基于ARM＆Linux的嵌人式設備遠程調(diào)試模塊設計

摘 要：提供一種方便、高效的設備調(diào)試方案，即利用嵌入式技術采用網(wǎng)口替代常用的串行接口、IJSB接口等作為設備的調(diào)試接口。該系統(tǒng)以Atmel公司的AT91RM9200芯片為核心，以可裁減的μCLinux為操作系統(tǒng)，設計了嵌入式Web服務器。以此服務器為基礎結合CGI技術實現(xiàn)設備遠程調(diào)試器。給出系統(tǒng)硬件結構，介紹了Boa的移植和配置，并探討了動態(tài)網(wǎng)頁的設計方法。經(jīng)實驗，該系統(tǒng)具備高速、易用、傳輸距離遠和無需上位機軟件等優(yōu)點；為設備調(diào)試和測控系統(tǒng)提供了一種有效的方案。這里利用嵌入式技術結合網(wǎng)絡技術實現(xiàn)新型設備調(diào)試方案，比現(xiàn)有方案更靈活、高效、易用。
關鍵詞：ARM；Linux；嵌入式系統(tǒng)；Web服務器；Boa；CGl

0 引 言
    目前，大多數(shù)的工業(yè)設備都有專用的調(diào)試接口和調(diào)試軟件，這種方式能有效解決系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試和維護升級的問題，但也有一些弊端。首先，依賴專用的調(diào)試軟件，隨著產(chǎn)品的豐富，調(diào)試軟件的版本也隨之增加，從而工程人員需要面對軟件匹配的麻煩；其次，專用的調(diào)試接口和配備專用的調(diào)試軟件需要專業(yè)人員操作，用戶無法靈活地使用設備。因此需要一種無需專用設備，方便、易行的設備調(diào)試方案。隨著計算機技術的發(fā)展，以ARM為代表的微處理器的性能得到極大的提高，從而提高了嵌入式系統(tǒng)的性能，應用范圍也更加廣闊；而網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使得B／S(客戶端／服務器)模式成為一種潮流。這兩者的結合便為設備的現(xiàn)場調(diào)試方式提供了新的方案。工程人員只需要連接Internet的設備并安裝瀏覽器，即可方便地查閱設備的相關信息并修正各項參數(shù)。給調(diào)試和維護管理工作帶來很大的方便。同時，該方案也為工程人員實現(xiàn)遠程調(diào)試提供了可能。這里提出的基于ARM&Linux的嵌入式設備遠程調(diào)試模塊以ARM_AT91RM9200為核心，以可裁減、可移植的μCLinux為操作系統(tǒng)，為嵌入式系統(tǒng)的Internet接人提供了一種方便、快捷、簡單的實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)硬件設計
    為了提高模塊的通用性和方便升級工作，將硬件系統(tǒng)設計為由核心板和主板組成，結構如圖1所示。核心板設有CPU和128 MB的SDRAM，4 MB NORFLASH和輔助電路；主板設有各種接口，如：一個10／100兆以態(tài)網(wǎng)接口，一個外部擴展總線，兩個RS 232接口和輔助電路。需要時可以方便的以更換主板的方式擴展外設接口，從而適應各種設備的需要。

