周麗麗

摘要：提出基于ARM9和Linux嵌入Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方案，介紹了基于S3C2410處理器嵌入式Web服務(wù)器的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)搭建嵌入式交叉編譯環(huán)境，移植BootLoader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、Boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，給出了嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口CGI，成功實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：S3C2410處理器；Linux；Web 服務(wù)器；BOA 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-1966-03

嵌入式系統(tǒng)具有功能特定、規(guī)模可變、擴(kuò)展靈活、有一定的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性、系統(tǒng)式內(nèi)核比較小等特點(diǎn)。隨著Internet技術(shù)持續(xù)發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品的上網(wǎng)被寄予厚望。然而，以TCP/IP協(xié)議為核心的網(wǎng)絡(luò)軟件對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度、內(nèi)存空間要求相對(duì)較高。由于早期的CPU和單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)中的主體，運(yùn)算能力有限，速度很慢，內(nèi)存空間有限，硬件上的限制阻礙了網(wǎng)絡(luò)的嵌入式應(yīng)用。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)硬件特別是CPU的發(fā)展得到很大幅度的提升，已經(jīng)可以將操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議軟件以及相應(yīng)的應(yīng)用軟件存放在以Flash為主的存儲(chǔ)器中。操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議軟件隨著Linux的普及揭開(kāi)了神秘的面紗，嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從技術(shù)上來(lái)講，嵌入式產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化有多種方式。比如：有的是通過(guò)專(zhuān)門(mén)Webserver實(shí)現(xiàn)，有的是通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)連接，也有的是在嵌入式產(chǎn)品中擴(kuò)展傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)本身的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)Webserver功能。前兩種方案構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)的功能也比較單一，所以本文重在闡述后者，也即基于Linux的嵌入式Webserver系統(tǒng)的構(gòu)建（硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1）。

該系統(tǒng)主要由S3C2410處理器、Flash存儲(chǔ)器、SDRAM、JTAG接口電路和時(shí)鐘、復(fù)位、電源電路組成，通過(guò)專(zhuān)用以太網(wǎng)接口電路連接以太網(wǎng)，并通過(guò)RS232接口電路與PC電腦相連。其中核心處理器S3C2410采用Samsung公司生產(chǎn)的一款基于32位ARM核的RISC嵌入式處理器核，該處理?yè)碛歇?dú)立的16KB數(shù)據(jù)Cache和16KB指令Cache，SD主機(jī)和MMC接口，NAND閃存控制器，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，采用272-FBGA芯片封裝，最高頻率可運(yùn)行在203MHz。

2 開(kāi)發(fā)環(huán)境Linux平臺(tái)建立

ARM Linux開(kāi)發(fā)首先要有ARM Linux編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境，常見(jiàn)做法是采用所謂“虛擬開(kāi)發(fā)環(huán)境”方式。也就是主機(jī)使用Windows操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)安裝Linux系統(tǒng)，然后在虛擬機(jī)上建立ARM Linux編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境。虛擬機(jī)搭建工具可以使用WMware WorkStation，它的完整使用過(guò)程大體分為：建立一個(gè)新的虛擬機(jī)、配置安裝好的虛擬機(jī)、配置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分。

2.1 虛擬機(jī)建立

建立虛擬機(jī)的操作并不復(fù)雜，打開(kāi)VMware軟件環(huán)境，按照向?qū)崾局鸩讲僮鳎敝两Y(jié)束，就可以順利完成全部過(guò)程。具體操作如下：首先啟動(dòng)VMware WorkStation 軟件，單擊【File】→ 【New】→【Virtual Machine】選項(xiàng)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)VMware安裝向?qū)Т翱冢ㄒ?jiàn)圖2）。依指引操作，直至出現(xiàn)虛擬機(jī)相關(guān)參數(shù)的界面（見(jiàn)圖3），單擊【Finish】按鈕，這時(shí)候就已經(jīng)建立完成一個(gè)虛擬機(jī)了。

