一種嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的深入發(fā)展，SoC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準(zhǔn)確定義。一般說(shuō)來(lái)， SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程?！霸O(shè)備即網(wǎng)絡(luò)”是后PC時(shí)代對(duì)嵌入式系統(tǒng)的客觀要求。因此，需要建立嵌入式的web服務(wù)器，以便在智能家居系統(tǒng)中通過(guò)智能終端設(shè)備（如掌上電腦等），實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的遠(yuǎn)程控制，而信息家電也可以根據(jù)需要自動(dòng)將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信息發(fā)送給設(shè)定的目標(biāo)對(duì)象。因此，嵌入式web技術(shù)給人們的日常生活和工作帶來(lái)了極大的方便，在各種企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)中也都有非常重要的實(shí)際意義。

嵌入式web服務(wù)器以其低成本、小體積、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，而在生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。嵌入式系統(tǒng)的CPU已從過(guò)去的8位發(fā)展到如今的32位，并且大多采用RISC（Reduced Instruction Set Computer）結(jié)構(gòu)，RISC（reduced instruction set computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(jī)（即RISC 機(jī)），RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來(lái)，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即MIPS）。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。RISC概念已經(jīng)引領(lǐng)了微處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)更深層次的思索。設(shè)計(jì)中必須考慮到：指令應(yīng)該如何較好的映射到微處理器的時(shí)鐘速度上（理想情況下，一條指令應(yīng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完）；體系結(jié)構(gòu)需要多“簡(jiǎn)單”；以及在不訴諸于軟件的幫助下，微芯片本身能做多少工作等等。

1 嵌入式web服務(wù)器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 微處理器的選擇

AT91SAM9263是一種基于ARM926EJ-S內(nèi)核的ARM處理器，它帶有MMU存儲(chǔ)器管理單元，當(dāng)其運(yùn)行在200MHz時(shí)擁有220MIPS的運(yùn)算性能，并具有DSP擴(kuò)展指令和JAVA硬件加速功能。AT9lSAM9263有能力連接多種內(nèi)存設(shè)備和大容量硬盤(pán)設(shè)備，并嵌入有LCD控制器、2D圖形加速器、圖像傳感器接口、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口、多媒體卡接口、CAN控制器等。

1.2 網(wǎng)卡芯片的選擇

本設(shè)計(jì)采用CS8900A來(lái)擴(kuò)展嵌入式系統(tǒng)外圍網(wǎng)口。CS8900A是Cirrus公司生產(chǎn)的一種高集成度且全面支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，可支持8位、16位微處理器，并可以工作在I／O方式和Memory方式。它的片內(nèi)集成有4KB容量的Packetpage結(jié)構(gòu)的RAM，該4KB存儲(chǔ)器映像結(jié)構(gòu)RAM包括片內(nèi)各種控制、狀態(tài)、命令寄存器，以及片內(nèi)發(fā)送、接收緩存。圖l所示是CS8900A的結(jié)構(gòu)框圖。

1.3 硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)以AT91SAM9263為核心，通過(guò)網(wǎng)卡芯片CS8900以及RJ45接口來(lái)鏈接Ethernet網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用的大容量存儲(chǔ)器Flash是一種可在系統(tǒng)中進(jìn)行電檫寫(xiě)、掉電后信息不丟失的存儲(chǔ)器，主要用于存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼（bootloader）、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)，也可以存放用戶應(yīng)用程序。flash的英文解釋為：n.閃光，閃現(xiàn)，一瞬間，閃現(xiàn)，反射，使迅速傳便，vt.使閃光，反射 adj.閃光的，火速的。Flash也是由macromedia公司推出的交互式矢量圖和 Web 動(dòng)畫(huà)的標(biāo)準(zhǔn)，由Adobe公司收購(gòu)。網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)者使用 Flash 創(chuàng)作出既漂亮又可改變尺寸的導(dǎo)航界面以及其他奇特的效果。Flash也是存儲(chǔ)芯片的一種，通過(guò)特定的程序可以修改里面的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)中的SDRAM存儲(chǔ)芯片選用的是MT48LC16M16A2TG，設(shè)計(jì)時(shí)可將兩片16位MT48LC16M16A2TG并聯(lián)為32位數(shù)據(jù)寬度64 MB空間的SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)。

