基于EP9315的附網絡存儲NAS系統(tǒng)設計

摘要 附網絡存儲NAS是一種將分布、獨立的數據整合為大型、集中化管理的數據中心，以便對不同主機和應用服務器進行訪問的技術[1]。本文提出一種以ARM9微處理器EP9315和嵌入式Linux操作系統(tǒng)構建附網絡存儲系統(tǒng)的設計方案;對系統(tǒng)的體系結構、硬件設計、操作系統(tǒng)的移植、驅動程序和應用程序的開發(fā)等設計要點作了相關研究和討論。
關鍵詞 EP9315 嵌入式Linux 附網絡存儲 NAS

　　以嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式技術是近年來一項新興的熱門技術，特別是以ARM公司的32位IP核為基礎的ARM嵌入式微處理器，以其高性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。然而，目前在網絡存儲領域，國內商用市場上的網絡存儲系統(tǒng)大都采用x86等成熟的硬件平臺和商業(yè)化操作系統(tǒng)，成本昂貴、核心技術知識產權受保護。本文提出把ARM9微處理器和源碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)應用在網絡存儲領域，構建一個附網絡存儲NAS(Networkattached Storage)基本系統(tǒng)，拓展了ARM9微處理器的應用，也為NAS系統(tǒng)的發(fā)展提供了方向。

　　NAS系統(tǒng)是一個具有專一功能的網絡存儲系統(tǒng)，可實現(xiàn)與網絡設備直接連接，使客戶機與存儲器之間直接傳送數據；結合具有開放式、強大和穩(wěn)定的網絡性能的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內置與網絡連接所需的協(xié)議，能實現(xiàn)低成本、即插即用、管理和設置簡單的存儲系統(tǒng)。

1  系統(tǒng)結構

　　NAS系統(tǒng)把存儲設備和網絡接口集成在一起，直接通過網絡存取數據，使其成為專用的網絡文件存儲及文件備份設備。因此，一個基本的NAS系統(tǒng)應包括基本的硬件設備、接口，操作系統(tǒng)，網絡通信和上層應用程序4個部分。

　　在硬件方面，系統(tǒng)采用32位的嵌入式微處理器EP9315作為主CPU。由于EP9315集成1/10/100 Mbps的以太網LAN控制器，因此只需外接物理層（PHY）接口芯片，即可實現(xiàn)穩(wěn)定、高效率的以太網接入。在操作系統(tǒng)方面，作為一個只需要實現(xiàn)網絡存儲和文件管理的系統(tǒng)，應該采用面向存儲的專用操作系統(tǒng)?；贚inux強大和穩(wěn)定的網絡功能、源代碼的開放性，系統(tǒng)選用嵌入式Linux作為NAS的操作系統(tǒng)；通過對Linux的裁剪，去掉許多通用的功能，能大大提高設備的性能。

　　網絡通信方面： 由于NAS服務器采用Linux操作系統(tǒng)，客戶機PC一般都是Windows系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)支持TCP/IP協(xié)議,但是不支持NetBIOS(Network Basic Input and Output System)，因此兩者之間的通信需要一個中介。本系統(tǒng)利用Samba來實現(xiàn)這個功能。

圖1  NAS系統(tǒng)設計框圖

　　在應用程序方面：NAS設備的遠程訪問和管理以及數據傳輸，都需要相應的應用程序來支持；否則，即使將NAS接入網絡中，對用戶來說它也只是個無法訪問的“黑箱”。本系統(tǒng)的應用程序實現(xiàn)了硬盤管理、用戶和組管理、網絡配置、系統(tǒng)時間設置、網絡共享管理等。NAS系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

2  系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)采用Cirrus Logic公司的ARM9系列的32位微處理器EP9315作為主控制器。

