畢業(yè)論文-基于ARM的嵌入式WEB服務(wù)器研究

1、基于ARM的嵌入式WEB服務(wù)器研究摘要本文主要研究基于 ARM 的Linux 的嵌入式 Web 服務(wù)器的構(gòu)建及應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的信息化產(chǎn)品需要接入互聯(lián)網(wǎng)并通過(guò)Web 頁(yè)面進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制， 嵌入式Web服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)在各種工業(yè)監(jiān)控、檢測(cè)、以及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域的遠(yuǎn)程控制，世界上無(wú)論任何地方，只要是存在Internet網(wǎng)絡(luò)，都能夠通過(guò)Web服務(wù)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理，甚至可以在有網(wǎng)絡(luò)的手持設(shè)備上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制管理操作。嵌入式 Web 服務(wù)器已經(jīng)成為了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文通過(guò)描述嵌入式系統(tǒng)的整體架構(gòu)、特點(diǎn)及發(fā)展；對(duì)嵌入式主流處理器ARM的體系結(jié)構(gòu)和基于ARM9的S3

2、C2410處理器的性能和特點(diǎn)進(jìn)行分析研究；詳細(xì)描述了嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建過(guò)程：包括對(duì)bootloader的分析和移植，Linux26內(nèi)核的結(jié)構(gòu)分析、代碼修改以及內(nèi)核裁減、配置和移植，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 最后基于上述搭建的平臺(tái)來(lái)構(gòu)建Boa服務(wù)器，并在Boa服務(wù)器下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。通過(guò)開(kāi)發(fā)基于Boa嵌入式Web服務(wù)器的服務(wù)器端表單處理程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與開(kāi)發(fā)板的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)交互功能，并且，通過(guò)PC機(jī)上的瀏覽器程序可以直接控制開(kāi)發(fā)板上的軟硬件資源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)板的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng)，ARM,Linux,Boa,CGI緒論1.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)（Embedded sy

3、stem），是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用 HYPERLINK /view/3314.htm t _blank 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與 HYPERLINK /view/920814.htm t _blank 個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用 HYPERLINK /view/3314.htm t _blank 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常用于執(zhí)行帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個(gè)或幾個(gè)預(yù)先編程好以用

4、來(lái)執(zhí)行少數(shù)幾項(xiàng)任務(wù)的 HYPERLINK /view/1125.htm t _blank 微處理器或者 HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機(jī)組成。與通用計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行用戶(hù)選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時(shí)不變的；所以經(jīng)常稱(chēng)為“ HYPERLINK /view/33738.htm t _blank 固件”。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以 HYPERLINK /view/62176.htm t _blank 計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、 HYPERLINK /view/720038.htm

5、 t _blank 功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此可以這樣理解上述三個(gè)面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專(zhuān)用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng) HYPERLINK /view/195818.htm t _blank 需求進(jìn)行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的 HYPERLINK /view/62176.htm t _blank 計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)

6、必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K HYPERLINK /view/928365.htm t _blank 微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。 1.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)是屬于專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，它具有一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的共性，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由 HYPERLINK /view/4353330.htm t _blank 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組

7、成。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。嵌入式系統(tǒng)硬件是嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，它提供了嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行的物理平臺(tái)和通信接口。嵌入式系統(tǒng)軟件主要包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件，它們是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，提供人機(jī)交互信息等。執(zhí)行裝置也稱(chēng)為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。1 嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就

8、構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。不同于普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，嵌入式系統(tǒng)是屬于特制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中嵌入式系統(tǒng)的硬件組成非常簡(jiǎn)單，除了微型處理器和基本外圍電路外，其余的電路都可以根據(jù)需要和成本進(jìn)行裁剪、定制，非常經(jīng)濟(jì)、可靠。隨著片上系統(tǒng)（System on Chip）技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的外設(shè)可以集成到片上（處理器芯片內(nèi)部） ，進(jìn)一步降低了嵌入式系統(tǒng)硬件成本。2嵌入式系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序時(shí)，可以不使用操作系統(tǒng)（Operating System），但在設(shè)計(jì)較復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí)，可能就需要一個(gè)OS來(lái)管理和控制內(nèi)存、多任務(wù)、周邊資源等

9、。根據(jù)系統(tǒng)所提供的程序界面來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序，可以大大減少應(yīng)用程序員的負(fù)擔(dān)。 對(duì)于使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)一般包括四個(gè)層次：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序接口API層、實(shí)際應(yīng)用程序?qū)印Ｓ捎谟布娐返目刹眉粜院颓度胧较到y(tǒng)本身的特點(diǎn)，其軟件部分也是可裁剪的。 （1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)層 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，使用任何外部設(shè)備都需要有與之相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序支持，它只為上層軟件提供設(shè)備的操作接口，上層軟件不會(huì)理會(huì)設(shè)備內(nèi)部的具體操作，只需調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)層程序提供的接口即可。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層程序一般包括硬件抽象層HAL、板級(jí)支持包BSP和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 （2）操作系統(tǒng)層 對(duì)于

