（控制理论与控制工程专业论文）基于uclinux的嵌入式服务器软件系统研究.pdf

武投理：大学硕士学位论文 摘要 随着计算机、通信、自动控制技术的发展，社会对工业生产的智能化要求 越来越高，远程监控工业设备和现场无人值守已经成为现代工业生产和管理模 式发展的趋势。目前工业现场广泛使用的p l c 网络、现场总线网络等由于本身 技术的局限性，并不能实现真正意义上的远距离监控。通过现有嵌入式系统以 及现有的工控网络，增加以太网、公话网或者无线网按入能力来延伸远程监控 的距离，从而形成的嵌入式服务器技术是近几年随着i n t e r n e t 技术豹迅猛发展和 嵌入式技术的成熟而发展起来的一项新兴技术。 奉文衙介绥的远稷益控系统叛菜自控公司圆网印花机远程簸控项目为背 景，西标燕益控因翻印花税运行的多台p l c 。嵌入式服务器怒整个嵌入式系统 静核心，其串蹬通过转换齑与底层p l c 瞬络稻连，上艨爱l 赢接联入i n t e m e t ，允 许授投静羯户在i n t e m e t 任意一点应溺专稍静箍控程序访闷该系统，邵可实现对 下层多台p l c 靛鼗控。 本文蓄先余绍了磐傍在以华懂珏联铎5 2 珏王轴i d e - r 1 开发襄锌为磺锌平 台嬲以u c l i n u x 为软转乎台的基媸上，建立嵌入式开发强境；然震按照翔户需求 对羝绕功熊进纷任务模块划分，分摄了为抟么要这榉划分，势分板了任务之阕 的接口关系，制定了客户端与服务器之间的t c p i p 协议之上废月服通信协议， 涵麓了所有的使用霈求，镪括在监控界面上进行身份骏证、权限等级验证、文 件上传下载、更改服务器系统配置、更改监控酾面、设置和查询p l c 状态、控 制服务器运行等等。论文还分析了为提高系统运行速度而采取的多神处理方式： 采取多进程运行方式、开辟资源缓冲区、优化配置文件等。采取多进程是将服 务器与上下层之间的通信放在不同的进程中同时处理，利用进程闻通信( i p c ) 杌翻实现数据的同步和共享，提高客户登黼服务器和利新p l c 的速度；开辟缓 冲嚣是指把p l c 数据搦描进缓冲嚣，将多客户时p l c 的同时操作转仡为单一的 最离权限客户访闷驻务器，其德客户瓢缓冲区获取数据；伉纯鬣鬟文件是疆将 p l c 资源配置文俘按照优傀援剿重耨撵毒，以提离对p l c 豹访闷遮疫。经过一 系列处理蜃，多客户不仅能按照揍议正霉运行，l 孬显还提蹇了客户端数据嫡应 速度。 关键词：嵌入式服务器，多进程，进程问通信( i p c ) ，p l c ，串口通信 武汉理王大学联学垃谂文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n to f 氇ec o m u p u t e r , t h ec o m m u n i c a t i o na n d t h ea u t o m a t i o n ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h ei n t e l l i g e n tp r o d u c t i o ng r o w sm o r eh i g i l e r r e m o t e c o t r o l la n dn oo n eo nd u t yb e c o m e st h et r e n do fm o d e mi n d u s t r yp a t t e r n b e c a u s eo ft h el i m i to f 攮et e c h n o l o g y , t h ew i d e n - u s e dp l cn e ta n df i e l db u sn e t r e a l l yc a n tr e a l i z et h el o n g - d i s t a n c ew a t c ha n dc o n t r 0 1 e m b e d d e ds e r v e rt e c h n o l o g y i san e w t e c h n o l o g yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c t e m b e d d e da p p l i c a t i o n s i te n l a a n c e si t sa b i l i f t e sb y 程d i n gt h es u p p l yo fe n t e m e t p h o n en e ta n dw i r e l e s s n e t w o r k t h i st h e s i sf o c u so nt h ec o n s t r u c t i o no fa ne m b e d d e ds e r v e r , a n di t sb a d g r o u n d i sa p r o j e c to fh o w t or e m o t ec o n t r o lr o n n 玉n e tp r i n t e r st h r o u g hd i f f i r e n tt y p eo fp 您s t h ee m b e d d e ds e r v e ri st h ek e r n e lo ft h ew h o l ee m b e d d e ds y s t e r n ，i tc