以ARM7為核心的嵌入式工控網(wǎng)絡(luò )設計

　　引言

　　本文詳細介紹了嵌入式系統各個(gè)步驟的實(shí)現方法及其功能，給出了嵌入式系統的硬件平臺，研究基于A(yíng)RM的μClinux的移植，并介紹了一種嵌入式工控網(wǎng)絡(luò )系統的具體設計過(guò)程。

　　1硬件平臺的設計

　　硬件平臺的搭建是嵌入式開(kāi)發(fā)平臺設計的首要任務(wù)，本文采用比較流行的體系結構，并選擇S3C44BOX作為嵌入式處理器，然后圍繞S3C44BOX進(jìn)行外圍器件的選型，設計了系統的硬件總體結構框圖，然后以單元電路為基礎，介紹了原理圖設計的詳細過(guò)程。

　　1.1系統硬件選型

　　嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器，系統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)現各種擴展功能。本系統選擇三星公司基于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(gè)成本低廉而又功能強大的微控制器解決方案。

　　1.2硬件結構設計

　　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接口和系統擴展接口等單元電路組成，圖1所示是一種基于S3C44BOX開(kāi)發(fā)板的硬件平臺結構框圖。

　　l.3存儲器電路

　　圖2所示為S3C44BOX的地址空間分布圖。S3C44BOX采用統一編址方式，256MB地址空間分成8個(gè)MemoryBANKs，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(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)和物理層(PHY)功能，故能與大多數通用MCU進(jìn)行接口，其較高的性?xún)r(jià)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(gè)可編程的LED輸出可用于顯示RTL8019AS的工作情況。

　　2μClinux系統的移植

　　在μClinux這個(gè)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”。Linux是一種很受歡迎的操作系統，它與UNIX系統兼容，且開(kāi)放源代碼。它原本被設計為桌面系統，現在廣泛應用于服務(wù)器領(lǐng)域。

　　2.1μClinux移植前的準備

　　移植μClinux時(shí)，首先必須在宿主機上裝redhat9.0操作系統，然后在redhat9.0下建立μClinux開(kāi)發(fā)環(huán)境，也可以從http：//www.μClinux.org/處下載μClinux的源代碼和工具包，然后進(jìn)行安裝。

　　2.2內核和文件系統編譯

　　Linux作為一個(gè)自由軟件，其內核版本不斷更新。新的內核修訂了舊內核的bug，并增加了許多新的特性。如果用戶(hù)想要使用這些新特性，或想根據自己的系統度身定制一個(gè)更高效、更穩定的內核，就需要重新編譯內核。

　　由于所使用的flash只有2MB，這對嵌入式Linux系統來(lái)說(shuō)要求比較高，因為內核和文件系統加起來(lái)不能超過(guò)2MB，本文的研發(fā)思路就是把內核和文件系統壓縮在一起，這樣，系統啟動(dòng)的時(shí)候。內核將自動(dòng)解壓縮到SDRAM，然后就可以在SDRAM上運行μClinux了。

　　2.3內核和文件系統配置

　　在μClinux-Samsung目錄下運行makemenueonfig后會(huì )首先出現Configuration啟動(dòng)界面。在Configuration啟動(dòng)界面中選擇TargetPlal-formSelection，通常具有下面幾個(gè)選項：

　　接下來(lái)可配置所需要的內核和文件系統。μClinux的配置分為兩部分，前一部分是通常的Linux內核配置，后一部分是μClinux文件系統配置。下面先進(jìn)行μClinux的內核配置，μClinux的內核配置會(huì )出現μClinux內核配置界面，可根據界面進(jìn)行內核配置。

　　配置完這部分以后，可退出并保存，然后，系統自動(dòng)進(jìn)入下一部分μClinux的文件系統配置。μClinux嵌入式操作系統所能實(shí)現的應用跟這部分的配置很有關(guān)系，下面可進(jìn)行μClinux的文件系統配置部分，以完成μClinux文件系統的配置。

　　μClinux的內核和文件系統配置好后，就可以進(jìn)行內核的編譯。

　　2.4編譯步驟

　　編譯時(shí)，可在μClinux-Samsung目錄下依次運行下列9個(gè)命令：makemenueonfig，makedep，makeclean，makelib_only，makeuser_only，makerotors，makeimage，make，makeimage。

　　運行完以上命令后，就會(huì )在μClinux-Sam-sung的images子目錄下生成三個(gè)文件，其中image.rom和image.ram是我們需要的鏡像文件。image.rom是一個(gè)壓縮的內核，在開(kāi)發(fā)中，筆者把image.rom燒到flash中，并從flash處啟動(dòng)，同時(shí)把image解壓到ram的Ox8000處，然后運行。image.ram是包含有調試信息的內核，可以直接用工具下載到開(kāi)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(kāi)發(fā)調試這種方式可使得開(kāi)發(fā)調試更加方便。

