s k i d l c 0 ，它的优先级最低，该任务在没有其 他任务进入就绪态时运行；另一个是统计任务o s t a s k s t a t ( ) ，优先级次低，负责 计算当前c p u 的利用率。 p c o s i i 控制下的任务状态转换图如图3 2 所示。实际上真正存在的状态只 有3 个【3 羽，即就绪、等待或挂起、休眠。运行态只是就绪态任务中最高优先级 任务被调度执行的逻辑状态，休眠态指任务驻留在程序空间之中，还没有交给 p c o s i i 管理。 t l s t u l 园t 1 0 k 一一。少 i r i m t h 0 经蓥被捡者调用h 够o n t t m t 翻q0 图3 2u c o s - i i 任务状态图 p c o s - i i 为每个任务分配了一个任务控制块( o s t c b ) ，一旦任务建立了， 2 1 江苏大学硕士学位论文 任务控制块o st c b 将被赋值，任务控制块包含了任务运行和管理信息，当任 务的c p u 使用权被剥夺时， t c o s i i 用它来保存该任务的信息，当任务重新得 到c p u 使用权时，任务控制块能确保任务从中断处继续执行。i 上c o s i i 中所有 的任务控制块通过* o s t c b n e x t 和* o s t c b p r e v 链接成一个用指针 * o s t c b f r e e l i s t 指向的空闲任务控制块链表。当任务建立的时候，从空闲链表 中取一个空闲t c b 初始化。 l _ t c o s u 是可占先式内核，总是运行进入就绪态任务中优先级最高的那一 个，确定哪个任务运行，该工作是由调度器( s c h e d u l e r ) 完成的。i x c o s i i 中任 务级的调度是由函数o s s c h e d 0 完成，中断级的调度是由函数o s i n t e x t ( ) 完成， 务调度所花的时间是常数，与应用程序中建立的任务数无关【3 9 】。 3 1 3u c o s u 通信机制 任务间的通信机制是多任务间相互同步或异步通信以协调各程序数据之间 相互交换的主要手段。u c o s 1 i 一般采用信号量、事件标志组、消息队列等来实 现任务间的通信和同步 4 0 1 。 信号量一般分二进制信号量和计数式信号量，用于表示事件的发生或对共享 资源的访问。u c o s i i 中的信号量有两部分组成：一个是信号量的计数值，它是 一个1 6 位的无符号整数( 0 到6 5 5 3 5 之间) ；另一个是由等待该信号量的任务组 成的等待任务表。 事件标志组管理主要是针对任务需要与多个事件同步运行而产生的，任务与 多个事件的同步可以是独立同步( 逻辑或关系) ，也可以是关联同步( 逻辑与关 系) 。i _ t c o s i i 中使用o s f l a g c r e a t e 0 、o s f l a g p e n d 0 、o s f l a g p o s t 0 等函数完成 事件标志的产生、等待和设置等功能。 消息通信的基本思想是任务通过公用的数据交换x l ( 包括私有消息缓冲区和 共有消息缓冲池l 来交换任务间需要通信的信息，信息包括数值、字符、数组、 函数、指针等，i t c o s i i 提供了消息邮箱管理功能来完成任务间通信，消息的内 容可由发送和接收消息的任务约定，函数o s m b o x c r e a t e 0 ，o s m b o x p e n d 0 ， o s m b o x p o s t0 ，o s m b o x a c c e p t ( ) 和o s m b o x q u e r y ( ) 用于消息的产生、等待和 设置等功能。1 t c o s u 还提供了消息队列机制，即多个消息邮箱的组合，它定义 江苏大学硕士学位论文 了一组存放消息邮箱的数据，存放的也是指针值，所指的数据类型由用户来定义。 p c o s i i 提供了7 个对消息队列进行操作的函数：o s q c r e a t e ( ) ，o s q p e n d ( ) ， o s q p o s t0 ，o s q p o s t f r o n t0 ，o s q a c c e p t0 ，o s q h u s h ( ) 和o s q q u e r y0 函数。 3 2u c o s i i 在处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 上的移植 3 2 1 移植原理 所谓移植，指的是某个操作系统可以在某个微处理器或者微控制器上运行。 t c o s 一在设计时就已经充分考虑了可移植性，大部分源代码是用c 语言写成的， 对u c o s i i 的移植主要是用c 语言和汇编语言完成一些与处理器相关的代码【4 。 要使u c o s i i 能够正常工作，处理器必须满足以下要求【4 2 】： ( 1 ) 处理器的c 编译器能够产生可重入代码。 代码的可重入性是保证完成多任务的基础，除了在c 程序中使用局部变量以 外，还需要c 编译器的支持，使用a r m 开发环境a d s l 2 可以生成可重入的代码。 ( 2 ) 在程序中可以打开或者关闭中断。 在u c o s i i 中，可以通过o se n t e rc 姗c a l ( )或者 o se x i tc r 1 c a i ，( ) 宏来控制系统关闭或者打开中断。这需要处理器的支持， z f a r m 9 t d m i 的处理器上，可设置相应的寄存器关闭或者打开系统的所有中断。 ( 3 ) 处理器支持中断，并且能产生定时中断。 u c o s - 是通过处理器产生的定时器中断来实现多任务之间的调度的，在 删9 t d m i 的处理器上可以产生定时器中断。 ( 4 ) 处理器支持能够容纳一定数量数据的硬件堆栈。 ( 5 ) 处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器存储和读出到堆栈( 或者内存) 的指令。 u c o s i i 在进行任务调度的时候，会把当前任务的c p u 寄存器存放到此任 务的堆栈中，然后，再从另一个任务的堆栈中恢复原来的工作寄存器，继续运行 另一个任务，寄存器的入栈和出栈是u c o s 一1 1 多任务调度的基础。 江苏大学硕士学位论文 3 2 2u c o s i i 的移植过程 1 o sc p u h 的移植 ( 1 ) 设置i n c l u d e h 中与处理器和编译器相关的数据类型 因为不同的微处理器有不同的字长，所以u c o s 的移植包括了一系列的数 据类型定义以确保其可移植性。u c o s i i 代码从不使用c 语言的s h o r t 、i n t 和l o n g 等数据类型，因为它们是与编译器相关的，不可移植。定义一套整形数据结构， 这样既保证是可移植的，又保证是直观的。另外用户必须将堆栈的数据类型告 诉u c o s i i 。这个过程是通过为o ss t k 声明正确的c 数据类型来完成的。所用 处理器上的堆栈成员是1 6 位的，所以将o ss t k 声明为无符号整形数据类型。 所有的任务堆栈都必须用o ss t k 声明数据类型。根据a d sv 1 2 编译器的特性， 代码如下： t y p e d e fu n s i g n e d c h a rb o o l e a n ； t y p e d e fu n s i g n e d c h a ri n t 8 u ；产无符号8 位整数幸 t y p e d e fs i g n e d c h a r i n t 8 s ； 尸有符号8 位整数木 t y p e d e fu n s i g n e d i n t i n t l 6 u ；掌无符号1 6 位整数 t y p e d e fs i g n e d i n t i n t l 6 s ；广有符号1 6 位整数事 t y p e d e fu n s i g n e dl o n gi n t 3 2 u ； 无符号3 2 位整数掌 t y p e d e fs i g n e dl o n gi