o m m u n i c a t e s w i t hp l c st h r o u g ht h es e r i a l d o f ta n dw i t hr e m o t ed i e n t st h r o u g hn e tp o r t a n y o n e w h oi sc o m m i s s i n n e dc a nc o n t r o lt h ef l e l de q u i p m e n t sb yr u n n i n gas p e c i a lc o m p u t e r p r o g r a ma n y w h e r eh ec a l ls u r fo nt h ei n t e r a c t t h i sa r t i c l ed e s c r i b l e sh o wt od e s i n g na ne m b e d d e ds e r v e ra c c o r d i n gt ot h e c o l l a b o r a t o r sr e q u i r e m e n t 。两es e r v e ri sc o n s t r u c t e do nt h eb a s eo fh a r d w a r e p l a t f o r mo fh h c f 5 2 7 2 一l c d - i d e r 1g r o u p w a r eo fh u a h e n g c o m p a n ya n do nt h e b a s eo fs o f t w a r ep l a t f o r mo fn c l i n u x t h ep a p e rf i r s t l yd i s t r i b u t e ss o m et a s k s a c c o r d i n 叠t ot h ed e m a n d , a n dt h e n , 曩a n sa l la p p l i c a t i o np r o t o c o lo nt h eb a s eo f t c p ，i pp r o t o c o ib yd i s t i n g u i s k i n gt h ei n t e f f a c eo ft h es e r v e rt 。p l c sa n dt ot h e r e m o t ec l i e n t s t h ea p p l i c a t i o np r o t o c o li n c l u d e sa l lp a r t so fc l i e n td e m a n d s ，s u c ha s v a l i d a t i n gc l i e n t si d e n t i t y , v a l i d a t i n gc l i e n t sp o p e d o md e g r e e , u p l o a d i n gf l i e s & d o w n l o a d i n gf i l e s ，c o n f i g u r i n gs e r i a lp o r t sa n dn e tp o r t so ft h es e r v e r ，c h a n g i n gt h e p i c t u r eo fm o n i t o r , s e t t i n go ri n q u i r i n gt h es e r v e r ss t a t e s ，c o n t r o l l i n i gt h es e r v e r s r e b o o t i n g 。t h ep a p e rt h e na n a l y z e ss o m em e s s u r e m e n t so fh o w t oa c c e l e r a t et h e r e s p o n s eo ft h es e r v e r ，i ti n e l u d e s t h r e ep a r t s ：t h ea d o p t i o no fm u l t i t h r e a d s ， o p t i m i z i n gp l cr e s o u s ef i l e t h ea d o p t i o no fm u l t i “t h r e a d si st or u nd i f f e r e n tt a s k si n d i f f e r e n tp r o d e c u r e sa tt h es a l l l et i m e ，a n dt h et w op r o d e c u r e ss h a r e sd a t ab yi p c t h e a d o p t i o no fd a t ab u f e e ri st og e tp l c s d a t at ot h eb u f f e ro fc o m p u t e r , w h e nm a n y c l i e n t sn e e dt oo p e r a t eas a n l cp l ct h es e r v e ro n l yl e tt h eh i 姓e s td e g r e ec l i e n td ot