基于ARM處理器的嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展，智能化信息終端通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)已成為當(dāng)今發(fā)展的主要趨勢(shì)，而嵌入式Web服務(wù)器正是嵌入式Internet中的關(guān)鍵技術(shù)。文中研究了嵌入式WeM艮務(wù)器，并給出了其在Linux環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：ARM處理器；Internet；嵌入式Web服務(wù)器；Linux

0 引言
    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，特別是各種高性能SOC(system onchip)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，嵌
入式系統(tǒng)日益廣泛地被用于航空航天、工業(yè)控制、移動(dòng)通訊、家用電器以及消費(fèi)電子等設(shè)備中。“設(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)，其處理器速度可達(dá)幾百兆赫茲。由于ARM對(duì)多種操作系統(tǒng)的兼容，故可以很方便地運(yùn)行嵌入式等操作系統(tǒng)，而且功能十分強(qiáng)大。ARM公司生產(chǎn)的32位嵌入式芯片就以其優(yōu)良的性能而在嵌入式市場(chǎng)上占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。另外，在操作系統(tǒng)方面，Linux也因?yàn)槠鋸?qiáng)大的功能和開(kāi)放的優(yōu)勢(shì)。在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了Linux環(huán)境下嵌入式web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方法。

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。AT9lSAM9263擁有兩個(gè)獨(dú)立的外部存儲(chǔ)器總線EBI0 (External Bus InterfaceO)和EBIl(External Bus1)，本設(shè)計(jì)正是采用外部總線來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)卡芯片，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式web服務(wù)器的。
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。用戶可以通過(guò)I／O方式、Memory方式或DMA方式訪問(wèn)它們，圖l所示是CS8900A的結(jié)構(gòu)框圖。

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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、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。本系統(tǒng)選用SAMSUNG公司的K9F1208UOB作為Flash存儲(chǔ)器，并采用8bit總線，其單片容量為16 MB。

    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。該網(wǎng)絡(luò)接口電路可與AT9lSAM9263
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。

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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強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能是選用其作為嵌入式web服務(wù)器軟件系統(tǒng)的一個(gè)重要原因。
    一個(gè)嵌入式系統(tǒng)通常可以分引導(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。本系統(tǒng)采用U-boot作為bootloader。U-Boot的全稱是Universal Boot Loader，是遵循GPL條款的開(kāi)放源碼項(xiàng)目，它從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來(lái)。
    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，這樣。編譯完成后，就會(huì)生成uImage文件。
    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。這種方法通過(guò)頁(yè)
面訪問(wèn)的測(cè)試，結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且訪問(wèn)速度正常。