基于ARM＆Linux的嵌人式设备远程调试模块设计

摘 要：提供一种方便、高效的设备调试方案，即利用嵌入式技术采用网口替代常用的串行接口、IJSB接口等作为设备的调试接口。该系统以Atmel公司的AT91RM9200芯片为核心，以可裁减的μCLinux为操作系统，设计了嵌入式Web服务器。以此服务器为基础结合CGI技术实现设备远程调试器。给出系统硬件结构，介绍了Boa的移植和配置，并探讨了动态网页的设计方法。经实验，该系统具备高速、易用、传输距离远和无需上位机软件等优点；为设备调试和测控系统提供了一种有效的方案。这里利用嵌入式技术结合网络技术实现新型设备调试方案，比现有方案更灵活、高效、易用。
关键词：ARM；Linux；嵌入式系统；Web服务器；Boa；CGl

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。[!--empirenews.page--]
    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。

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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。