2.1  EP9315主要特性介紹[2]

　　EP9315內嵌先進的運行于200 MHz的ARM920T微處理器內核，內核工作電壓為1.8 V，輸入/輸出電壓為3.3 V；內部集成了一個高性能的1/10/100 Mbps以太網媒體訪問控制器（MAC），通過與支持MII接口的外置PHY(物理層接口)簡單連接，系統(tǒng)即可實現(xiàn)高性能、低開銷的Internet訪問功能。

　　EP9315的IDE接口可以支持與兩個ATAPI工業(yè)標準兼容設備的連接，支持主模式和從模式，其內部的DMA控制器支持Multiword DMA和Ultra DMA模式的數據傳輸。EP9315的其他特性還有：通用存儲器接口（SDRAM、SRAM、ROM和Flash），Raster/LCD接口，帶12位A/D轉換器的觸摸屏接口，鍵盤接口，UART接口，3通道USB2.0全速主口，12通道DMA控制器等。其豐富的外圍接口大大降低了系統(tǒng)開發(fā)費用。

2.2  硬件電路

　　NAS系統(tǒng)主要硬件結構框圖如圖2所示[3]。

圖2  NAS系統(tǒng)硬件結構框圖

　　其中主要部分功能描述如下：

　　復位電路  實現(xiàn)系統(tǒng)上電復位和在系統(tǒng)工作時用戶按鍵復位。

　　電源電路  為12 V—5 V、5 V—3.3 V和5 V—1.8 V的電壓轉換。IDE硬盤需要12 V電壓，EP9315微處理器的內核工作電壓為1.8 V，其片內功能模塊的工作電壓為3.3 V，電壓轉換采用7805和LM1117系列轉換器實現(xiàn)。電源管理系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3  電源管理系統(tǒng)功能框圖

　　RS232接口電路  用于與上位PC機的串口通信，通過串口實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的開發(fā)、調試。在系統(tǒng)的初始狀態(tài)，EEPROM和Flash存儲器均為空，此時需要設置系統(tǒng)啟動配置模式為16位串行啟動，以把初始化代碼寫到Flash中。

　　JTAG調試接口  可對芯片內部的所有部件進行訪問，通過該接口對系統(tǒng)進行軟、硬件調試和編程，進行應用程序的開發(fā)、調試。

　　Flash存儲器  用于存放用戶應用程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數據等。

　　SDRAM存儲器  為系統(tǒng)程序的運行空間，系統(tǒng)及用戶數據、堆棧均位于SDRAM存儲器中。

　　EIDE接口  用于實現(xiàn)IDE硬盤的接入。

　　1/10/100 Mbps以太網物理層接口  為系統(tǒng)提供以太網接入的物理通道。本系統(tǒng)通過該接口接上以太網物理層接口芯片KS8721BL，來實現(xiàn)高速的以太網接入，大大簡化了系統(tǒng)的硬件電路設計。

3  NAS系統(tǒng)的軟件設計

　　當完成系統(tǒng)的硬件設計與調試以后，接下來的就是嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植以及NAS應用程序的開發(fā)。NAS系統(tǒng)的軟件主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設備驅動程序、文件共享協(xié)議及應用程序。

圖4  NAS系統(tǒng)軟件的體系結構

　　NAS系統(tǒng)軟件的體系結構如圖4所示。

　　作為一個NAS系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中必須有一個核心操作系統(tǒng)，作為對硬件的管理，軟件的協(xié)調執(zhí)行，并對外部調用提供 API。在核心操作系統(tǒng)之上是外部硬件設備驅動程序，使硬件能正常工作，為系統(tǒng)的正常運行提供基本條件。因為 NAS主要是實現(xiàn)網絡存儲，所以要更多地考慮對網絡和存儲兩方面功能的支持，在設備驅動之上是對一些基本網絡協(xié)議的支持和對專用網絡存儲服務器進行網絡數據訪問的文件共享協(xié)議（SMB）的支持，使Windows、Linux用戶都能對NAS設備進行訪問。最上層是應用程序模塊，提供UI（User Interface），實現(xiàn)對NAS的配置和管理。