2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
    基于操作系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)過程包括：系統(tǒng)準備和應用程序開發(fā)。這里運用到網(wǎng)絡技術．因此首先需要在嵌入式平臺上移植操作系統(tǒng)和Web Sever。其次，運用適當?shù)木W(wǎng)絡技術實現(xiàn)調(diào)試功能。
2．1 Linux操作系統(tǒng)移植
    操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)運行的基礎，目前已經(jīng)有多種嵌入式操作系統(tǒng)投入實用，例如：Windows CE，Vx-Works，QNX等。[!--empirenews.page--]
    由于Linux具有開源、技術成熟、應用廣泛等特點。故采用μCLinux為操作系統(tǒng)。移植主要包括如下幾個步驟：
    (1)運行環(huán)境準備。操作系統(tǒng)運行前需要對硬件初始化，該部分功能由BootLoader完成。該系統(tǒng)采用德國DENX小組開發(fā)的交叉平臺U-Boot．作為Boot-Loader。因此，先準備好ARM芯片的loader．bin文件和U-Boot文件。
    (2)內(nèi)核配置。首先下載μCLinux源代碼，并配置Linux內(nèi)核，在Networking option以及Network de-vice support中選擇支持TCP／IP協(xié)議，在Network de-vice support目錄下的Ethernet中選擇OtherISACard，并選擇NE確2000／NE 1000 support(該選擇根據(jù)系統(tǒng)所選擇的網(wǎng)卡芯片要求選擇)。
    (3)ramdisk制作。ramdisk是μCLinux操作系統(tǒng)的目錄結構。用戶可根據(jù)需要設置目錄結構后制作ramdisk。如此Linux啟動后系統(tǒng)會加載用戶所需的目錄結構。
    (4)移植操作系統(tǒng)。首先，利用Windows自帶的超級終端工具將loader．bin文件、U-Boot文件通過XMODEM協(xié)議發(fā)送到AT91RM9200內(nèi)部的SRAM中。其次，進入U-Boot的人機交互命令模式。用flash命令依次向NOR-F LASH中燒錄loader，u-boot，kernel，ramdisk文件。至此，Linux內(nèi)核移植完成，重啟ARM便可進入Linux操作系統(tǒng)。
2．2 嵌入式Web Server的實現(xiàn)
    Web Servet是實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的基礎。目前在μClinux下，主要有3個Web Server：Httpd，Thttpd和Boa.Httpd是最簡單的一個Web Server，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，功能都比較全。為了實現(xiàn)動態(tài)Web技術，這里選擇實現(xiàn)一個支持CGI且非常適合于嵌入式系統(tǒng)的BoaWeb Server。
    Boa是一個單任務的HTTP服務器，源代碼開放，性能好。它與常規(guī)的Web服務器不同，Boa不對每個進入服務器的連接開辟進程，更不為處理多路復用而開辟進程，Boa僅對正在進行的HTTP連接復用，而且也只為獨立用戶網(wǎng)關接口CGI開辟進程。測試表明，Boa服務器的速度比常規(guī)的Web服務器要快，比Apache服務器快兩倍以上。目前，μClinux的代碼中已經(jīng)包含Boa的源代碼，在μClinux下實現(xiàn)Boa，需要對Boa做一些配置和修改。這主要通過對boa．conf和mime．types文件進行修改實現(xiàn)。需要改動的配置有以下幾項：將對應項目改為如下狀態(tài)：

    至此，Boa服務器已移植完成，但只有讀權限，如果需要進行寫入和修改操作則需要賦予Boa服務器rOOt，權限，方法如下：
    將boa．c文件中的如下部分注釋掉：

   
    該注釋操作會為黑客人侵留下可能，請慎重選擇。文中系統(tǒng)屬于內(nèi)部局域網(wǎng)絡，故以次方式賦予Boa服務器最高權限．便于系統(tǒng)功能的完善。
2．3 CGI技術
2．3．1 CGI簡介
    到目前為止，實現(xiàn)動態(tài)Web頁面有4種技術可供選擇：CGI，ASP，PHP和JSP。因為目前μClinux不支持ASP，PHP等動態(tài)Web頁面技術，而且CGI應用程序可用大部分高級語言編寫，程序員可以自由選擇自己熟悉的編程語言完成設計，因此在該設計中選擇了CGI。
    CGI規(guī)定了Web服務器調(diào)用其他可執(zhí)行程序的接口協(xié)議標準，提供web服務器一個執(zhí)行外部程序的通道，這種服務端技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序?qū)儆谝粋€外部程序，需要編譯成可執(zhí)行文件，以便在服務端運行。Web服務器通過調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)與Web瀏覽器的交互，也就是CGI程序接收Web瀏覽器發(fā)送給Web服務器的信息，進行處理后，將響應結果再回送給Web服務器及web瀏覽器，其工作過程如圖2所示。