　　3嵌入式工控Web服務(wù)器的實(shí)現

　　3.1嵌入式Web服務(wù)器的基本實(shí)現

　　嵌入式Web服務(wù)器可基于Socket套接字來(lái)開(kāi)發(fā)，它主要由初始化模塊、監聽(tīng)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(gè)Web服務(wù)器：httpd、thttpd和Boa。其中httpd是最簡(jiǎn)單的一個(gè)Web服務(wù)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(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)放，性能比較高，占用系統資源也比較少。boa服務(wù)器在接收到請求時(shí)，不啟動(dòng)多個(gè)服務(wù)器進(jìn)程處理多個(gè)請求，而在一個(gè)進(jìn)程內處理所有服務(wù)請求。為了實(shí)現動(dòng)態(tài)Web技術(shù)，可選擇實(shí)現一個(gè)支持CGI的、非常適合于嵌入式系統的BoaWebServer。然后再通過(guò)CGI用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，就可以實(shí)現動(dòng)態(tài)WEB。

　　3.2boaWebServer的移置

　　boa是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)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Boa時(shí)，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，本設計主要通過(guò)對boa.conf和mime.types文件進(jìn)行修改來(lái)實(shí)現。

　　3.3編譯內核

　　配置過(guò)程完成后，便可重新編譯內核。編譯時(shí)先選中Boa選項，并把編譯好的內核下載到開(kāi)發(fā)板，再啟動(dòng)μClinux，完成IP配置，啟動(dòng)BoaWebServer，然后就可以通過(guò)IE訪(fǎng)問(wèn)你的網(wǎng)頁(yè)了。如果想啟動(dòng)μClinux時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)BoaWebServer，則可修改rc文件，并進(jìn)入/μClinux-amsung/ven-dors/Samsung/S3C44BOX目錄，再在運行腳本rc中增加如下兩行：

　　“ifconfigeth0192.168.1.10

　　boa-c/home/&”

　　修改后，重新編譯內核，再下載到目標系統運行。這樣，運行μClinux后，不需要配置就可以直接通過(guò)IE來(lái)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)了。

　　3.4μClinux下的CGI監控技術(shù)

　　通過(guò)CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)可為Web服務(wù)器提供一個(gè)執行外部程序的通道，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程序屬于外部程序，需要編譯成可執行文件才能在服務(wù)端運行。瀏覽器可將用戶(hù)輸入的數據送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再將數據用STDIN送給CGI程序。在執行CGI程序后，還會(huì )訪(fǎng)問(wèn)存儲數據的一些文檔，最后使用STDOUT輸出HTML形式的結構文件，再經(jīng)Web服務(wù)器送回瀏覽器，即可顯示給用戶(hù)。

　　若CGI程序是本地程序，也需要編譯成可執行文件，以便在被CGI調用時(shí)運行。Web服務(wù)器將用戶(hù)數據傳輸給CGI程序，并重定向CGI程序的輸出到Web頁(yè)，這樣，CGI程序在處理時(shí)，再將數據封裝成HTML形式發(fā)送到輸出，從而在客戶(hù)端看到對應的Web頁(yè)。

　　訪(fǎng)問(wèn)者可通過(guò)CGI程序遠程控制數碼管(模擬工業(yè)現場(chǎng)的控制)，并顯示相應的數字。在CGI程序的編寫(xiě)中，每個(gè)程序的大致框架都比較類(lèi)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(xiě)和控制。

　　3.5嵌入式工業(yè)監控系統的應用

　　基于Internet的遠程監控有代理方案和嵌入式方案兩種實(shí)現方案。兩種實(shí)現方案均采用三層B/S體系結構，即表示層、應用邏輯層和數據層。三層B/S體系結構可避免兩層體系結構中客戶(hù)端程序單獨實(shí)現應用邏輯而產(chǎn)生的冗余;應用邏輯可在應用邏輯層上而不是在客戶(hù)層上實(shí)現。由于表示層與應用邏輯相分離，因而降低了網(wǎng)絡(luò )傳送的信息量，使系統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構如圖6所示。

　　4結束語(yǔ)

　　本文推出的方案對每臺現場(chǎng)設備均配有微型嵌入式Web服務(wù)器，可負責對現場(chǎng)設備進(jìn)行數據采集、數據存儲、數據轉發(fā)以及與監控主機進(jìn)行數據的交互。該方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強、可靠性高、現場(chǎng)設備的數量不受限制等。

linux操作系統文章專(zhuān)題：linux操作系統詳解（linux不再難懂）