2.2 虛擬機(jī)配置

虛擬機(jī)配置是指對(duì)虛擬機(jī)的硬盤(pán)大小、內(nèi)存容量和網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改的過(guò)程，虛擬機(jī)安裝完成之后，就可以進(jìn)行虛擬機(jī)配置。具體單擊“Edit virtual machine settings”，開(kāi)始進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以對(duì)虛擬機(jī)的Devices進(jìn)行配置（見(jiàn)圖4）。

2.3 配置網(wǎng)絡(luò)

配置虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)也就是搭建Linux編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境，它主要完成三大目標(biāo)任務(wù)。一是目標(biāo)板通過(guò)NFS協(xié)議掛接到服務(wù)器的開(kāi)發(fā)目錄下，二是開(kāi)發(fā)終端通過(guò)串口監(jiān)視目標(biāo)程序的運(yùn)行，三是利用Samba服務(wù)器的開(kāi)發(fā)目錄映射到終端的一個(gè)本地目錄。完成Linux編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建主要包括準(zhǔn)備源文件、搭建工作目錄、創(chuàng)建系統(tǒng)變量、創(chuàng)建binutils、編譯內(nèi)核以及創(chuàng)建boot-trap gcc、gblic、GCC和G++等過(guò)程。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Boot Loader移植

當(dāng)前比較流行的Boot Loader是由韓國(guó)Mizi公司開(kāi)發(fā)的Vivi，它針對(duì)ARM9處理器設(shè)計(jì)，提供比較完備的命令體系，操作起來(lái)十分方便。該文即以Vivi為例來(lái)說(shuō)明Boot Loader的移植過(guò)程。

Vivi在通常情況下有兩種工作模式。第一種是啟動(dòng)加載模式，也稱(chēng)為自主模式，是 BootLoader的常規(guī)工作模式。這個(gè)過(guò)程不需要用戶(hù)介入，Boot Loader自動(dòng)從目標(biāo)機(jī)上將操作系統(tǒng)加載到存儲(chǔ)器中運(yùn)行。第二種被稱(chēng)為下載模式，此時(shí)BootLoader會(huì)向用戶(hù)提供一個(gè)命令行接口，目標(biāo)機(jī)通過(guò)串口從主機(jī)下載文件。

Vivi既可實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM920T內(nèi)核的支持，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)S3C2410板級(jí)的驅(qū)動(dòng)支持，移植過(guò)程并不復(fù)雜。一般要求先下載和安裝源碼包，然后根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)、Linux系統(tǒng)版本及編譯工具修改源文件即可，具體包括以下幾個(gè)步驟：一是進(jìn)行Vivi中與軟件相關(guān)的修改，二是進(jìn)行Vivi中與硬件有關(guān)的初始化，三是進(jìn)行一些支持Nor Flash和Nang Flash啟動(dòng)的修改。

3.2 內(nèi)核系統(tǒng)移植

在完成Boot Loader移植之后，就要開(kāi)始內(nèi)核的移植。Linux內(nèi)核源碼的頂層是usr/src/linux目錄，在此目錄下可以看到大量子目錄。比如存放體系結(jié)構(gòu)相關(guān)核心代碼的arch 目錄，存放用來(lái)重構(gòu)核心大文件的include目錄，存放內(nèi)核初始化代碼的init目錄，存放體系結(jié)構(gòu)特有內(nèi)存管理程序的mm目錄以及drivers目錄、ipc目錄、modules目錄、fs目錄等。

ARM Linux內(nèi)核的移植，主要有以下幾個(gè)步驟。第一，下載和安裝內(nèi)核源代碼包；第二，下載內(nèi)核補(bǔ)丁程序；第三，內(nèi)核裁剪，并根據(jù)硬件系統(tǒng)的要求修改內(nèi)核，選擇或編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序；第四，編譯并最終生成映像文件。由于不同ARM處理器的內(nèi)核版本不一定相同，所以在移植之前，需要首先選擇一個(gè)適合處理器的內(nèi)核。本系統(tǒng)選用具有S3C2410的Linux-2.6.14內(nèi)核，移植過(guò)程首先是去官方網(wǎng)站下載Linux-2.6.14內(nèi)核，并通過(guò)命令：tarjxvfhnux一2.6.14.tar.bzZ解壓內(nèi)核。接下來(lái)修改makefile文件，主要是修改和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。然后進(jìn)行內(nèi)核編譯，根據(jù)makefile文件的指示，使用make menuconfig：進(jìn)行菜單式配置，組織內(nèi)核各模塊間的關(guān)系，記錄各模塊間的聯(lián)系。