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2．3．2 CGI原理
    CGI工作原理如下：客戶端的用戶通過瀏覽器完成一定輸入工作后，向服務器發(fā)出HTTP請求(CGI請求)，服務器守護進程接收到該請求后，就創(chuàng)建一個子進程(CGI進程)。該CGI子進程將CGI請求的有關數(shù)據(jù)設置成環(huán)境變量，在CGI程序與服務器間建立兩條數(shù)據(jù)通道，然后啟動URL指定的CGI程序。子進程通過標準輸出流將處理結果傳遞給服務器守護進程，守護進程再將處理結果作為應答消息回送到客戶端。一個CGI程序的任務分成輸入任務和輸出任務。輸入任務根據(jù)請求方法的不同，從環(huán)境變量QUERY＿STR ING或標準輸入中讀取用戶輸入數(shù)據(jù)。輸出任務生成HT-TP響應頭標內(nèi)容，如消息正文的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度等；生成HTTP響應消息正文內(nèi)容，如動態(tài)生成的HTML文件內(nèi)容。
2．3．3 CGI應用程序設計
    CGI作為一種接口協(xié)議標準，支持各種編程語言，這選擇常用的C語言編寫應用程序。設備調(diào)試工具需要具備兩個基本功能：能實時顯示相關參數(shù)；能實時修改相關參數(shù)。由于網(wǎng)頁的刷新會對表單的提交產(chǎn)生干擾，因此用框架將主頁分為兩段，分別調(diào)用子網(wǎng)頁實現(xiàn)實時顯示和實時修改功能。網(wǎng)頁結構及工作模式如圖3所示。

    在顯示參數(shù)時，主頁調(diào)用子頁1，子頁1每3 s調(diào)用1次CGI①，每次調(diào)用時CGI①會向應用系統(tǒng)詢問最新參數(shù)，并以此為依據(jù)生成動態(tài)網(wǎng)頁回傳給主頁；修改參數(shù)時，用戶在主頁上通過表單提交的數(shù)據(jù)被CGI②解析后傳輸給應用程序，同時為了便于操作，CGI②提供查詢功能，以便用戶查詢一組參數(shù)并對所需部分進行修改。其中，網(wǎng)頁與CGI程序的通信由環(huán)境變量傳遞，CGI與應用程序間的通信由Socket完成。在調(diào)試時，工程人員只需要在任意用戶端瀏覽器中輸入調(diào)試模塊的lP地址，就能登陸調(diào)試界面，如圖4所。示界面上部的表格會每3 s刷新1次，實時顯示系統(tǒng)參數(shù)。如需修正，則可利用界面下部表單修改對應項。

3 結語
    這里采用基于ARM9為核心的AT91 RlM9200芯片為平臺，結合Linux操作系統(tǒng)和Web Sever，運用動態(tài)網(wǎng)頁技術實現(xiàn)了設備遠程調(diào)試模塊。該系統(tǒng)已應用于船舶VDR系統(tǒng)，經(jīng)過測試和實際應用，該系統(tǒng)運行良好。為現(xiàn)場調(diào)試提供了一種簡便、高效的方法；同時，該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡連接上位機和設備系統(tǒng)，調(diào)試人員可以利用互連網(wǎng)登陸調(diào)試系統(tǒng)，因此也為設備通過網(wǎng)絡遠程調(diào)試奠定了基礎。同時，該設計成功在設備與用戶間搭建了高效率的人機交流平臺，如在應用程序上做適當完善，并設計相應的上位機軟件，系統(tǒng)可升級為網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)。
    利用嵌入式技術采用網(wǎng)口替代常用的串行接口、USB接口等作為設備的調(diào)試接口。該系統(tǒng)具備高速、穩(wěn)定、操作簡潔和傳輸距離遠等優(yōu)點；為設備調(diào)試和測控系統(tǒng)提供了一種有效的方案。