基于ARM&Linux的嵌人式设备远程调试模块设计
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0 引 言
目前,大多数的工业设备都有专用的调试接口和调试软件,这种方式能有效解决系统现场调试和维护升级的问题,但也有一些弊端。首先,依赖专用的调试软件,随着产品的丰富,调试软件的版本也随之增加,从而工程人员需要面对软件匹配的麻烦;其次,专用的调试接口和配备专用的调试软件需要专业人员操作,用户无法灵活地使用设备。因此需要一种无需专用设备,方便、易行的设备调试方案。随着计算机技术的发展,以ARM为代表的微处理器的性能得到极大的提高,从而提高了嵌入式系统的性能,应用范围也更加广阔;而网络技术的发展,使得B/S(客户端/服务器)模式成为一种潮流。这两者的结合便为设备的现场调试方式提供了新的方案。工程人员只需要连接Internet的设备并安装浏览器,即可方便地查阅设备的相关信息并修正各项参数。给调试和维护管理工作带来很大的方便。同时,该方案也为工程人员实现远程调试提供了可能。这里提出的基于ARM&Linux的嵌入式设备远程调试模块以ARM_AT91RM9200为核心,以可裁减、可移植的μCLinux为操作系统,为嵌入式系统的Internet接人提供了一种方便、快捷、简单的实现方法。
1 系统硬件设计
为了提高模块的通用性和方便升级工作,将硬件系统设计为由核心板和主板组成,结构如图1所示。核心板设有CPU和128 MB的SDRAM,4 MB NORFLASH和辅助电路;主板设有各种接口,如:一个10/100兆以态网接口,一个外部扩展总线,两个RS 232接口和辅助电路。需要时可以方便的以更换主板的方式扩展外设接口,从而适应各种设备的需要。
2 系统软件设计与实现
基于操作系统的嵌入式软件系统开发过程包括:系统准备和应用程序开发。这里运用到网络技术.因此首先需要在嵌入式平台上移植操作系统和Web Sever。其次,运用适当的网络技术实现调试功能。
2.1 Linux操作系统移植
操作系统是嵌入式系统运行的基础,目前已经有多种嵌入式操作系统投入实用,例如:Windows CE,Vx-Works,QNX等。
由于Linux具有开源、技术成熟、应用广泛等特点。故采用μCLinux为操作系统。移植主要包括如下几个步骤:
(1)运行环境准备。操作系统运行前需要对硬件初始化,该部分功能由BootLoader完成。该系统采用德国DENX小组开发的交叉平台U-Boot.作为Boot-Loader。因此,先准备好ARM芯片的loader.bin文件和U-Boot文件。
(2)内核配置。首先下载μCLinux源代码,并配置Linux内核,在Networking opTIon 以及Network de-vice support中选择支持TCP/IP协议,在Network de-vice support目录下的Ethernet中选择OtherISACard,并选择NE确2000/NE 1000 support(该选择根据系统所选择的网卡芯片要求选择)。
(3)ramdisk制作。ramdisk是μCLinux操作系统的目录结构。用户可根据需要设置目录结构后制作ramdisk。如此Linux启动后系统会加载用户所需的目录结构。
(4)移植操作系统。首先,利用Windows自带的超级终端工具将loader.bin文件、U-Boot文件通过XMODEM协议发送到 AT91RM9200内部的SRAM中。其次,进入U-Boot的人机交互命令模式。用flash命令依次向NOR-F LASH中烧录loader,u-boot,kernel,ramdisk文件。至此,Linux内核移植完成,重启ARM便可进入Linux操作系统。
2.2 嵌入式Web Server的实现
Web Servet是实现网络通信的基础。目前在μClinux下,主要有3个Web Server:Httpd,Thttpd和Boa.Httpd是最简单的一个Web Server,它的功能最弱,不支持认证,不支持CGI。Thttpd和Boa都支持认证、CGI等,功能都比较全。为了实现动态Web技术,这里选择实现一个支持CGI且非常适合于嵌入式系统的BoaWeb Server。