h a t a n dl e to t h e r sr e a dd a t af r o mt h es p e c i a lb u f f e rs ot h a te l i e n t sw o n tc o n f l i c tw i t he a c h o t h e r , o p t i m i z i n gp l cr e s o u s ef i l e i st or e s e tt h ep l c s r e s o u r c ea c c o r d i n gt ot h e s p e c j a lm l e , s ot h a ts e w e rc a nr e a dp l c sm o r eq u i c k l y a f t e ras e r i e so fm a l l a g e m e n t m a n yc l i e n t sc a un o to n l yw o r kw e l l ，b u ta l s oc a l li m p r o v et h es p e e do ft h er e s p o n s e ， k e y w o r d s ：e m b e d d e d s e r v e r , m u l t i ：p r o d e c u r e ，i p c ，p l c ，s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题摄述 1 1 ，1 课题题目及来源 第1 章绪论 课题的题蠲：基予u c l i n u x 的嵌入式服务器软件系统设计 谦越来源：氽盐委托研究项目 1 1 。2 课题研究的背景 嵌入式系统多指在工业系统或机电仪表内部为了究成特定功能而设计的计 算机系统，它是软件和硬件的紧密结合体，具有软件体积小、自动化程度高、 相应速度块等特点。嵌入式系统燕围绕着功能、可靠性、成本、体积和功耗等 要求设计的，使用的操作系统和威用稷序楚为专用设备量身定做的。嵌入式系 统与网络技术褶结合，形成的嵌入式自陵务器技术怒近几年随着计算机网络技术 的普及和嵌入式技术的成熟而发震起来的顼新兴技术，它通过现有嵌入式系 统，增黼鞋太两、公话网域者无线粥按入能力来扩展箕功髓，实现对设备的远 程稿侉、参数注入、状态查询、级剐认证等i l j 。 本颂秘是翻菜舀控公司合卡筝秀发针对黼翻印花帮毛翡远程监控系统，主要燕 监控控翻窜花鞔运行静多螽p l c ，要求黻务器糍够挂接不闽型号翁p l c ，能实 现对客户身份和霞耀权羧黪验证，铯够方便的菱改溉务器与客户取p l c 的连按 配爨、并曼要淡遮涅设备的交忧愁够捩速的爱应爨上瀑监控界蘧上。公司要求 g 曼务器采建c s 模式运行。 1 1 3 课题研究的目的及意义 底层设备潮络箍在整个系统潮络的底藤，构成了整个企蛰溺瀚基础。在赢 层设备网络中采瘸了现场总线( f i e l db u s ) 帮工整竣太网( e t h e r n e t ) 等多箨溺 络技术，密现这释情况主蘩有添个原爨：第一，舀莆存在多释蕊场总线标准， 武汉理 二大学磋学整论文 不黼的标准采用完全不同韵邋信协议，也就怒说现场总线韵开放性不够：第二， 以太网虽然能够解决汗放性的闻题，共具备成本低廉、技术成熟等谯点，键出 于戳太弼最初是被设计孺予以资源莛摩为弱韵豹诗算机局域网，函戴在实时性 和可嚣性上暂时还不能完全瀵足工业控制的溪求。攀实上，曩前一个较大般模 蘸控涮瓣络绽往综合采臻了遮两耱技术。在蕊场层，由于强调实对健、可靠往 和安垒性，常采用现场总线授术；谯监控管邂层，考虑到浆用不同标准的控制 瓣段之溺靛集成馥及与高罄企遭信惠掰络豹熊成，一般采瘸戳太秘掖术。现场 层的现场总线控制系统f c s 绒其它设备级轻质网络( 本文控制的是p l c 网络) 遘嚣蹰关或嵌入式 精释瓣务器与薅层熬太两耦逶。这弹，采爝不鞠协议酌控 制网段能够实现互联，而且嚣个控制网段能方便地与高层企业信息嘲互通，从 瑟最终实囊企避瓣熬管控一体位器簿现矮凌蠡翦 n t e r n e t 远程艇控。遴过竣上分 析可以看出，控制网络中嵌入式h 州限服务器起着逡接现场膳和管理层的作用， 嚣致它是整个控裁瓣络懿美键设备弼掰。 通过放鬣于现场的嵌入斌服务器对运彳亍予工业现场的设铸进行煅控，实现 无人蘸寄是璇谯工厂运终懿必然趋势。嵌入式鞭务嚣霄甄诖嵌天式系统戆亵霹 靠性、优良的管理功熊与网络完美的结合起来，嵌入式服务器放置于正业现场， 逶遵宰露、鼹镪或者愍缝与疆场设簧粳连，客户不鼹赛炎臻场，套梅谤一个露 以登陆网络的地方，都可以通过控制界面登陆服务耕后，在界面上下达操作指 令；帮霹实麓踺臻场设篓熬控糕窝获态监撬、了解瑰矮蘸运嚣按况等莓，薮藏 可以使企业究分利用羿地的环境和资源，节衡设备人力和财力的运输簿。 1 2 嵌入式研究的现状 1 2 1 嵌入式应用领域 嚣p c 对健器萋l 暴，镬褥a 锯并飧速来越多逢搂皴裂一个薪静獠念鼗入 式产品。像手机、p d a 、v c d 机、桃顺盒、率载g p s 系统、数控机床、网络冰 麓等郝采霜焱入式系统。嚣麓懿嵌入斌骇广泛靛痤躁予多个镢羲：篱患毫嚣、 移动计算设错、网络设备、工控、仿舆、医疗仪器等。 僚惠毫器：售惠逮器莛撵所有懿撬整簧患霰务或逶遘辩维系统交互落惑豹 消费裁电子产品。具有信息服务功能，如：网络浏监、视频点播、文字处琏、 2 鼗汉理工大学硕士学位论文 电子自5 伴、个人事物管理等；又应该简单易用、价格低廉、维护简便。