以ARM7為核心的嵌入式工控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

摘要：給出了以三星ARM7TDMI CPU為核心，同時嵌入μClinux系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。分析了通用TCP／IP和HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及嵌入式Web原理，給出了基于CGI技術(shù)和socket技術(shù)開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式Web服務(wù)器的基本工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：μClinux；S3C4480；Web服務(wù)器；嵌入式系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
    本文詳細(xì)介紹了嵌入式系統(tǒng)各個步驟的實(shí)現(xiàn)方法及其功能，給出了嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，研究基于ARM的μClinux的移植，并介紹了一種嵌入式工控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體設(shè)計過程。

1 硬件平臺的設(shè)計
    硬件平臺的搭建是嵌入式開發(fā)平臺設(shè)計的首要任務(wù)，本文采用比較流行的體系結(jié)構(gòu)，并選擇S3C44BOX作為嵌入式處理器，然后圍繞S3C4 4BOX進(jìn)行外圍器件的選型，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，然后以單元電路為基礎(chǔ)，介紹了原理圖設(shè)計的詳細(xì)過程。
1．1 系統(tǒng)硬件選型
    嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，系統(tǒng)硬件選型首先是選擇嵌入式處理器，然后圍繞該嵌入式處理器選擇各種外圍芯片，以實(shí)現(xiàn)各種擴(kuò)展功能。本系統(tǒng)選擇三星公司基于ARM7TDMI的S3C4480X微處理器。該芯片可為手持設(shè)備及一般嵌入式應(yīng)用提供一個成本低廉而又功能強(qiáng)大的微控制器解決方案。
1．2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
    硬件平臺主要由電源電路、MCU核心電路、存儲器電路、UART接口、以太網(wǎng)接口、USB接口、LCD接口、RTC和IIC電路、JTAG接口和系統(tǒng)擴(kuò)展接口等單元電路組成，圖1所示是一種基于S3C44BOX開發(fā)板的硬件平臺結(jié)構(gòu)框圖。

l．3 存儲器電路
    圖2所示為S3C44BOX的地址空間分布圖。S3C44BOX采用統(tǒng)一編址方式，256 MB地址空間分成8個Memory BANKs，其中BANK6和BANK7是DRAM空間(DRAM的控制方式與SRAM的不一樣，不能混用)。

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1．4 以太網(wǎng)接口電路
    RTLS019AS芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層(PHY)功能，故能與大多數(shù)通用MCU進(jìn)行接口，其較高的性價比使其成為一款廣泛使用的lOMbps全雙工以太網(wǎng)控制器。
    圖3所示為RTL8019AS與S3C44BOX的連接圖，其中三個可編程的LED輸出可用于顯示RTL8019AS的工作情況。

2 μClinux系統(tǒng)的移植
    在μClinux這個英文單詞中，μ表示Micro，小的意思，C表示Control，控制的意思，所以，μClinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是“針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)”。Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與UNIX系統(tǒng)兼容，且開放源代碼。它原本被設(shè)計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。
2．1 μClinux移植前的準(zhǔn)備
    移植μClinux時，首先必須在宿主機(jī)上裝redhat9．0操作系統(tǒng)，然后在redhat9．0下建立μClinux開發(fā)環(huán)境，也可以從http：／／www.μC linux．org／處下載μClinux的源代碼和工具包，然后進(jìn)行安裝。
2．2 內(nèi)核和文件系統(tǒng)編譯
    Linux作為一個自由軟件，其內(nèi)核版本不斷更新。新的內(nèi)核修訂了舊內(nèi)核的bug，并增加了許多新的特性。如果用戶想要使用這些新特性，或想根據(jù)自己的系統(tǒng)度身定制一個更高效、更穩(wěn)定的內(nèi)核，就需要重新編譯內(nèi)核。
    由于所使用的flash只有2 MB，這對嵌入式Linux系統(tǒng)來說要求比較高，因?yàn)閮?nèi)核和文件系統(tǒng)加起來不能超過2 MB，本文的研發(fā)思路就是把內(nèi)核和文件系統(tǒng)壓縮在一起，這樣，系統(tǒng)啟動的時候。內(nèi)核將自動解壓縮到SDRAM，然后就可以在SDRAM上運(yùn)行μClinux了。
2．3 內(nèi)核和文件系統(tǒng)配置
    在μClinux-Samsung目錄下運(yùn)行make menueonfig后會首先出現(xiàn)Configuration啟動界面。在Configuration啟動界面中選擇Target Plal-form Selection，通常具有下面幾個選項(xiàng)：
    
    接下來可配置所需要的內(nèi)核和文件系統(tǒng)。μClinux的配置分為兩部分，前一部分是通常的Linux內(nèi)核配置，后一部分是μClinux文件系統(tǒng)配置。下面先進(jìn)行μClinux的內(nèi)核配置，μClinux的內(nèi)核配置會出現(xiàn)μClinux內(nèi)核配置界面，可根據(jù)界面進(jìn)行內(nèi)核配置。
    配置完這部分以后，可退出并保存，然后，系統(tǒng)自動進(jìn)入下一部分μClinux的文件系統(tǒng)配置。μClinux嵌入式操作系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用跟這部分的配置很有關(guān)系，下面可進(jìn)行μClinux的文件系統(tǒng)配置部分，以完成μClinux文件系統(tǒng)的配置。
    μClinux的內(nèi)核和文件系統(tǒng)配置好后，就可以進(jìn)行內(nèi)核的編譯。
2．4 編譯步驟
    編譯時，可在μClinux-Samsung目錄下依次運(yùn)行下列9個命令：make menueonfig，make dep，make clean，make lib_only，make user_ only，make rotors，make image，make，make image。
    運(yùn)行完以上命令后，就會在μClinux-Sam-sung的images子目錄下生成三個文件，其中image．rom和image．ram是我們需要的鏡像文件。  image．rom是一個壓縮的內(nèi)核，在開發(fā)中，筆者把image．rom燒到flash中，并從flash處啟動，同時把image解壓到ram的Ox8000處，然后運(yùn)行。image．ram是包含有調(diào)試信息的內(nèi)核，可以直接用工具下載到開發(fā)板的ram中，比如用ICE直接把image．ram放到ram地址為Ox8000的地方，進(jìn)行開發(fā)調(diào)試這種方式可使得開發(fā)調(diào)試更加方便。[!--empirenews.page--]

