基于ARM＆Linux的嵌人式設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試模塊設(shè)計(jì)

0 引 言

目前，大多數(shù)的工業(yè)設(shè)備都有專用的調(diào)試接口和調(diào)試軟件，這種方式能有效解決系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)升級(jí)的問(wèn)題，但也有一些弊端。首先，依賴專用的調(diào)試軟件，隨著產(chǎn)品的豐富，調(diào)試軟件的版本也隨之增加，從而工程人員需要面對(duì)軟件匹配的麻煩;其次，專用的調(diào)試接口和配備專用的調(diào)試軟件需要專業(yè)人員操作，用戶無(wú)法靈活地使用設(shè)備。因此需要一種無(wú)需專用設(shè)備，方便、易行的設(shè)備調(diào)試方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的微處理器的性能得到極大的提高，從而提高了嵌入式系統(tǒng)的性能，應(yīng)用范圍也更加廣闊;而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得B/S(客戶端/服務(wù)器)模式成為一種潮流。這兩者的結(jié)合便為設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方式提供了新的方案。工程人員只需要連接Internet的設(shè)備并安裝瀏覽器，即可方便地查閱設(shè)備的相關(guān)信息并修正各項(xiàng)參數(shù)。給調(diào)試和維護(hù)管理工作帶來(lái)很大的方便。同時(shí)，該方案也為工程人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試提供了可能。這里提出的基于ARM&Linux的嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試模塊以ARM_AT91RM9200為核心，以可裁減、可移植的μCLinux為操作系統(tǒng)，為嵌入式系統(tǒng)的Internet接人提供了一種方便、快捷、簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了提高模塊的通用性和方便升級(jí)工作，將硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由核心板和主板組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。核心板設(shè)有CPU和128 MB的SDRAM，4 MB NORFLASH和輔助電路;主板設(shè)有各種接口，如：一個(gè)10/100兆以態(tài)網(wǎng)接口，一個(gè)外部擴(kuò)展總線，兩個(gè)RS 232接口和輔助電路。需要時(shí)可以方便的以更換主板的方式擴(kuò)展外設(shè)接口，從而適應(yīng)各種設(shè)備的需要。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于操作系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程包括：系統(tǒng)準(zhǔn)備和應(yīng)用程序開發(fā)。這里運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)技術(shù).因此首先需要在嵌入式平臺(tái)上移植操作系統(tǒng)和Web Sever。其次，運(yùn)用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。

2.1 Linux操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，目前已經(jīng)有多種嵌入式操作系統(tǒng)投入實(shí)用，例如：Windows CE，Vx-Works，QNX等。

由于Linux具有開源、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。故采用μCLinux為操作系統(tǒng)。移植主要包括如下幾個(gè)步驟：

(1)運(yùn)行環(huán)境準(zhǔn)備。操作系統(tǒng)運(yùn)行前需要對(duì)硬件初始化，該部分功能由BootLoader完成。該系統(tǒng)采用德國(guó)DENX小組開發(fā)的交叉平臺(tái)U-Boot.作為Boot-Loader。因此，先準(zhǔn)備好ARM芯片的loader.bin文件和U-Boot文件。

(2)內(nèi)核配置。首先下載μCLinux源代碼，并配置Linux內(nèi)核，在Networking opTIon 以及Network de-vice support中選擇支持TCP/IP協(xié)議，在Network de-vice support目錄下的Ethernet中選擇OtherISACard，并選擇NE確2000/NE 1000 support(該選擇根據(jù)系統(tǒng)所選擇的網(wǎng)卡芯片要求選擇)。

(3)ramdisk制作。ramdisk是μCLinux操作系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)。用戶可根據(jù)需要設(shè)置目錄結(jié)構(gòu)后制作ramdisk。如此Linux啟動(dòng)后系統(tǒng)會(huì)加載用戶所需的目錄結(jié)構(gòu)。