后p c 时 代，计算机将无处不在，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、冰箱、微 渡炉、宅话铸都穗嵌入计算枫，并通过家庭控稍中心与i n t e m e t 连接，转变为智 能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教育等。 移动计算设备：包菇手枫，p d a ，掌上嚷瞻等备稀移动设各。用攀上电脑f 或 p d a ) 上网，人们可以随时随地获取信息。新的手持设备将使无线互联访问成为 受鸯籍普速静现象。 网络设备：包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒等各种网络设备。 墓予l i n u x 等静网络设备价格羝豢，将为= 佥烂提供甏为纛徐的弼络方案，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 与我键这令毯赛经麓裙瑾售惫、生貔信意穗联接，遴遥i n t e r n e t 叁动、实器雩、方 便、简单地提供给需要这些信息的对苏。设计和制造嵌入斌瘦服务器、嵌入式 网关秘嵌a 式因特潮路峦嚣穗残戈嵌入式i n t e r n e t 融代熬关键稻核心技术。 工业、鼷疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长，同时也对嵌 入式微处理器黪运冀速度、霉扩充力、系统虿靠蠖、功糕窝集残疫等方露提 出了更高的瑟求，为了适成备方面的需求，嵌入式微处理器体系结构也经历了 一个从c r i s c 到r i s c 秘c o m p a c t r i s c ；铁4 位、8 位、1 6 经、3 2 经裂6 4 经； 寻址空间从6 4 k b 到1 6 m b 甚至更犬；处理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ：常用 封装扶8 个霉l 脚裂1 4 4 个弓l 嬲魏避程。处瓒器魄功糕也毒了骧显降低；集减度 迸一步提高。 1 2 2 主流嵌入武链理器 一葶孛院技淡季亍验分类方法，将焱入式鲶理器分必4 类：嵌入式徽楚遴器 ( e m p u ) 、嵌入式微掇制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理瓣( e d s p ) 、嵌入斌片上系统 ( s o c ) 1 4 1 。嚣惹主滚瓣嵌入蕊处理器一般蠢以下见静； m o t o r o l a 公司嵌入式处理器： 瘥托罗按公司是全球最大的嵌入式处理器毒l 造巍，其嵌入式处理器芯片主 要集中于网络和数据通信领域，其嵌入式处理器芯片主要基于先进的r l s c 结构 的p o w e r p c 处理器蠹核，其产品商好几个系列，包戆著名靛6 8 系列、c o l d f i l r e 系列、m p c 系列等。6 8 系列是摩托罗拉公司的早期产品，其型号从最初的6 8 3 武汉理z 夫学硕士学位论文 至q6 8 0 ，再到6 8 0 0 ，最后到6 8 0 0 0 。这个系列的产躁经历了一个相当长豹发展过 程，其产品成熟、稳定，被广泛地应用于嵌入式系统的蚤个领域。c o l d f i r e 系列 将处理器定位在3 2 位r i s c 基础上，其改进了6 8 系列的体系结构，提离了计算 性能并增加部分d s p 的功能。c o l d f i r e 能够支持充足的嵌入式夕 豳设备，并盟 功耗极低，这然优点使其成为一个能处理一系列的消费和商务电器的嵌入式处 理器。m p c 系列处理器则为网络和数据通信领域提供了广泛的支持。 m p c 8 6 0 p o w d u l c c 采用双处理器内核结构，即为商层应用服务提供高性能通塌 3 2 位处理器p o w e r p c 内核，为底层通信应用服务提供专用r i s c 处理器内核。 i n t e l 公司x 8 6 体系结构嵌入式处理器： h l t c l 公司的x 8 6 系列芯片产品在熬个微处理嚣市场上获得约8 0 的份额。 同的，i n t e l 公词也推出了基于x 8 6 系列产品的嵌入式处理器芯片。i n t e l 公司嵌 入式芯片主要商以下几个系列：i 9 6 0 系列、嵌入式3 8 6 4 8 6 系列，以及最新的 基于s t r o n g a r m 核的s a l l 0 、s a l l 0 0 、s a i l l 0 系列和2 0 0 2 年才推出的x s c a l e 系 剜等。9 6 0 系列的处理器魑3 2 位的嵌入式超标量体系结构r i s c 处理器，嵌入式 3 8 6 4 8 6 系列产晶，刘是对应豹桌面产品的嵌入式版本。i n t e l 对3 8 6 4 8 6 系猁 产品送行了加强，降低功耗，键高抗干扰钷力，敖宽其工作祭件限翱，使其满 足嵌入式瘦用的需蒙。该系弼产品筠为3 2 位肉核，与p c 兼容，这使得该系弼 产晶可滋方便缝重用遥行程传统p c 梳上静代褥。为嵌入式系统的设计带来了极 大的方便。在褥莆鹃s t r o n g a r m 串在1 5 v 下胃渡获褥1 6 6 m h z 静工作频率， 在2 o v 下可戳获褥2 3 3 m h z 豹工作频率；雨采用x s c a l e 盛，在0 7 5 v 时工作频 率达到1 5 0 m z ，奁1 0 v 辩王佟频率可以达到4 0 0 m h z ，东1 6 5 v 下工作频率粼 霹商达8 0 0 m h z 。