另外，系統(tǒng)還集成了一個(gè)USB HOST和USBDevice接口、一個(gè)JTAG接口、一個(gè)SD卡接口、一個(gè)RS232串口以及AC97音頻接口。

1.4 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心部分就是網(wǎng)絡(luò)接口電路。本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口電路的構(gòu)成電路如圖3所示。WEB服務(wù)器也稱為WWW（WORLD WIDE WEB）服務(wù)器，主要功能是提供網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)。 WWW 是 Internet 的多媒體信息查詢工具，是 Internet 上近年才發(fā)展起來(lái)的服務(wù)，也是發(fā)展最快和目前用的最廣泛的服務(wù)。正是因?yàn)橛辛薟WW工具，才使得近年來(lái) Internet 迅速發(fā)展，且用戶數(shù)量飛速增長(zhǎng)。

的外部總線相連接，其控制信號(hào)線主要有三根，分別是片選信號(hào)線、讀有效和寫(xiě)有效信號(hào)線。另外，可通過(guò)控制總線、一組地址總線和一組數(shù)據(jù)總線將網(wǎng)絡(luò)接口電路與ARM芯片相連。網(wǎng)絡(luò)電路后端連接有RJ45接口，主要是提供與ETHERNET的連接通訊接口。

2 WEB服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

2.1 Linux系統(tǒng)移植

本設(shè)計(jì)采用Linux作為操作系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)具有開(kāi)放源碼、軟件資源豐富、內(nèi)核功能強(qiáng)大、性能高效、穩(wěn)定、可支持多種硬件平臺(tái)等特點(diǎn)。除此之外，Linux還具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可支持TCP／IP等多種協(xié)議，而且Linux系統(tǒng)內(nèi)核中已經(jīng)緊密地集成了網(wǎng)絡(luò)功能并有大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，可為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信提供有力的支持。Linux是一類Unix計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是“Linux”。Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開(kāi)放源代碼發(fā)展中最著名的例子。嚴(yán)格來(lái)講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來(lái)形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫(kù)的操作系統(tǒng)。Linux得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛(ài)好者Linus Torvalds。

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)通?？梢苑忠龑?dǎo)加載程序、內(nèi)核、文件系統(tǒng)為3個(gè)層次。因此，Linux的系統(tǒng)移植也包括3個(gè)部分：即引導(dǎo)程序（BootLoa-der）移植、內(nèi)核移植和文件系統(tǒng)制作。

Bootloader （引導(dǎo)加載程序）是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼。它的運(yùn)行時(shí)間非常短，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)。這是一個(gè)非常重要的系統(tǒng)組成部分，主要負(fù)責(zé)ARM硬件的初始化，設(shè)置Linux的啟動(dòng)參數(shù)，然后跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核啟動(dòng)代碼的第一行語(yǔ)句引導(dǎo)Linux。

內(nèi)核是所有嵌入式Linux系統(tǒng)的核心軟件，內(nèi)核移植是一個(gè)比較復(fù)雜的任務(wù)，也是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中非常重要的一個(gè)過(guò)程。內(nèi)核移植一般包括內(nèi)核配置、編譯和內(nèi)核下載三大部分。移植過(guò)程的關(guān)鍵步驟如下：

（1）準(zhǔn)備下載linux源碼

本設(shè)計(jì)選用的內(nèi)核版本是linux-26.22，然后通過(guò)解壓縮得到內(nèi)核源碼。同時(shí)在linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境下安裝交叉編譯器arm-linux-gcc。

（2）修改內(nèi)核代碼

修改內(nèi)核代碼主要是選定Linux內(nèi)核對(duì)處理器的支持和修改以及與外部設(shè)備相關(guān)的內(nèi)核代碼。首先在linux-2.6.22根目錄下修改Makefile文件，主要應(yīng)當(dāng)修改下面兩行內(nèi)容：