(4)移植操作系統(tǒng)。首先，利用Windows自帶的超級(jí)終端工具將loader.bin文件、U-Boot文件通過(guò)XMODEM協(xié)議發(fā)送到 AT91RM9200內(nèi)部的SRAM中。其次，進(jìn)入U(xiǎn)-Boot的人機(jī)交互命令模式。用flash命令依次向NOR-F LASH中燒錄loader，u-boot，kernel，ramdisk文件。至此，Linux內(nèi)核移植完成，重啟ARM便可進(jìn)入Linux操作系統(tǒng)。

2.2 嵌入式Web Server的實(shí)現(xiàn)

Web Servet是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。目前在μClinux下，主要有3個(gè)Web Server：Httpd，Thttpd和Boa.Httpd是最簡(jiǎn)單的一個(gè)Web Server，它的功能最弱，不支持認(rèn)證，不支持CGI。Thttpd和Boa都支持認(rèn)證、CGI等，功能都比較全。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)，這里選擇實(shí)現(xiàn)一個(gè)支持CGI且非常適合于嵌入式系統(tǒng)的BoaWeb Server。

Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，源代碼開放，性能好。它與常規(guī)的Web服務(wù)器不同，Boa不對(duì)每個(gè)進(jìn)入服務(wù)器的連接開辟進(jìn)程，更不為處理多路復(fù)用而開辟進(jìn)程，Boa僅對(duì)正在進(jìn)行的HTTP連接復(fù)用，而且也只為獨(dú)立用戶網(wǎng)關(guān)接口CGI 開辟進(jìn)程。測(cè)試表明，Boa服務(wù)器的速度比常規(guī)的Web服務(wù)器要快，比Apache服務(wù)器快兩倍以上。目前，μClinux的代碼中已經(jīng)包含Boa的源代碼，在μClinux下實(shí)現(xiàn)Boa，需要對(duì)Boa做一些配置和修改。這主要通過(guò)對(duì)boa.conf和mime.types文件進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)。需要改動(dòng)的配置有以下幾項(xiàng)：將對(duì)應(yīng)項(xiàng)目改為如下狀態(tài)：

至此，Boa服務(wù)器已移植完成，但只有讀權(quán)限，如果需要進(jìn)行寫入和修改操作則需要賦予Boa服務(wù)器rOOt，權(quán)限，方法如下：

將boa.c文件中的如下部分注釋掉：

該注釋操作會(huì)為黑客人侵留下可能，請(qǐng)慎重選擇。文中系統(tǒng)屬于內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，故以次方式賦予Boa服務(wù)器最高權(quán)限.便于系統(tǒng)功能的完善。

2.3 CGI技術(shù)

2.3.1 CGI簡(jiǎn)介

到目前為止，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面有4種技術(shù)可供選擇：CGI，ASP，PHP和JSP。因?yàn)槟壳?mu;CLinux不支持ASP，PHP等動(dòng)態(tài) Web頁(yè)面技術(shù)，而且CGI應(yīng)用程序可用大部分高級(jí)語(yǔ)言編寫，程序員可以自由選擇自己熟悉的編程語(yǔ)言完成設(shè)計(jì)，因此在該設(shè)計(jì)中選擇了CGI。

CGI規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供web服務(wù)器一個(gè)執(zhí)行外部程序的通道，這種服務(wù)端技術(shù)使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有交互性。CGI程序?qū)儆谝粋€(gè)外部程序，需要編譯成可執(zhí)行文件，以便在服務(wù)端運(yùn)行。Web服務(wù)器通過(guò)調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)與Web瀏覽器的交互，也就是 CGI程序接收Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理后，將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web服務(wù)器及web瀏覽器，其工作過(guò)程如圖2所示。

