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服務器硬件系統(tǒng)的設計方法。分析了通用TCP／IP和HTTP網(wǎng)絡協(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，實現(xiàn)了基于嵌入式Web服務器的基本工業(yè)遠程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：μClinux；S3C4480；Web服務器；嵌入式系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)
0 引言
本文詳細介紹了嵌入式系統(tǒng)各個步驟的實現(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)絡系統(tǒng)的具體設計過程。
1 硬件平臺的設計
硬件平臺的搭建是嵌入式開發(fā)平臺設計的首要任務，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進行外圍器件的選型，設計了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，然后以單元電路為基礎(chǔ)，介紹了原理圖設計的詳細過程。
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，以實現(xiàn)各種擴展功能。本系統(tǒng)選擇三星公司基于ARM7TDMI的S3C4480X微處理器。該芯片可為手持設備及一般嵌入式應用提供一個成本低廉而又功能強大的微控制器解決方案。
1．2 硬件結(jié)構(gòu)設計
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)。
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。它原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領(lǐng)域。
2．1 μClinux移植前的準備
移植μClinux時，首先必須在宿主機上裝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，因為內(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上運行μClinux了。
2．3 內(nèi)核和文件系統(tǒng)配置
在μClinux-Samsung目錄下運行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：
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)所能實現(xiàn)的應用跟這部分的配置很有關(guān)系，下面可進行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，進行開發(fā)調(diào)試這種方式可使得開發(fā)調(diào)試更加方便。
3 嵌入式工控Web服務器的實現(xiàn)
3．1 嵌入式Web服務器的基本實現(xiàn)
嵌入式Web服務器可基于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服務器：httpd、thttpd和Boa。其中httpd是最簡單的一個Web服務器，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。功能都比較齊全。其中boa是一個單任務的http服務器，源代碼開放，性能比較高，占用系統(tǒng)資源也比較少。boa服務器在接收到請求時，不啟動多個服務器進程處理多個請求，而在一個進程內(nèi)處理所有服務請求。為了實現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)，可選擇實現(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語言進行編程，就可以實現(xiàn)動態(tài)WEB。
3．2 boa Web Server的移置
boa是一個單任務的http服務器，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下實現(xiàn)Boa時，需要對Boa做一些配置和修改。boa服務器的核心文件主要有boa．conf和mime．types，本設計主要通過對boa．conf和mime．types文件進行修改來實現(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，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，并進入／μClinux-ams ung／ven-dors／Samsung／S3C44BOX目錄，再在運行腳本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，再下載到目標系統(tǒng)運行。這樣，運行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服務器提供一個執(zhí)行外部程序的通道，這種服務端技術(shù)可使瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序?qū)儆谕獠砍绦?，需要編譯成可執(zhí)行文件才能在服務端運行。瀏覽器可將用戶輸入的數(shù)據(jù)送到Web服務器，Web服務器再將數(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)用時運行。Web服務器將用戶數(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的Web頁。
訪問者可通過CGI程序遠程控制數(shù)碼管(模擬工業(yè)現(xiàn)場的控制)，并顯示相應的數(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)的應用
基于Internet的遠程監(jiān)控有代理方案和嵌入式方案兩種實現(xiàn)方案。兩種實現(xiàn)方案均采用三層B／S體系結(jié)構(gòu)，即表示層、應用邏輯層和數(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)中客戶端程序單獨實現(xiàn)應用邏輯而產(chǎn)生的冗余；應用邏輯可在應用邏輯層上而不是在客戶層上實現(xiàn)。由于表示層與應用邏輯相分離，因而降低了網(wǎng)絡傳送的信息量，使系統(tǒng)具有更高的可伸縮性、可維護性和靈活性。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)場設備均配有微型嵌入式Web服務器，可負責對現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)的交互。該方案的優(yōu)點是實時性強、可靠性高、現(xiàn)場設備的數(shù)量不受限制等。