（计算机科学与技术专业论文）基于web和嵌入式linux的网络设备监控平台的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于w e b 和嵌入式l i n u x 的网络设备监控平台的设计与实现 摘要 随着网络技术的迅速发展，网络设备的使用已经越来越广泛，如何对设备进 行远程监控已成了迫切需要解决的问题。人们希望对那些原来只能通过串口配置 的网络设备，通过网络远程地进行监视、控制和配置等操作。本网络设备监控平 台就是为了解决这个问题而开发的。 在这样的前提下，研究了以a r m l i n u x 为操作系统的$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式平台 上的网络设备监控的实现技术，设计了硬件平台，移植了l i n u x 操作系统和嵌入式 g o a h e a dw e bs e r v e r ，开发了通过浏览器控制网络设备监控软件等。该系统可以满 足用户对远程网络设备监控的需要。 本文首先阐述了设备接入i n t e m e t 技术的发展和现状，分析了网络设备监控平 台的需求，讨论了网络设备监控平台的结构以及相应的软、硬件环境，提出了系 统总体设计方案。研究了a r m l i n u x 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 a 开发平台上的移植， 分析了如何在嵌入式w e b 服务器g o a h e a d 上开发系统应用程序，并对各模块的设 计实现进行了详细的描述。最后给出了对设备监控平台的功能分析和性能测试结 果及结论。 关键词：网络设备监控平台；嵌入式a r m l i n u x ；嵌入式w e b 服务器g o a h e a d 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f n e t w o r kd e v i c e m o n i t o r i n g p l a t f o r mba s e do nw e ba n d e m b e d d e dl i n u x a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r kt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e t w o r kd e v i c e sa r e b e i n gu s e d h o wt or e m o t e l ym o n i t o rd e v i c e sh a sb e c o m eap r o b l e m ，w h i c hs h o u l db e s o l v e du r g e n t l y i ti sh o p e dt h a tt h e s en e t w o r kd e v i c e sw h i c hc a l lo n l yb ec o n f i g u r e db y s e r i a lp o r tc a nb er e m o t e l ym o n i t o r e d ，c o n t r o l l e da n dc o n f i g u r e dt h r o u g hn e t w o r k t h e n e t w o r kd e v i c em o n i t o r i n gp l a t f o r mi st os o l v et h i sp r o b l e m i nt h i sr e a s o n , ar e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fn e t w o r kd e v i c e m o n i t o r i n gb a s e do ne m b e d d e dp l a t f o r m $ 3 c 2 4 10 aa n da r m l i n u xo si sm a d e h a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n de m b e d d e dw e bs e r v e r g o a h e a da r ep o r t e dt or u no nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m n e t w o r kd e v i c em o n i t o r i n g s o f t w a r ew h i c hc a nb ec o n t r o l l e db yb r o w s e ri sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mm a ys a t i s f yt h e n e e do f r e m o t e l yc o n t r o l l i n gd e v i c e so v e rn e t w o r k a tf i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o na b o u th o wt oa c c e s sd e v i c e st h r o u g h i n t e m e ta r ee x p a t i a t e di nt h i st h e s i s r e q u i r e m e n t so fn e t w o r kd e v i c em o n i t o r i n g p l a t f o r ma r ea n a l y z e d a n dt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e h a r d w a r e e n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e d t h e nt h es y s t e mg e n e r a ld e s i g ns o l u t i o ni sp r o p o s e d h o w t op o r ta r m - l i n u xt ot h e $ 3 c 2 4 1 0 ai ss t u d i e d ，a n dd e v e l o p i n gs y s t e ma p p l