2.3.2 CGI原理

CGI工作原理如下：客戶端的用戶通過(guò)瀏覽器完成一定輸入工作后，向服務(wù)器發(fā)出HTTP請(qǐng)求(CGI請(qǐng)求)，服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程接收到該請(qǐng)求后，就創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程(CGI進(jìn)程)。該CGI子進(jìn)程將CGI請(qǐng)求的有關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置成環(huán)境變量，在CGI程序與服務(wù)器間建立兩條數(shù)據(jù)通道，然后啟動(dòng)URL指定的 CGI程序。子進(jìn)程通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出流將處理結(jié)果傳遞給服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程，守護(hù)進(jìn)程再將處理結(jié)果作為應(yīng)答消息回送到客戶端。一個(gè)CGI程序的任務(wù)分成輸入任務(wù)和輸出任務(wù)。輸入任務(wù)根據(jù)請(qǐng)求方法的不同，從環(huán)境變量QUERY_STR ING或標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取用戶輸入數(shù)據(jù)。輸出任務(wù)生成HT-TP響應(yīng)頭標(biāo)內(nèi)容，如消息正文的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等;生成HTTP響應(yīng)消息正文內(nèi)容，如動(dòng)態(tài)生成的HTML文件內(nèi)容。

2.3.3 CGI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

CGI作為一種接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持各種編程語(yǔ)言，這選擇常用的C語(yǔ)言編寫應(yīng)用程序。設(shè)備調(diào)試工具需要具備兩個(gè)基本功能：能實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù);能實(shí)時(shí)修改相關(guān)參數(shù)。由于網(wǎng)頁(yè)的刷新會(huì)對(duì)表單的提交產(chǎn)生干擾，因此用框架將主頁(yè)分為兩段，分別調(diào)用子網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)修改功能。網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)及工作模式如圖3所示。

在顯示參數(shù)時(shí)，主頁(yè)調(diào)用子頁(yè)1，子頁(yè)1每3 s調(diào)用1次CGI①，每次調(diào)用時(shí)CGI①會(huì)向應(yīng)用系統(tǒng)詢問(wèn)最新參數(shù)，并以此為依據(jù)生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)回傳給主頁(yè);修改參數(shù)時(shí)，用戶在主頁(yè)上通過(guò)表單提交的數(shù)據(jù)被 CGI②解析后傳輸給應(yīng)用程序，同時(shí)為了便于操作，CGI②提供查詢功能，以便用戶查詢一組參數(shù)并對(duì)所需部分進(jìn)行修改。其中，網(wǎng)頁(yè)與CGI程序的通信由環(huán)境變量傳遞，CGI與應(yīng)用程序間的通信由Socket完成。在調(diào)試時(shí)，工程人員只需要在任意用戶端瀏覽器中輸入調(diào)試模塊的lP地址，就能登陸調(diào)試界面，如圖4所。示界面上部的表格會(huì)每3 s刷新1次，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)參數(shù)。如需修正，則可利用界面下部表單修改對(duì)應(yīng)項(xiàng)。

3 結(jié)語(yǔ)

這里采用基于ARM9為核心的AT91 RlM9200芯片為平臺(tái)，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)和Web Sever，運(yùn)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試模塊。該系統(tǒng)已應(yīng)用于船舶VDR系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)運(yùn)行良好。為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了一種簡(jiǎn)便、高效的方法;同時(shí)，該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)和設(shè)備系統(tǒng)，調(diào)試人員可以利用互連網(wǎng)登陸調(diào)試系統(tǒng)，因此也為設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)試奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)成功在設(shè)備與用戶間搭建了高效率的人機(jī)交流平臺(tái)，如在應(yīng)用程序上做適當(dāng)完善，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的上位機(jī)軟件，系統(tǒng)可升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)。

利用嵌入式技術(shù)采用網(wǎng)口替代常用的串行接口、USB接口等作為設(shè)備的調(diào)試接口。該系統(tǒng)具備高速、穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)潔和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn);為設(shè)備調(diào)試和測(cè)控系統(tǒng)提供了一種有效的方案。