基于ARM&Linux的嵌人式設(shè)備遠程調(diào)試模塊設(shè)計
摘 要:提供一種方便、高效的設(shè)備調(diào)試方案,即利用嵌入式技術(shù)采用網(wǎng)口替代常用的串行接口、IJSB接口等作為設(shè)備的調(diào)試接口。該系統(tǒng)以Atmel公司的AT91RM9200芯片為核心,以可裁減的μCLinux為操作系統(tǒng),設(shè)計了嵌入式Web服務(wù)器。以此服務(wù)器為基礎(chǔ)結(jié)合CGI技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備遠程調(diào)試器。給出系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),介紹了Boa的移植和配置,并探討了動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計方法。經(jīng)實驗,該系統(tǒng)具備高速、易用、傳輸距離遠和無需上位機軟件等優(yōu)點;為設(shè)備調(diào)試和測控系統(tǒng)提供了一種有效的方案。這里利用嵌入式技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)新型設(shè)備調(diào)試方案,比現(xiàn)有方案更靈活、高效、易用。
關(guān)鍵詞:ARM;Linux;嵌入式系統(tǒng);Web服務(wù)器;Boa;CGl
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)場調(diào)試和維護升級的問題,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,用戶無法靈活地使用設(shè)備。因此需要一種無需專用設(shè)備,方便、易行的設(shè)備調(diào)試方案。隨著計算機技術(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)信息并修正各項參數(shù)。給調(diào)試和維護管理工作帶來很大的方便。同時,該方案也為工程人員實現(xiàn)遠程調(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、簡單的實現(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
為了提高模塊的通用性和方便升級工作,將硬件系統(tǒng)設(shè)計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10/100兆以態(tài)網(wǎng)接口,一個外部擴展總線,兩個RS 232接口和輔助電路。需要時可以方便的以更換主板的方式擴展外設(shè)接口,從而適應(yīng)各種設(shè)備的需要。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
基于操作系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)過程包括:系統(tǒng)準備和應(yīng)用程序開發(fā)。這里運用到網(wǎng)絡(luò)技術(shù).因此首先需要在嵌入式平臺上移植操作系統(tǒng)和Web Sever。其次,運用適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(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)運行的基礎(chǔ),目前已經(jīng)有多種嵌入式操作系統(tǒng)投入實用,例如:Windows CE,Vx-Works,QNX等。[!--empirenews.page--]
由于Linux具有開源、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等特點。故采用μCLinux為操作系統(tǒng)。移植主要包括如下幾個步驟:
(1)運行環(huán)境準備。操作系統(tǒng)運行前需要對硬件初始化,該部分功能由BootLoader完成。該系統(tǒng)采用德國DENX小組開發(fā)的交叉平臺U-Boot.作為Boot-Loader。因此,先準備好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啟動后系統(tǒng)會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自帶的超級終端工具將loader.bin文件、U-Boot文件通過XMODEM協(xié)議發(fā)送到AT91RM9200內(nèi)部的SRAM中。其次,進入U-Boot的人機交互命令模式。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便可進入Linux操作系統(tǒng)。
2.2 嵌入式Web Server的實現(xiàn)
Web Servet是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。目前在μClinux下,主要有3個Web Server:Httpd,Thttpd和Boa.Httpd是最簡單的一個Web Server,它的功能最弱,不支持認證,不支持CGI。Thttpd和Boa都支持認證、CGI等,功能都比較全。為了實現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù),這里選擇實現(xiàn)一個支持CGI且非常適合于嵌入式系統(tǒng)的BoaWeb Server。