10、使用操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)而言， 操作系統(tǒng)一般以?xún)?nèi)核映像的形式下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。操作系統(tǒng)內(nèi)核中通常必需的基本部件是進(jìn)程管理、進(jìn)程間通信和內(nèi)存管理，其它部件，如文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，可以根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行配置，并以相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)。嵌入式操作系統(tǒng)屏蔽了底層硬件差異，同時(shí)向上層應(yīng)用提供編程接口。嵌入式系統(tǒng)通常對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有要求，因此，嵌入式系統(tǒng)中使用的操作系統(tǒng)一般為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 （3）應(yīng)用程序接口 API 應(yīng)用程序接口 API 是一系列復(fù)雜函數(shù)、消息和結(jié)構(gòu)的集合體。嵌入式操作系統(tǒng)中的API 和通用操作系統(tǒng)中的API 在功能、含義及知識(shí)體系上完全一致。 可以這樣理解API（Applicati

11、on Programming Interface）：“計(jì)算機(jī) HYPERLINK /wiki/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F o 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)（Operating system）或 HYPERLINK /wiki/%E5%87%BD%E5%BC%8F%E5%BA%AB o 庫(kù) 程序庫(kù)提供給應(yīng)用程序調(diào)用使用的代碼”。其主要目的是讓?xiě)?yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員得以調(diào)用一組 HYPERLINK /wiki/%E5%87%BD%E6%95%B0_(%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%A7%91%E5%AD%A6) o 函數(shù) (計(jì)算機(jī)科學(xué))

12、例程功能，而無(wú)須考慮其底層的源代碼為何、或理解其內(nèi)部工作機(jī)制的細(xì)節(jié)。API本身是 HYPERLINK /w/index.php?title=%E6%8A%BD%E8%B1%A1_(%E8%A8%88%E7%AE%97%E6%A9%9F%E7%A7%91%E5%AD%B8)&action=edit&redlink=1 o 抽象 (計(jì)算機(jī)科學(xué))（頁(yè)面不存在） 抽象的，它僅定義了一個(gè) HYPERLINK /wiki/%E4%BB%8B%E9%9D%A2_(%E9%9B%BB%E8%85%A6%E7%A7%91%E5%AD%B8) o 接口 (計(jì)算機(jī)科學(xué)) 接口，而不涉入應(yīng)用程序如何實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。這就為

13、減輕了軟件人員在編制應(yīng)用程序的負(fù)擔(dān)，編程人員不再需要為每種可通過(guò)硬件或外設(shè)執(zhí)行的功能重新編制程序，只需要調(diào)用系統(tǒng)或某些硬件事先提供的應(yīng)用程序接口即可完成功能的執(zhí)行。因此，在操作系統(tǒng)中提供標(biāo)準(zhǔn)的API 函數(shù)，可以加快用戶(hù)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，建立統(tǒng)一應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，也為操作系統(tǒng)版本的升級(jí)帶來(lái)了便利。在 API函數(shù)中提供了大量常用函數(shù)模塊，可大大簡(jiǎn)化用戶(hù)應(yīng)用程序的編寫(xiě)。 （4）應(yīng)用程序 實(shí)際的嵌入式應(yīng)用軟件是建立在Linux系統(tǒng)提供的API 基礎(chǔ)之上， 應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)提供 API 函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的具體功能。在用戶(hù)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要根據(jù)系統(tǒng)的功能進(jìn)行任務(wù)劃分，不同功能對(duì)應(yīng)

14、不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，各個(gè)任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行以完成具體的功能， 任務(wù)之間的協(xié)調(diào)主要依賴(lài)于操作系統(tǒng)提供的信號(hào)量、互斥信號(hào)量、消息郵箱和消息隊(duì)列等任務(wù)通信和同步機(jī)制。 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)是嵌入式軟件編程的主要任務(wù)。1.2嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展隨著信息化,智能化,網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展, HYPERLINK /CAT-310011-qianrushixitong.html o 嵌入式 t _blank 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛地滲透到工程設(shè)計(jì)、科學(xué)研究等各類(lèi)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化以及人們的日常生活等各個(gè)方面。隨著國(guó)內(nèi)外各種智能嵌入式產(chǎn)品的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)和人們的生活越來(lái)越緊密，并取得了巨大發(fā)展。

15、以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命；同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，特別是軟件技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力；同時(shí)還采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。嵌入式系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出以下的發(fā)展趨勢(shì)。1.聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì) 為適應(yīng)嵌入式 HYPERLINK /wiki/%E5%88%86%E5%B8%83%E5%A4%84%E7%90%86 o 分布處理 t _blank 分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