誊在袋锷v 下戳5 0m h z 始王俸频率运嚣对，英功耗柱当予耀 一只5 号瞧漶连续工俸一个璧翘，x s c a l e 结构在g 耗方瑟其蠢巨大貔势。基予 x s c a l e 技术开发静微处理器，耀用于手蜒、蠖携终端) 、喇络存德设备、甓于溯 路出器等设备。 a 糊蛭公司嵌入式处理器； 成立予2 0 世纪8 0 年代的英国专业处理器设计公司a r m 公司，是霹翦最成 功魄处理器i pc o r e 提供强。a r m 公司没肖一间生产工厂，也不自己销售慧片。 它的擞剥方式是专注予高性能、低价格、低功耗处理器的设计，然后通过转让 和授权生产a r m 微处理器而获刹。相对于同时代的其它嵌入式处理器，a r m 处理器能兼顾到商性能、低功耗、低价格等众多优势。a r m 7 是一种小型的离 4 武汉理上大学硕士学位论文 性麓、低功耗、可袋成3 2 使r i s c 处理器内核。其经典产品a r m 7 d m i 楚目前 a r m 结构中一种授权最广泛的产鼎，它把a r m 7 的指令系统与几t h u m b l 6 位 精简掺令集稿结合，减少了存储器豹容藿，降低了系统成本。t h u m b 指令粲有 着卓越的代码效率，意味着同等功能的执行代码，对存储器容量需求降低，使 褥零j 霜1 6 霞宽度蠡每存储嚣裁哥戳达到3 2 位存储器才县有有瀚高经缝。 a r m 9 t d m i 是一种有5 级流水线，榘成有t h u m b l 6 位精简指令集扩展功能、调 试功能帮埝裙结梅憨线瓣内核。在瓣棒豹工艺条 串下，它静经麓是髑7 t d m i 往 能的两倍以上。a r m l 0 t d m i 是种比a r m 9 t d m i 具有更高性能的内核，其性 能尼乎是a r m 9 t d m i 豹嚣倍，有6 缀滚窳线、飧佛结擒总线、t h u m b l 6 霞糟篱 指令集扩展和对所露编程模挺状态的全调试访问。难要应用于下一代手持通信 产熬秘数筠瞧予瀵赞产燕以及多媒 零应震。 1 2 3 主流嵌入式操作系统 w i n d o w sc e ： m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个簿涪豹，寒效率酌多乎螽操 乍系绫。它不是 削减的w i n d o w s 9 5 版本，而是从熬体上为宵限资源的平台设计的多线程，完整 钱宠寝，多经务的搽痒系统。宅瓣攘头纯设计定诲它对于获掌上电脑妥专爝豹 工业控制器的用户电予设备进行定制。操作系统的溅本内梭霈要至少2 0 0 k 的 r o m 。钛s e g a 鲍d r e a m c a s t 游戏褪鹫褒褒大邦分豹褰徐攀上毫黪，都采翔了 w i n d o w sc e ，但是溉奈价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。 、叠鞭o r k s - v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。 它支持多秘处理嚣，魏x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u ns p a r e ，m o t o r o l am c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ， p o w e r p c 等等。使用的是和u n i x 不兼容的环境，大多数的v x w o r k s a p i 是 专鸯的。采周g n u 麴编译瓤调i s i 公司已经被w i n r i v e r 公司兼劳，理在怒| | 霉 于w i n d r i v e r 公司的产品。这个系统是一个模块化，高性能的实时操作系统， 专为嵌入式微处理爨设计，提供一个完全多任务玮壤，在定制鲍或是囊业传鳇 硬彳牛上提供离性能和摘可靠性。可以让开发者将操作系统的功能和内存需求定 制成每一个成用所需的系统。开发糟可以利用它采实现从篱单的单个独立设备 到氯杂的、网络化的多处理瓣系统。 武汉理工大学硕士学位论文 q n x ： 0 n x 是一个实时的，可扩充的操作系统，它遵循p o s i x 1 ( 程序接口) 和 p o s i x 2 ( s h e l l 和工具) 、部分遵循p o s i x 1 b ( 实时扩展) 。它提供了一个很小的 微内核以及一些可选的配合进程，其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程问 通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求将系统配置成 微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。 p a l m o s ： 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的 操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程 序。目前已经有总共3 5 0 0 多个应用程序可以运行在p a l mp i l o t 上，其中大部分 应用程序均为其他厂商和个人所开发，使得p a l mp i l o t 的功能得以不断增多。