ARCH=arm；說(shuō)明目標(biāo)是ARM體系結(jié)構(gòu)；

CROSS_COMPILE =／usr／local／arm／1.3.1／bin／aim-linux-gcc；設(shè)置為宿主機(jī)上交叉編譯工具鏈的絕對(duì)路徑。

除此之外。還需要修改與AT91SAM9263處理器相關(guān)的代碼，這些代碼集中在arch目錄中和include目錄下文件名以asm開(kāi)頭的子目錄中。

（3）配置和編譯內(nèi)核

配置內(nèi)核選項(xiàng)是移植內(nèi)核過(guò)程中很重要的一步，主要是對(duì)內(nèi)核功能模塊進(jìn)行選擇及參數(shù)設(shè)定。在內(nèi)核源代碼目錄下運(yùn)行make menuconfig可對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，主要是載入AT91SAM9263參考開(kāi)發(fā)板的默認(rèn)配置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的驅(qū)動(dòng)選擇等。配置完成后，可保存退出配置菜單界面，然后在內(nèi)核源代碼目錄上輸入命令make。

本設(shè)計(jì)所采用的文件系統(tǒng)是直接從網(wǎng)絡(luò)上獲取一個(gè)已經(jīng)生成的文件系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行添加和修改，最后形成自己的文件系統(tǒng)。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可利用Linux系統(tǒng)所提供的NFS服務(wù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)掛載文件系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。最后將Uboot映像文件、Linux內(nèi)核文件uImage、文件系統(tǒng)鏡像文件燒寫(xiě)到NANDflash上相應(yīng)的分區(qū)。

2.2 Web服務(wù)器的移植

Web服務(wù)器Boa是一個(gè)單任務(wù)的小型HTTP服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能優(yōu)秀，運(yùn)行所需空間僅為140 KB左右。特別適合于在嵌入式系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)采用移植Boa的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器部分，以滿足訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)的要求，其主要移植過(guò)程如下：

首先是下載Boa源代碼。Boa web服務(wù)器的源代碼可以從http：∥www.boa.org下載，本文中的下載文件為：boa-0.94.13.tar.gz.

其次是安裝并編譯Boa源代碼，操作時(shí)可執(zhí)行以下命令：

#cd／home／

#tar zxvfboa.tar.gz

#cd boa／ src

生成Makefile文件#.／configure后，即可修改Makefile文件，找到CC=gcc，將其改成CC=armlinux-gcc；再找到CPP=gee-E，其將其改成CPP=arm-linux-gec-E，然后保存退出。

運(yùn)行make進(jìn)行編譯后，即可在boa／ src目錄下生成Boa文件，該文件即為Boa Web服務(wù)器執(zhí)行文件。

勢(shì)頭應(yīng)當(dāng)配置Boa Web服務(wù)器。Boa啟動(dòng)時(shí)將加載一個(gè)配置文件boa.conf。用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)boa.conf進(jìn)行修改，但必須保證其它的輔助文件和設(shè)置必須與boa.conf里的配置相符，否則，Boa就不能正常工作。Boa源碼boa-0.94.13目錄下已有一個(gè)示例文件boa. conf位于boa／example下面，可以根據(jù)需要在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。然后將修改好的配置文件Boa.conf存放于嵌入式系統(tǒng)根文件／etc／boa目錄下。

最后就是測(cè)試Boa的運(yùn)行。在re文件中執(zhí)行：#ifconfig eth0 192.168.0.1命令給嵌入式Web服務(wù)器配置IP。并通過(guò)IE瀏覽器連接到運(yùn)行Boa的嵌入式系統(tǒng)http：∥192.168.0.1／，這樣，就可以訪問(wèn)到之前放置的index頁(yè)面了。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以AT9lSAM9263為核心，在此基礎(chǔ)上給出了一個(gè)web服務(wù)器。并在硬件方面設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接口、AD卡接口、USB接口等各種外設(shè)。文中還在網(wǎng)絡(luò)接口的基礎(chǔ)上，給出了將Linux移植到硬件平臺(tái)，并最終移植web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方法。