16、上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對(duì)外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口,相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持。2. 支持小型電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小尺寸、微功耗和低成本 為滿足這種特性，要求嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者相應(yīng)降低處理器的性能，限制內(nèi)存容量和復(fù)用接口芯片。這就相應(yīng)提高了對(duì) HYPERLINK /wiki/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E8%AE%BE%E8%AE%A1 o 嵌入式軟件設(shè)計(jì) t _blank 嵌入式軟件設(shè)計(jì)技術(shù)要求。如，選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，采用Java編程模式，優(yōu)化編譯器性

17、能。因此，既要軟件人員有豐富經(jīng)驗(yàn)，更需要發(fā)展先進(jìn) HYPERLINK /wiki/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E6%8A%80%E6%9C%AF o 嵌入式軟件技術(shù) 嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web和WAP等。3. 提供精巧的多媒體人機(jī)界面嵌入式設(shè)備之所以為億萬(wàn)用戶(hù)樂(lè)于接受，重要因素之一是它們與使用者之間的親和力，自然的人機(jī)交互界面，如司機(jī)操縱高度自動(dòng)化的汽車(chē)主要還是通過(guò)習(xí)慣的方向盤(pán)、腳踏板和操縱桿。人們與信息終端交互要求以GUI屏幕為中心的多媒體界面。手寫(xiě)文字輸入、語(yǔ)音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。目

18、前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但離掌式語(yǔ)言同聲翻譯還有很大距離。1.3 Web 服務(wù)器與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。廣義講，凡是帶有微處理器的專(zhuān)用軟硬件系統(tǒng)都可以稱(chēng)為嵌入式系統(tǒng)。所謂嵌入式設(shè)備，是指具有 HYPERLINK javascript:linkredwin(計(jì)算機(jī)功能); o 計(jì)算機(jī)功能 計(jì)算機(jī)功能，但又不稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材，幾乎包括了我們周期的所有電路設(shè)備：PDA、手機(jī)機(jī)頂盒、汽車(chē)、微波爐、電梯、安全系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、醫(yī)療儀器、自動(dòng)取款機(jī)等。嵌入式系統(tǒng)可以通過(guò)各種無(wú)線形式（如WAP、Blue

19、Tooth等）和有線形式（TCP/IP、PPP等）的網(wǎng)絡(luò)連接方式實(shí)現(xiàn)它們之間的相互連接，因此，在網(wǎng)絡(luò)通信市場(chǎng)上極具生命力?，F(xiàn)在人們對(duì)Internet應(yīng)用的依賴(lài)程序日漸增加，也促進(jìn)了 HYPERLINK /wiki/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E6%8A%80%E6%9C%AF o 嵌入式技術(shù) 嵌入式技術(shù)的增長(zhǎng)。對(duì)于嵌入式Web服務(wù)器的研究和應(yīng)用，其意義是重大的。它為我們管理、控制和監(jiān)測(cè)各種各樣設(shè)備提供了一個(gè)很好的途徑。這種設(shè)備可以是具有有限內(nèi)存資源的8位或16位系統(tǒng)，已足夠提供一個(gè) HYPERLINK /wiki/%E7%94%A8%E6%88%B7%E7%95%8

20、C%E9%9D%A2 o 用戶(hù)界面 t _blank 用戶(hù)界面，而且這種方式是基于Internet的。這種設(shè)備可以在世界任何一個(gè)地方，只要它連入Internet就能夠控制它。隨著嵌入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，Web服務(wù)器將會(huì)支持更多的功能，得到更廣泛的應(yīng)用。為了通過(guò) Internet 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，一般采用的方法在嵌入式系統(tǒng)中構(gòu)建 Web服務(wù)器。嵌入式 Web 服務(wù)器建立在系統(tǒng)應(yīng)用層之上，它的主體是一組實(shí)現(xiàn)超文本傳輸協(xié)議 （Hypertext Transfer Protocol， HTTP）、安全套接層協(xié)議（Secure Socket Layer， SSL）、通用網(wǎng)關(guān)接口（Common Gate Interface，CGI）等標(biāo)準(zhǔn)的組件包。上層應(yīng)用程序通過(guò)它實(shí)現(xiàn)界面友好的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)和功能調(diào)用。它采用Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）的應(yīng)用模式。Web 服務(wù)器駐留程序調(diào)用這些組件響應(yīng) HTTP 請(qǐng)求，以 Web 頁(yè)面的形式向客戶(hù)端瀏覽器提供數(shù)據(jù)瀏覽功能； 通過(guò)應(yīng)用程序使客戶(hù)端方便的進(jìn)行服務(wù)器端數(shù)據(jù)