Boa是一個單任務(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不對每個進入服務(wù)器的連接開辟進程,更不為處理多路復(fù)用而開辟進程,Boa僅對正在進行的HTTP連接復(fù)用,而且也只為獨立用戶網(wǎng)關(guān)接口CGI開辟進程。測試表明,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下實現(xiàn)Boa,需要對Boa做一些配置和修改。這主要通過對boa.conf和mime.types文件進行修改實現(xiàn)。需要改動的配置有以下幾項:將對應(yīng)項目改為如下狀態(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:
該注釋操作會為黑客人侵留下可能,請慎重選擇。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簡介
到目前為止,實現(xiàn)動態(tài)Web頁面有4種技術(shù)可供選擇:CGI,ASP,PHP和JSP。因為目前μClinux不支持ASP,PHP等動態(tài)Web頁面技術(shù),而且CGI應(yīng)用程序可用大部分高級語言編寫,程序員可以自由選擇自己熟悉的編程語言完成設(shè)計,因此在該設(shè)計中選擇了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)議標準,提供web服務(wù)器一個執(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€外部程序,需要編譯成可執(zhí)行文件,以便在服務(wù)端運行。Web服務(wù)器通過調(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,其工作過程如圖2所示。
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2.3.2 CGI原理
CGI工作原理如下:客戶端的用戶通過瀏覽器完成一定輸入工作后,向服務(wù)器發(fā)出HTTP請求(CGI請求),服務(wù)器守護進程接收到該請求后,就創(chuàng)建一個子進程(CGI進程)。該CGI子進程將CGI請求的有關(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URL指定的CGI程序。子進程通過標準輸出流將處理結(jié)果傳遞給服務(wù)器守護進程,守護進程再將處理結(jié)果作為應(yīng)答消息回送到客戶端。一個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)請求方法的不同,從環(huán)境變量QUERY_STR ING或標準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)頭標內(nèi)容,如消息正文的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度等;生成HTTP響應(yīng)消息正文內(nèi)容,如動態(tài)生成的HTML文件內(nèi)容。
2.3.3 CGI應(yīng)用程序設(shè)計
CGI作為一種接口協(xié)議標準,支持各種編程語言,這選擇常用的C語言編寫應(yīng)用程序。設(shè)備調(diào)試工具需要具備兩個基本功能:能實時顯示相關(guān)參數(shù);能實時修改相關(guān)參數(shù)。由于網(wǎng)頁的刷新會對表單的提交產(chǎn)生干擾,因此用框架將主頁分為兩段,分別調(diào)用子網(wǎng)頁實現(xiàn)實時顯示和實時修改功能。網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)及工作模式如圖3所示。
在顯示參數(shù)時,主頁調(diào)用子頁1,子頁1每3 s調(diào)用1次CGI①,每次調(diào)用時CGI①會向應(yīng)用系統(tǒng)詢問最新參數(shù),并以此為依據(jù)生成動態(tài)網(wǎng)頁回傳給主頁;修改參數(shù)時,用戶在主頁上通過表單提交的數(shù)據(jù)被CGI②解析后傳輸給應(yīng)用程序,同時為了便于操作,CGI②提供查詢功能,以便用戶查詢一組參數(shù)并對所需部分進行修改。其中,網(wǎng)頁與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,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每3 s刷新1次,實時顯示系統(tǒng)參數(shù)。如需修正,則可利用界面下部表單修改對應(yīng)項。
3 結(jié)語
這里采用基于ARM9為核心的AT91 RlM9200芯片為平臺,結(jié)合Linux操作系統(tǒng)和Web Sever,運用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備遠程調(diào)試模塊。該系統(tǒng)已應(yīng)用于船舶VDR系統(tǒng),經(jīng)過測試和實際應(yīng)用,該系統(tǒng)運行良好。為現(xiàn)場調(diào)試提供了一種簡便、高效的方法;同時,該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)連接上位機和設(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)備通過網(wǎng)絡(luò)遠程調(diào)試奠定了基礎(chǔ)。同時,該設(shè)計成功在設(shè)備與用戶間搭建了高效率的人機交流平臺,如在應(yīng)用程序上做適當完善,并設(shè)計相應(yīng)的上位機軟件,系統(tǒng)可升級為網(wǎng)絡(luò)化測控系統(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、操作簡潔和傳輸距離遠等優(yōu)點;為設(shè)備調(diào)試和測控系統(tǒng)提供了一種有效的方案。