Boa是一个单任务的HTTP服务器,源代码开放,性能好。它与常规的Web服务器不同,Boa不对每个进入服务器的连接开辟进程,更不为处理多路复用而开辟进程,Boa仅对正在进行的HTTP连接复用,而且也只为独立用户网关接口CGI 开辟进程。测试表明,Boa服务器的速度比常规的Web服务器要快,比Apache服务器快两倍以上。目前,μClinux的代码中已经包含Boa的源代码,在μClinux下实现Boa,需要对Boa做一些配置和修改。这主要通过对boa.conf和mime.types文件进行修改实现。需要改动的配置有以下几项:将对应项目改为如下状态:
至此,Boa服务器已移植完成,但只有读权限,如果需要进行写入和修改操作则需要赋予Boa服务器rOOt,权限,方法如下:
将boa.c文件中的如下部分注释掉:
该注释操作会为黑客人侵留下可能,请慎重选择。文中系统属于内部局域网络,故以次方式赋予Boa服务器最高权限.便于系统功能的完善。
2.3 CGI技术
2.3.1 CGI简介
到目前为止,实现动态Web页面有4种技术可供选择:CGI,ASP,PHP和JSP。因为目前μCLinux不支持ASP,PHP等动态 Web页面技术,而且CGI应用程序可用大部分高级语言编写,程序员可以自由选择自己熟悉的编程语言完成设计,因此在该设计中选择了CGI。
CGI规定了Web服务器调用其他可执行程序的接口协议标准,提供web服务器一个执行外部程序的通道,这种服务端技术使得浏览器和服务器之间具有交互性。CGI程序属于一个外部程序,需要编译成可执行文件,以便在服务端运行。Web服务器通过调用CGI程序实现与Web浏览器的交互,也就是 CGI程序接收Web浏览器发送给Web服务器的信息,进行处理后,将响应结果再回送给Web服务器及web浏览器,其工作过程如图2所示。
2.3.2 CGI原理
CGI工作原理如下:客户端的用户通过浏览器完成一定输入工作后,向服务器发出HTTP请求(CGI请求),服务器守护进程接收到该请求后,就创建一个子进程(CGI进程)。该CGI子进程将CGI请求的有关数据设置成环境变量,在CGI程序与服务器间建立两条数据通道,然后启动URL指定的 CGI程序。子进程通过标准输出流将处理结果传递给服务器守护进程,守护进程再将处理结果作为应答消息回送到客户端。一个CGI程序的任务分成输入任务和输出任务。输入任务根据请求方法的不同,从环境变量QUERY_STR ING或标准输入中读取用户输入数据。输出任务生成HT-TP响应头标内容,如消息正文的数据类型和数据长度等;生成HTTP响应消息正文内容,如动态生成的HTML文件内容。
2.3.3 CGI应用程序设计
CGI作为一种接口协议标准,支持各种编程语言,这选择常用的C语言编写应用程序。设备调试工具需要具备两个基本功能:能实时显示相关参数;能实时修改相关参数。由于网页的刷新会对表单的提交产生干扰,因此用框架将主页分为两段,分别调用子网页实现实时显示和实时修改功能。网页结构及工作模式如图3所示。
在显示参数时,主页调用子页1,子页1每3 s调用1次CGI①,每次调用时CGI①会向应用系统询问最新参数,并以此为依据生成动态网页回传给主页;修改参数时,用户在主页上通过表单提交的数据被 CGI②解析后传输给应用程序,同时为了便于操作,CGI②提供查询功能,以便用户查询一组参数并对所需部分进行修改。其中,网页与CGI程序的通信由环境变量传递,CGI与应用程序间的通信由Socket完成。在调试时,工程人员只需要在任意用户端浏览器中输入调试模块的lP地址,就能登陆调试界面,如图4所。示界面上部的表格会每3 s刷新1次,实时显示系统参数。如需修正,则可利用界面下部表单修改对应项。
3 结语
这里采用基于ARM9为核心的AT91 RlM9200芯片为平台,结合Linux操作系统和Web Sever,运用动态网页技术实现了设备远程调试模块。该系统已应用于船舶VDR系统,经过测试和实际应用,该系统运行良好。为现场调试提供了一种简便、高效的方法;同时,该系统利用网络连接上位机和设备系统,调试人员可以利用互连网登陆调试系统,因此也为设备通过网络远程调试奠定了基础。同时,该设计成功在设备与用户间搭建了高效率的人机交流平台,如在应用程序上做适当完善,并设计相应的上位机软件,系统可升级为网络化测控系统。
利用嵌入式技术采用网口替代常用的串行接口、USB接口等作为设备的调试接口。该系统具备高速、稳定、操作简洁和传输距离远等优点;为设备调试和测控系统提供了一种有效的方案。