i c a t i o n p r o g r a mo ne m b e d d e dw e bs e r v e rg o a h e a di sa n a l y z e d t h e n , h o wt od e s i g na n d i m p l e m e n te a c hm o d u l eo ft h es y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , d u r i n gt h e f u n c t i o n a la n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c et e s to ft h en e t w o r kd e v i c em o n i t o r i n gp l a t f o r m ，t h e c o n c l u s i o ni sg i v e n k e yw o r d s ：n e t w o r kd e v i c em o n i t o r i n gp l a t f o r m ；e m b e d d e da r m l i n u x ；e m b e d d e d w bs e r v e rg o a h e a d m 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鹰确 日 期：铂l 。7 1 一， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：杏葡 曰 期： 。 例，1 i 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 、 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名； 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引 言 第一章引言 1 1 课题的研究背景 随着网络技术的迅速发展，网络设备的使用已经越来越广泛，如何对设备进 行远程监控已成了迫切需要解决的问题。人们希望那些原来只能通过串口配置的 网络设备，可以通过网络远程地进行监视、控制和配置【i j 。与此同时，各种嵌入 式系统也在不断发展【2 】【3 】。因此，如何利用w e b 和嵌入式技术实现对设备的远程 监控及维护等操作，即如何通过i n t e m e t 来实现对网络设备的访问( a c t i o no v e ri p ) 是目前需要解决的问题。本文结合w e b 和嵌入式l i n u x 技术，提出一种基于w e b 和嵌入式l i n u x 的网络设备监控模型及其实现技术，使用户可以不受时空限制，通 过i m e m e t 利用浏览器完成对设备的远程访问、监控和维护等操作。 1 2 课题的国内外研究现状 远程监控是国内外研究的前沿课题f 4 】，国内外都展开了积极的研究。许幺园酝。 组织作了关于通过网络进行设备监控的研究工作，并制定了一些信息交换格式和_ 标准。许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e m e t 功能1 2 1 。未来的设备监控理念 可以归结为这样几句话：设备监控要达到“5 w ”，即任何一个授权者( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) ，能通过任何一种手段方式 ( h o w e v e r ) ，获取任何一个被控对象( w h i c h e v e r ) 的数据信息( w h a t e v e r ) ，形成 一个高度智能化的完备的设备监控网，这就是未来设备监控的理想模式。 目前，国内的设备监控研究正处于起步阶段【5 】，设备供应商在这方面显得有些 不足，仍然采用传统的监控界面和接口，因此，对设备监控技术进行研究具有重 要的理论意义和使用价值。 嵌入式系统网络化技术的主要技术难点在于：如何利用嵌入式系统自身有限 的资源实现t c p f l p 协议栈及w e bs e r v e r 接入i n t e r n e t 进行访问。对于这一技术问 题，国内外目前已经出现了几种解决方案【6 1 ，讨论如下。 ( 1 ) 高档m c u + e o s 方案 采用3 2 位的高档单片机，在e o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软件 开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。对t c p i p 协议的具体处理主要 有两种方法。 东北大学硕士学位论文第一章引 言 采用嵌入式操作系统e o s ，用软件方式直接处理t c p i p 协议。实时操作系统 的功能越来越强大，许多都具有对图像界面和t c p i p 的支持能力。采用这种方式 最灵活，能按照用户需求实现很多复杂的功能，本系统就是采用这种方式实现的。 采用固化了的t c p i p 协议的硬件芯片，如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司的$ 7 6 0 0 a 等，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部硬件电路处理 t c p 碑协议。也可用u b i c o m 公司( 原s c e n i x ) 公司的s x 单片机加虚拟外设的 方式，s x 单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多功能模块( 如d t m f 接收与 发送、t c p i p 协议等) 设计成软件功能模块，需要使用某功能时直接调用相应模 块，其效果等价于安装对应硬件外设电路【6 lf 7 】。 这两种方式类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，m c u 直接处理t c p i p 协议，开发成本较高，且开发周期较长，对开发人员的开发能力要求较高。 ( 2 ) 低档m c u + 精简t c p i p 协议栈 根据嵌入式应用特点，将t c p i p 协议栈做大幅度的简化，只保留其中最核心 的部分，这样，就可以大幅度减少对于系统资源的需求，从而叮以在低成本、低 速度、小内存的m c u 上实现网络连接，这种方案的优点是廉价，便于广泛应用； 镀点是：开发周期长，对开发人员要求高：协议棱需要长期深入测试、修改才能 达到可靠性要求。 