3.1  嵌入式Linux操作系統(tǒng)

3.1.1  嵌入式系統(tǒng)的Bootloader

　　上面的軟件體系結構圖沒有單獨列出初始化代碼Bootloader，但它是嵌入式系統(tǒng)重要的一部分。對任何計算機系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的啟動都有一個初始化的過程，嵌入式系統(tǒng)也不例外。本嵌入式系統(tǒng)采用Redboot作為系統(tǒng)的Bootloader。Redboot是一個采用eCos開發(fā)的程序，是目前比較流行的一個功能強大、可移植性強的Bootloader[4]。

　　移植到本系統(tǒng)的Redboot除了具有一般Bootloader的硬件初始化和引導內核功能外，還具有以下功能：引導腳本以方便啟動Linux操作系統(tǒng)，命令行接口，串行和網絡通信協(xié)議，內嵌GDB stub以支持GDB調試，支持Flash映像文件系統(tǒng)，通過BOOTP協(xié)議支持網絡引導，也可配置靜態(tài)IP。Redboot是建立在eCos系統(tǒng)上的一個獨立的最小系統(tǒng)，可通過eCos系統(tǒng)提供的配置工具（比如圖形化的Configtool）對Redboot進行源代碼級別的裁剪配置。

3.1.2  嵌入式Linux的移植

　　由于嵌入式設備沒有足夠的內存和存儲資源來完成編譯過程，通常的方法是在主機上完成針對目標機的代碼編譯。這樣的工具就是交叉編譯工具，交叉編譯工具集有專門的網站可以下載，并下載針對不同ARM處理器的Linux內核移植補丁。本系統(tǒng)采用Linux2.4.21的內核，采用的交叉編譯工具集合為cross2.95.3。

　　嵌入式Linux是在標準的Linux基礎上，經過適當的簡化、裁剪，加入一些特定的功能，形成一個精巧、高效、滿足特定應用需求的專用（定制）操作系統(tǒng)。它具有用戶可裁剪、可配置的特點。NAS系統(tǒng)最重要的是存儲，通過對Linux的裁剪，去掉許多通用的功能，使其成為一個專用于存儲、精簡、高效的操作系統(tǒng)。

　　Cirrus Logic公司已為內核寫好了針對EP9315微處理器的補丁，加上這個補丁的內核就是一個能運行在基于EP9315微處理器系統(tǒng)上的版本，接下來就可以在此基礎上進行內核的配置與編譯。通過不斷的配置、編譯，產生合適的嵌入式Linux內核，使之在功能和大小之間取得優(yōu)化的結果，以滿足本系統(tǒng)的需要。

3.2  Linux設備驅動程序開發(fā)

　　嵌入式系統(tǒng)的差異性決定了系統(tǒng)開發(fā)者不但需要進行特定硬件的設計，同時需要編寫相關的設備驅動程序，它是內核用于完成對物理設備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內存以及其他很少的幾個部分之外，所有的設備控制操作都必須由被控設備相關的代碼，也就是驅動程序來完成[5]。

　　在Linux中，將各種設備大致分為3種基本類型：字符設備、塊設備及網絡設備。其中，字符設備是指采用字符流方式訪問的設備，如字符終端、串口。對應的字符設備驅動的接口是標準的文件系統(tǒng)調用接口。

　　塊設備是采用數據塊方式訪問的設備，如IDE硬盤等。由于塊設備通常都提供文件系統(tǒng)支持，因此常用的設備訪問方式是通過文件來進行的。字符設備和塊設備在Linux中都被看成是一種特殊的文件，稱為“設備文件”。由于每個設備都至少由文件系統(tǒng)中的一個文件來代表，這樣的設備文件在系統(tǒng)中就唯一確定了對應的設備。網絡設備是采用數據包傳輸方式訪問的設備。與前兩者不同，Linux采用的方法是給它們分配一個唯一的名字（比如eth0）；同時，內核和網絡設備驅動間的通信采用了一套與數據包傳輸相關的函數，如最常見的套接字（socket）接口。網絡設備通過ifconfig系統(tǒng)調用來創(chuàng)建和配置。