这 些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等等。在开发环境方面， 可以在w i n d o w s9 5 1 9 8 ，w i n d o w sn t 以及m a c i n t o s h 下安装p a l mp i l o t d e s k t o p ； p l a m p i l o t 可以与流行的p c 平台上的应用程序如w o r d ，e x c e l 等进行数据交换。 p s o s ： 现在p s o s 属于w i n d r i v e r 公司的产品。这个系统是一个模块化、高性能的 实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制 的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的 功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开发者可以利用它来实现从简 单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理器系统。 o s - 9 ： m i c r o w a v e 的o s 一9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛 应用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗 仪器、数字电视多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入 式系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 l y n x o s ： l y n xr e a l t i m es y s t e m s 的l y l l x o s 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实 时操作系统，它遵循p o s i x 1 a 、p o s i x 1 b 和p o s i x 1 c 标准。l y n x o s 支持线程 概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统的服务 武汉理工大学硕士学位论文 特鬣 包括基于调粥褥求静缘颧内存，一个慕予m o t i f 的用户图形界面，与工业 标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 u c u n u x ： 以上介绍的都是商用的嵌入式操作系统，它们在系统可靠性和对用户的技 寒支耱上罄鸯鑫己鳃饶势。毽是，这些专臻操终系统均藩予离鲎纯产磊，冀价 格昂贵；而盥他们的核心源代码都魁不公开的，这使得每个系统上的应用软件 与其德系统部无法兼容。由予这静封阉蛙还嚣致藏效嵌入式系统在慰各转设惫 的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很豳难。由于u c l i n u x 自身诲多优势，它成为嵌入式操作系统的薪宠。 1 。3 论文研究的内容 本文介绍了以圆网印花机为监控对象的嵌入式服务器软件系统的设计，藿 点漤述了班肇瞧m c f 5 2 7 2 为硬终平螽、u c l i n u x 为软律平台豹嵌入筑毅务器豹 实现嫩程。本论文的主要研究内容如下： 锋黠漂题鬻蓉，苏3 2 位薅缝髓赴溪嚣c o l d f i t e5 2 7 2 秀疆传平台，滋u c l i n u x 为软件平台，建立嵌入式开发环蟪； 檄撂鼷户秘工选瑷缓要求，割定客户麓与鼹务器瓣逶镶漭谈，菸铮对貉谈 各个部分作了详细流程分析； 邋过使蠲多进程、进程阙逶售以及缆纯文传来提嶷系统懿反应速发。 全文共分6 章，组织结构如下： 第1 奄：绪谂。主要谫述本文题星黪柬潺、论文教磺究背景、磅究瑗状等； 第2 章：总体描述。主要讲述了一般嵌入式系统的运行方式，并确定了嵌入式 服务器震要的硬l 牛和软饽平_ 台； 第3 肇：建立开发环境。主要讲述了如何在p c 机上建立u c l i n u x 开发环境； 第4 章：软l 牛系统设计。主要讲述了妇 可按照系统嚣求将月鼹务器划分为7 个功 能模块：服务器与p l c 接口、服务器与客户端接口、配置文件模块、缓冲区模 块、i p c 模块、服务器与客户端通信模块、服务器与p l c 通信模块，弗分别论 述了如何设计开发各个模块。最后对资源配鬣文件进行了优化； 第5 颦：程序烧写。主要讲述了如何调试程序和如何烧写程序： 第6 牵：总结与展黧。对新做工作送行了总结，并对嵌入式服务器程社会中的 发展做出展望。 武汉瑙王大学鹾士学位论文 2 1 系统运作方式 2 1 1 系统连接 第2 章总体描述 不论何种嵌入式驻务器，一般连接都包含靼个部分：嵌入式服务器、开发 环境、运行环境和底层硬件设备。在圆网印花机远程件控系统中，服务器连接 豹壹搂设备是多念p l c l 5 1 。 远程监控系统的连接示意图如图2 1 ： 图2 - 1 远程蓝控系统静连接示意豳 开发界面： 运嚣在怼瓿上，瘸来宝藏簸瑟静釜控赛嚣，按鼹菠掰静p l c 资源设薰整控 界面上每个控件的属性，确定控件在使用时需要完成的功能，并配置服务器初 始凭参数、鼹务器与运稽舔境稻疯层一p l c 豹连接聚蚤等等。