还有一种方式就是m c u + 网络芯片的集成方案，这种方式的典型代表是 w e b b i t ，w e b b i t 是沈阳东大新业信息技术股纷有艰公司研制开发的嵌入式系统接 入m t e m e t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将 它装入到嵌入式系统中就可以完成嵌入式系统与m t e m e t 网的连接。它将协议处理 部分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力用在应用系统本 身，其开发成本相对较低，但实现功能也相对较为简单f 6 1 7 1 。 ( 3 ) p cg a t e w a y + 专用网 采用专用网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a nb u s 等) 把一小批单片机连接在一起， 然后再将专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络伤得信息转换为 t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机。 但存在如下缺点：需要依赖p c 机作为网关进行协议转换，在多个单片枫系统分散 的情况下，专用网络布线极为不便；需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该 软件通常有专门的第三方软件商提供，费用较高。这一技术的代表是e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 嵌入式微型因持网互联技术) 。 e m i t 并不能让设备直接具备i m e m e t 的连接能力，而是需要一个被称为 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 e m g a t e w a y 的网关，它可以是一台以w m d o w s 为操作系统的普通p c ，支持t c p i p 协议并能提供h r r p 服务，从而允许用户通过浏览器来远程访问它，使得它像 i n t e m e t 服务器；另一方面，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线轻量级 网以及m o d e m 、r f 、i r d a 等方式，将多个设备连接在一起，并担当t c p i p 和轻 量级网之间有关协议的转换任务，这又使得它像i n t e m e t 网关1 【8 1 0 1 3 课题研究的意义 经济的发展促使人们将自动化的各种技术不断应用到生活、生产中。传统的 本地设备监控方式逐渐不能满足大范围、远距离监控的需求。网络设备监控系统， 具有较强的实时性，良好的交互性等特点，将成为一个低功耗、高集成的远程网 络控制中心【”。 将众多的设备挂到i m e r n e t 网上的意义如下： ( 1 ) 不需要铺设专用的通信线路，凡是有网络的地方就可以构建基于w e b 的设 备监控平台，通过i n t e m e t 将设备的监控延伸到全球的任何一个角落，同时节省了 布线及线路维护的费用； ( 2 ) t c p i p 协议是现成而公开的，可以利用各种w e b 浏览器软件读取信息，传 输速度和传输质量都有一定的保证； ( 3 ) 信息直接反映在色彩丰富的网页上，对设备的操作会有及时可见的反馈： ( 4 ) 每次信息传输都可以让相应的客户机按照各自的需要给予显示和操作： ( 5 ) 减少了诸如网关、代理服务器等中间环节，降低了安装难度； ( 6 ) 设备通信速率和通信信道的利用率大大提高。 东北大学硕士学位论文第二章相关技术 第二章相关技术 2 1 网络设备监控与基于w e b 的网络设备监控 2 1 1 网络设备监控平台 网络设备监控就是监视和控制复杂计算机网络中的设备，以确保其尽可能长 时间的正常运行，并且在设备出现故障时尽可能早的发现和修复故障，以便能最 大限度的发挥网络设备的性能【2 1 。因此网络设备监控平台主要完成以下任务：收集 网络设备的工作参数和运行状态信息；处理这些信息并以可视化方法把信息呈现 给管理员；接受管理员的控制指令并监测其执行，实现对网络设备参数的配置、 监测设备的运行状态；一旦发现错误，及时解决，保证网络设备的可靠运行。 2 1 2 基于w 曲的网络设备监控技术 w e b 技术是随着因特网的发展而迅速流行的。由于提供了有效的信息组织方 式、使用界面简单，w e b 已被人们广泛接受和使用，现在因特网已经成为人们获 得信息的主要方式之一。同时，w e b 作为平台开发的接口界面具有很好的可移植 性，因此许多领域都纷纷采用w e b 技术来提供接口界面。由于w e b 技术的流行， 人们开始把它引入监控领域。目前，基于w e b 的网络设备监控主要有两种实现方 式：代理式和嵌入式【4 1 ( 6 1 。 ( 1 ) 代理实现方式 代理方案的系统结构如图2 1 所示。 被管设备卜一2 3 2 、 r s l 一i 图2 1 代理方式结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f a g e n tm o d e 东北大学硕士学位论文 第二章相关技术 在图2 1 所示的方案中，使用一台p c 机作为内部网络接入i n t e r n e t i n t r a n e t 的 代理服务器，远程监控主机通过传输网络与代理服务器进行数据的交互，来实现 设备的远程监控。该方案可以充分利用代理服务器的强大功能，适合于设备比较 集中的情况嘲。 ( 2 ) 嵌入式实现方式 嵌入式实现方式，基于一个两层结构，在被监控的设备中直接嵌入w e b 服务 器，管理员通过浏览器直接访问被管设备，两者之间通过h t t p 协议进行通信， 如图2 2 所示。 匝銎堕 臣三三 图2 2 嵌入式方式结构 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f e m b e d d e dm o d e 由于利用标准的浏览器作为网络设备监控工具，嵌入式方式不能对网络的信 息进行收集和处理，它一般用于对单个设备的监控和配置【5 】。而代理方式可以解决 网络信息的收集问题，是一种面向整个网络的解决方案。所以本平台选取基于代 理的方式对网络中的设备进行远程监控。 2 2 嵌入式系统 由于嵌入式系统9 1 的外延极广，因此很难给它下一个准确的定义。目前常说的 嵌入式系统概念的重心在“系统”上，指能够运行操作系统的软、硬件综合体。 