　　其他的還有一些驅動程序不屬于以上3類，比如USB等總線驅動。它們一般是作為內核提供的公共服務，和其他驅動聯(lián)合起來使用。

3.3  文件共享協(xié)議

　　由于NAS服務器采用Linux操作系統(tǒng)，客戶機PC一般都是Windows系統(tǒng)，而Windows和Linux平臺之間的文件格式是完全不同的，因此Linux不能對Windows用戶直接提供基本服務。本系統(tǒng)通過應用SMB協(xié)議實現(xiàn)這種功能[6]。Samba是一套使用SMB（Server Message Block）協(xié)議的應用程序，通過支持這個協(xié)議，Samba允許Linux服務器與Windows PC機之間進行通信。本系統(tǒng)采用的Samba的版本為samba3.0.20b。

　　在開發(fā)過程中,需要在Linux服務器上進行所有的軟件開發(fā)。本系統(tǒng)通過建立網絡文件系統(tǒng)（Network File System，NFS），把Linux服務器上的特定分區(qū)共享到目標系統(tǒng)上，實現(xiàn)在目標系統(tǒng)上操作Linux服務器和在線對程序進行調試和修改。

3.4  NAS系統(tǒng)應用程序設計

　　NAS設備本身一般沒有顯示器、鍵盤、鼠標等這些與人交互的外設，那么通過什么途徑使系統(tǒng)管理員完成對這樣一個“黑箱”的配置和管理呢？NAS系統(tǒng)應用程序的設計主要就是要實現(xiàn)對“黑箱”的配置和管理?；?Web（Webbased）的管理是目前在 NAS系統(tǒng)管理中用得最多、最方便的方式之一。本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：

　　①  硬盤管理。系統(tǒng)可掛載IDE、USB硬盤，支持VFAT/EXT2/EXT3文件系統(tǒng)，每個分區(qū)能有獨立的文件系統(tǒng)。
　?、?nbsp; 用戶和組管理。支持用戶和組的增加、修改、刪除。一個用戶可以是幾個不同組的成員。
　?、?nbsp; 網絡配置。局域網中如果有DHCP服務器就無需設置IP地址，否則，通過超級終端，在串口控制命令行設置IP、DNS等。
　?、?nbsp; 系統(tǒng)時間設置。系統(tǒng)時間可以手動設置，也可以通過NTP服務自動同步。
　?、?nbsp; 網絡共享管理。包括共享名設置、屬性、共享路徑、有效用戶設置，是否可寫操作等。

　　本項目基于EP9315實現(xiàn)了一個基本的NAS系統(tǒng)，加以完善就可以作為中小型用戶的存儲系統(tǒng)方案。通過本項目，便于開發(fā)者對ARM9微處理器和嵌入式開發(fā)作更深入的實踐研究，推廣了ARM微處理器更廣泛的應用。

參考文獻
[1]  胡天翔.網絡存儲技術在企業(yè)中的發(fā)展及應用[J] .計算機技術與發(fā)展，2006，16（7）.
[2]  Cirrus Logic.EP9315 User?s Guide.2004.
[3]  李駒光，鄭耿，江澤明. 嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解——基于EP93XX系列ARM[M] . 北京：清華大學出版社，2006.
[4]  Red Hat.RedBoot User?s Guide.2001.
[5]  Alessandro Rubini Sc Jonathan Corbet.LINUX設備驅動程序[M]. 魏永明，駱剛，姜君,譯.  第2版.  北京：中國電力出版社，2002.
[6]  劉承凌，劉發(fā)貴. 基于Samba的Linux與Windows資源共享的實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術，2004(23).