3 嵌入式工控Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
3．1 嵌入式Web服務(wù)器的基本實(shí)現(xiàn)
    嵌入式Web服務(wù)器可基于Socket套接字來開發(fā)，它主要由初始化模塊、監(jiān)聽模塊、請求解析模塊、腳本引擎模塊、輸出模塊和命令模塊等組成，各模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

    μClinux下主要有三個Web服務(wù)器：httpd、thttpd和Boa。其中httpd是最簡單的一個Web服務(wù)器，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。功能都比較齊全。其中boa是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放，性能比較高，占用系統(tǒng)資源也比較少。boa服務(wù)器在接收到請求時，不啟動多個服務(wù)器進(jìn)程處理多個請求，而在一個進(jìn)程內(nèi)處理所有服務(wù)請求。為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)，可選擇實(shí)現(xiàn)一個支持CGI的、非常適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa WebServer。然后再通過CGI用C語言進(jìn)行編程，就可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)WEB。
3．2 boa Web Server的移置
    boa是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放、性能高。目前，μC1inux的代碼中已經(jīng)包含boa的源代碼。在μClinux下實(shí)現(xiàn)Boa時，需要對Boa做一些配置和修改。boa服務(wù)器的核心文件主要有boa．conf和mime．types，本設(shè)計主要通過對boa．conf和mime．types文件進(jìn)行修改來實(shí)現(xiàn)。
3．3 編譯內(nèi)核
    配置過程完成后，便可重新編譯內(nèi)核。編譯時先選中Boa選項(xiàng)，并把編譯好的內(nèi)核下載到開發(fā)板，再啟動μClinux，完成IP配置，啟動BoaWeb Server，然后就可以通過IE訪問你的網(wǎng)頁了。如果想啟動μClinux時自動啟動Boa Web Server，則可修改rc文件，并進(jìn)入／μClinux-ams ung／ven-dors／Samsung／S3C44BOX目錄，再在運(yùn)行腳本rc中增加如下兩行：
    “ifconfig eth0 192．168．1．10
    boa-c／home／&”
    修改后，重新編譯內(nèi)核，再下載到目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行。這樣，運(yùn)行μClinux后，不需要配置就可以直接通過IE來訪問網(wǎng)頁了。
3．4 μClinux下的CGI監(jiān)控技術(shù)
    通過CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)可為Web服務(wù)器提供一個執(zhí)行外部程序的通道，這種服務(wù)端技術(shù)可使瀏覽器和服務(wù)器之間具有交互性。CGI程序?qū)儆谕獠砍绦?，需要編譯成可執(zhí)行文件才能在服務(wù)端運(yùn)行。瀏覽器可將用戶輸入的數(shù)據(jù)送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再將數(shù)據(jù)用STDIN送給CGI程序。在執(zhí)行CGI程序后，還會訪問存儲數(shù)據(jù)的一些文檔，最后使用STDOUT輸出HTML形式的結(jié)構(gòu)文件，再經(jīng)Web服務(wù)器送回瀏覽器，即可顯示給用戶。
    若CGI程序是本地程序，也需要編譯成可執(zhí)行文件，以便在被CGI調(diào)用時運(yùn)行。Web服務(wù)器將用戶數(shù)據(jù)傳輸給CGI程序，并重定向CGI程序的輸出到Web頁，這樣，CGI程序在處理時，再將數(shù)據(jù)封裝成HTML形式發(fā)送到輸出，從而在客戶端看到對應(yīng)的Web頁。
    訪問者可通過CGI程序遠(yuǎn)程控制數(shù)碼管(模擬工業(yè)現(xiàn)場的控制)，并顯示相應(yīng)的數(shù)字。在CGI程序的編寫中，每個程序的大致框架都比較類同，其CGI程序流程如圖5所示，它主要是遵循HTTP協(xié)議的通訊。也包括對輸入輸出的讀寫和控制。

3．5 嵌入式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
    基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控有代理方案和嵌入式方案兩種實(shí)現(xiàn)方案。兩種實(shí)現(xiàn)方案均采用三層B／S體系結(jié)構(gòu)，即表示層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層。三層B／S體系結(jié)構(gòu)可避免兩層體系結(jié)構(gòu)中客戶端程序單獨(dú)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邏輯而產(chǎn)生的冗余；應(yīng)用邏輯可在應(yīng)用邏輯層上而不是在客戶層上實(shí)現(xiàn)。由于表示層與應(yīng)用邏輯相分離，因而降低了網(wǎng)絡(luò)傳送的信息量，使系統(tǒng)具有更高的可伸縮性、可維護(hù)性和靈活性。本文討論的嵌入式方案的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 結(jié)束語
    本文推出的方案對每臺現(xiàn)場設(shè)備均配有微型嵌入式Web服務(wù)器，可負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。該方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高、現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量不受限制等。