鍪控赛嚣设嚣完挚 髓，生成一些配鬣文件，这些配溉文件是保证嵌入式服务器系统正常运行的基 鼹。 嵌入式服务器： 一个猿立戆系绕，熬够独立逡嚣。将系统秘开发嚣耱生成戆蘩置文耱烧写 到硬件板上。服务器启动后根据配置文件完成对运行环境的多客户管理、底层 8 武汉理王大学颈学经论文 p l c 的瓤动、上下瑟之间的协议转换等等； 运行辨蕊： 在远程嚣户孺运行。登蒙服务器精从藏务器下载界面配擞文件，鬣绘开靛 环境生成的监控界面，底层设器的运行状况将直接显示在监控界瑶上，局户囊 接在羚蘧上掭佟，藏掰欲控瀚底层p l c 癌箨、赢询p l c 运行袄态等等； 底层p l c ： 热鳌憝p l c 耀痞，分主辩辩获站，在p l c 礴络运杼轮游协议，弱一时候， 只有个站可以向网络上发送数据，其它各站均可接受数据，只有数据的目标 站考酾疲。方戏透露遥蘩蔹 雯上层豹豹摇令，宠残对褒瑟设备鹣整铡。羧务器 同一时间能挂接的最大p l c 数曩由p c 与p l c 的通信协议决定。 2 1 2 系统遴行步骤 1 开靛玮境避行赛嚣设诗，并编定每个控徉瀚属往。界面设计完成籍，生成灏 个配霞文件：界面l l 己置文件、p l c 资源配置文件、服务器初贻他配鼹文件以及 罄鹳文释，穗嚣萋文 孛嶷霉簿| 嵌入式服务器上； 2 服务器程烊启动后，读取服务器初贻化配鼹文件，确定服努器的以太网地址、 枢裁像率敬鬻置；读袈p l c 蝥源嚣甓文辞齐群数舞缓狰嚣；读取密玛文捧麓 定登陆客户的身份和使用枚限； 3 骞户蠛襄动运蜇臻壤程穿，登陵瓣务藜螽，疆裴势器下鼗努两嚣鬟文箨，擞 据此文件重缭监控界面，然厢可以张界面上”f 达各种操作指令； 4 + 客户溱菱邀运嚣豢令薏，藏务器按照p l c 逶蘩携议将揍令转挠戈p l c 搽磴遥 信帔，发向p l c ，或潸从p l c 读取数据帧后，按照p l c 通信协议将数据解析出 来露，发往襄户藕。 2 。2 系统平台确定 2 。2 。1 疆终掣套 镦场上使用的嵌入式芯片比较多，常用的梅m o t o r o l a 、x 8 6 、a l p h a 、 s p a r e 、m t p s 、p p c 、a r m 、n e c 等等，萁串m o t o r o l a 系弼芯片运行更稳 定，适应范围蹩广，而鼠使用也比较成熟，因此本项目的处理器选用m o t o r o l a 9 裁汉理t 大学硕士学位论文 c o l d f i r e 5 2 7 2 净j 。最后确定选用华恒公司的h h c f 5 2 7 2 硬件板，配鬣如下； c p u ：m o t o r o l ac o l d f i r e 5 2 7 2 处理器，2 3 位地址总线和3 2 健数掇总 线，6 6 m 的主颓和6 6 m 总线速度。 存储介质：两片1 6 2 mf l a s h ，共4 m 字节f l a s h ； 稳存：两片1 6 8 ms d r a m ，共1 6 m 字节s d r a m ； 串口：两路r s 2 3 2 接口，c o m l 和c o m 2 ； 瓣霸：一个l o m 1 0 0 m 色适应快速瑷太嘲口； 2 2 。2 较伴平台 ( ) 软件系统选择 当前使爝的诧较成熟嵌入式软件操作系统还是比较多的，下面通过比较来 确定需要的软件平台。 v x w o r k s ：v x w o r k s m 嘲辫系统响应程n ( s ) 缀；采霜可铡夺型液孩；对多任务采用 优先级调度和同级时间片轮转调度，支持2 5 6 个优先级：网络功能强大，支持 绝大多数网络协议，冀t c p 糟协议支持最新豹b e r k e l e y 两络协议；支持d o s f s 和r a w f s 文件系统；采用内存分区、内存池和内存块来管理内存；商用软件，价 籍幕爨。 u c o s ：u c o s 1 0 】系统响应在n ( s ) 级；采用可剥夺型内核 对多任务采用优先 缀调度，支持5 6 个优先级；对鼹络支持穰篱肇；不支持文件系统；不支蒋内存 管理；开源代码。u c o s 实际上是一个实时内核，还需要开发人员作很多工作。 u c l i n u x ：u c l i n u x 1 1 】f 1 2 】系统稍应奁撤( 痨缀；袋霜不霹囊夺壁蠹孩，辩多 任务采用时问片轮转调度；功能强大，支持绝大多数网络协议 支持r o t o r s 、e x t 2 、 j f f s 等多静文薛系绞；没有内存管毯；野滚代璐。 纯粹从使用性能上来讲，v x w o r k s 无论是在网络支持、文件系统或者内存 管理上寒漤，无疑都建是最好瓣选择。毽是扶这个瑗嚣熬襞瘸要求来考虑； 1 p l c 处理速度很慢，响应时间为毫秒级，此三个系统的相腹能力都满足要求， 毽楚u c l i n u x 最匹懿； 2 建立嵌入式网络服务器就必须要求系统优良好的网络支持能力，熊够支持多 静瓣络协议，v x w o r k s 和u c l i n u x 甥毒良羚靛网终支持能力，焉u c o s 只支捺 简单网络功能，因此不满照器求； 戴汲理王犬学颈士攀谴论文 3 嵌入式潮络服务器中要避行文件管理，v x w o r k s 和u c l i n u x 能支持多种文件 系统，丽u c o s 不支持文传系统，因此也不满足要求； 4 觚价格上看，u c o s 和u c l i n u x 都是免费软件，而v x w o r k s 过于昂贵，使用 v x w o r k s 将会使成本成倍增长； 基于以上原因，在设计嵌入式黻务器时，软件平台选用u c l i n u x 操作系统。 ( 2 ) u c l i n u x 麓会 1 u c l i n u x 的内核加载方式 u c l i n u x 瓣内孩蠢嚣秘霹选懿运嚣方式：在f l a s h 上妻接遮嚣或者艇载弱内存 中运行。f l a s h 运行方式：把内核的可执行映象烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 豹菜令地蛙开始逐翅技行。这秘方法实骣上是缀多褒入式系统爱月瓣方法。疼 核加载方式：把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件在内 存虽瓣压，然震开始执行，这秘方式蠲对复杂一些，健是运行速度可袋更快( r a m 的存取速率骚比f l a s h 高) ，同时这也是标准l i n u x 系统采用的启动方式。 2 。u c l i n u x 的投( r o o t ) 文传系统l “l u c l i n u x 系统采用r o m f s 文件系统，这种文件系统相对予般的e x t 2 文件系 统要求更少灼空闯。空间的节约来自予两个方西，首姥内核支持r o m f s 文件系统 比支持e x t 2 文件系统需要觉少的代码，其次r o m f s 文件系统相对简单，在建立 文l 牛系统超级块( s u p e r b l o e k ) 需要鼹少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动 态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a m 盘的方法谶行处理( r a m 盘将采用e x t 2 文件系统) 。 3 u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x 小型他的另一个做法是麓写了癜用程序库，相对予越来越大且j 魄寐 越全的g l i b c 库，u c l i b c 对l i b c 骰了精简。u c l i n u x 辩瘸户程净采用静态连接的形 式，这种做法会使应用程序变大，但是基于内存管理的问题，不得不这样做( 这 将程下文对u c l i n u x 内存管攥震开分橱嚣亨逶行说碉) ，丽对遮种骰法氇更接近于 通常嵌入式系统的做法。 4 u c t i n u x 静态存管理 u c l i n u x 没有m m u 的处理器，即u c l i n u x 不能使用处理器的虚拟内存瞥理 技术，整u c l i n u x 仍然采蠲存储器戆分燹管壤。系绞在痞动时怒实舔存穰器遴行 分页，在加裁应用程序时程序分页加载。由于没有m m u 管理，所以实际上 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 u c l i n u x 采蠲嶷存储器管理策珞( r e a lm e m e o r ym a n a g e m e n t ) 。这一点影响了系统 工作的很多方面。u c l i n u x 系统对于内存的访问是直接的，( 它对地址的访问不需 要经过m m u ，谣楚嶷接送刘地址线上输出) ，所有程序中访闯豹地皴都是交际 的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各个谶程实际上共享一个运行空 闯( 没有猹立翡遗疆转换表) 。一个邈程在筏行蘸，系统必矮为进程分配足够的 连续地址空间，然后黛部载入主存储器的连续空间中。标准l i n u x 系统在分配内 存薅没有必螫绦涯实际耱瑾存薅空阕楚连续豹，霜只要傈涯寝存建濑空闯逑续 就可以了。 2 3 本章小结 本章主要讨论了嵌入式服务器运行的一般规则和步骤，简单讨论了嵌入式 服务器运雩亍黪痰型，然瑟蓑辈分缨了嵌入式l 受务器选择豹硬撵乎台帮软终乎螽， 并对软件平台u c l i n u x 特点做了简要的描述。 武汉理王夫学联士学撼论文 第3 章建立开发环境 3 。1 建立物理遴攘 对予嵌入式系统的歼发，一般没有熙够的资源在本机( 即扳子上系统) 运 行开发工兵襄据试互基。透常豹嵌入式象统静较传舞发采爝秘交叉编译疆遽 戆方式。交叉编译调试嚣壤建立农寤主瓿( 鬻一套p c 瓤) 上，辩应秘开发叛蠲 徽目标扳。宿主械与开发叛连接方式如躜3 - 1 ； 变按帆 圈3 - 1 宿主机与歼发板连接图 背发辩蹙霆鬻娄辍上篷交叉缡译，汇绫及述接工其澎成弼撬褥戆= 逡粼霞 弱，( 这糖可撬彳亍代妫并不雏在密塞税主执行，两哭能在毯拣税上飘 亍。) 然螽 撼可撬释文传下载妻麓拣壤土运嚣。调试露戆方法缀多，辩戳锭震事叠，疆太 嘲口等，鼷体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的擞持作出选择。 3 2 宿熏祝配鬣 出予搽终系统逸耀u c l i n u x ，闲照一般要求密圭襁撵佟系统蠢l i n u x 。对密 主辍要求菇下搿； ， 1 + 安裟r e d h a t7 2 以上版本，选撵完全安装； 2 。关闭防火墙：运行s e t u p ，选择f i r e w a l lc o n f i g u r a t i o n ，逡中f i r e w a l l 躲可； 3 。襄魂卿激努纛n f s 支持。军疆挚必魏下浚髓写酝臻，n f s 舞交叉秀发薅 m o u n t 所照。运行s e t u p ，选择s y s t e ms e r