3.3 根文件系統(tǒng)cramfs移植

根文件系統(tǒng)的移植，是嵌入式系統(tǒng)移植的重要內(nèi)容。只有順利完成根文件系統(tǒng)的掛載，嵌入式系統(tǒng)移植才能宣告完成。根文件系統(tǒng)移植一般包括以下步驟：第一，建立文件系統(tǒng)基本目錄結(jié)構(gòu)。最頂端的稱(chēng)為根目錄/，其它目錄和文件樹(shù)根向下分支，如用于存儲(chǔ)二進(jìn)制文件的/bin目錄、存儲(chǔ)管理系統(tǒng)二進(jìn)制文件的/sbin目錄等。第二，復(fù)制基本文件到/sbin目錄。其中最重要的就是init程序，它是保障系統(tǒng)和運(yùn)行的最基本程序，必不可少。此外還包括執(zhí)行進(jìn)程初始化文件/Linuxrc、調(diào)用程序配置網(wǎng)絡(luò)的/mnt/etc/init.d/rcS文件等。第三，配置系統(tǒng)用戶(hù)，保證只有通過(guò)設(shè)置的特定組的特定用戶(hù)才能合法使用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性。第四，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需要，添加相關(guān)應(yīng)用程序和系統(tǒng)設(shè)備文件。

嵌入式系統(tǒng)有多個(gè)根文件系統(tǒng)可供選擇，其中Cramfs 是Linus Torvalds開(kāi)發(fā)的一個(gè)具備嵌入式系統(tǒng)基本特性的文件系統(tǒng)。它是只讀的，可以做到高效隨機(jī)讀取，不會(huì)降低系統(tǒng)速度，所以在各種根文件系統(tǒng)中是個(gè)較好的選擇。cramfs移植首先是把/usr目錄下的全部?jī)?nèi)容制成一個(gè)cramfs的Image文件，再把這個(gè)Image文件mount上來(lái)，然后通過(guò)loopback設(shè)備來(lái)完成block設(shè)備任務(wù)，也就是在/etc/init.d/rcS腳本前面部分加上mount命令，經(jīng)由loopback設(shè)備把這個(gè)cramfs的image文件mount到/usr目錄上去。最后生成目錄樹(shù)映像文件，根文件系統(tǒng)cramfs也就基本建成了。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與集成

嵌入式Linux系統(tǒng)主要有三個(gè)Web服務(wù)器，即httpd、thttpd和boa。其中httpd支持超文本協(xié)議，thttpd提供HTTP和簡(jiǎn)單的CGI支持。本系統(tǒng)選擇boa Web服務(wù)器，它小巧高效，支持CGI，源代碼開(kāi)放，非常適合嵌入式系統(tǒng)。實(shí)際安裝時(shí)，把index.html放置在/etc/boa/web，用C語(yǔ)言編寫(xiě)CGI程序，名為httpRpmCgi.c。程序通過(guò)httpRpmCgi4Nvs （HTTP_REQ_ID reqId） 對(duì)CGI參數(shù)要進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，如+變成空格等，找出retpage參數(shù)，用httpGetEnv（“QUERY_STRING”）獲得數(shù)據(jù)，再通過(guò)arm-Linux-gcc進(jìn)行交叉編譯，將得到的可執(zhí)行文件httpRpmCgi.cgi拷貝到主機(jī)的/etc/boa/cgi-bin，然后用ifconfig設(shè)置目標(biāo)板ip地址為192.168.3.26。啟動(dòng)Boa服務(wù)器，在瀏覽器地址欄輸入http：// 192.168.3.26/ cgi-bin/httpRpmCgi.cgi，即可看到默認(rèn)頁(yè)面。至此，CGI腳本測(cè)試通過(guò)，嵌入式WebServer移植成功。

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