总体上嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分，硬件一般由高性能的微处理器 和外围接口电路组成，软件一般由操作系统和其上运行的平台软件构成，软件和 硬件之间由所谓的中间层连接。 东北大学硕士学位论文 第二章相关技术 2 2 1 嵌入式系统的定义、特点及关键技术 ( 1 ) 嵌入式系统的定义 根据电气和电子工程师协会( i e e e ) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助设备、机器和车间运行的装置”【m 】 i h 。它是面向用户、面向产品、面向应 用的，嵌入式系统必须能够对软、硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、 成本、体积等要求，并可以根据实际的使用效果进行功能扩展。 ( 2 ) 嵌入式系统的特斛1 0 】 1 1 】 嵌入式系统通常是面向特定应用的，大多工作在为特定用户群设计的系统 中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用计算机中许多由板卡完 成的任务集成在芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化，移动能力大大增强， 跟网络的耦台也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更焉的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片单片机本身中，而不是存储子磁盘等载体中。 ( 3 ) 嵌入式系统设计的关键技术 嵌入式系统内核的定制，包括硬件和软件内核的选择。根据嵌入式系统所 要实现的功能合理裁减系统内核，保证最大限度发挥系统内核的功能，同时又能 做到减少冗余的配置，是整个嵌入式系统设计的关键所在。 在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：在宿主机上完成编 译、链接、定址的工作；而嵌入式开发过程中另一个重要的步骤调试应用程 序是在目标机上进行的。 向嵌入式平台移植软件。大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式先在 p c 机上编写软件，再进行软件的移植工作。在p c 机上编写软件时，要注意软件 的可移植性，选用具有较高移植性的编程语言( 如本系统选用的c 语言) ，尽量 东北大学硕士学位论文 第二章相关技术 少调用操作系统函数，还要注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等 问题。 2 2 2 嵌入式系统的应用及发展趋势 嵌入式系统的出现至今已有3 0 多年的历史了，嵌入式技术也经历了几个发展 阶段： ( 1 ) 第一阶段 以单芯片为核心的可编程控制器形成的系统，同时具有与监测、伺服、指示 设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中， 一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后， 清除内存。这一阶段系统的特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低， 存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格便宜， 以前在国内工业领域应用较为普遍，但已经远远不能适应高效的、需要大容量存 储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求 7 1 1 2 1 1 3 l 。 ( 2 ) 第二阶段 以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段的系 统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系 统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要 用来控制系统负载和监控应用程序运行【6 】【1 2 】。 ( 3 ) 第三阶段 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特征是：嵌入 式操作系统能运行在各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、 效率高、并且具有高度的模块化和扩展性：具有大量应用程序接口，开发应用程 序简单；嵌入式应用软件丰富【” 1 2 1 1 1 3 1 。 ( 4 ) 第四阶段 以基于i n t e m e t 为标准的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大 多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与 信息家电、工业控制技术等结合日益紧密，设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式 技术的真正未来 7 11 1 2 1 1 3 1 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 第三章系统总体设计 3 1 系统的需求分析 嵌入式技术的快速发展和嵌入式w e b 服务器的出现，为本网络设备监控平台 的开发开辟了一条崭新的途径。w e b 技术提供的平台无关性和地理无关性，极大 地方便了网络设备监控任务的执行。以下是针对本网络设备监控平台的具体的需 求分析，本文主要从功能需求和性能需求两个方面进行分析。 3 1 1 功能需求 ( 1 ) 系统网络参数配置功能 提供界面友好的g u i 程序，使管理员可以通过i n t e m e t ，远程查看当前状态下 系统的各项网络参数配餮情况，包括系统的名称、i p 地址、予网掩码、网关、d n s 服务器以及网络最大传输单元m t u 。同时具有最高管理员权限的系统用户可以手 动配置这些网络参数，当然管理员也可以选用d h c p 服务自动获取i p 。 ( 2 ) 系统通信端口管理功能 提供界面友好的g u i 程序，使用户可以随时随地的远程查看设备监控平台的 所有通信端口的当前配置情况，包括与该端口相连的设备名称，以及该端口的工 作参数配置情况。同时具有管理员权限的系统用户可以设定他权限范围内所有端 口的各项参数。 ( 3 ) 用户管理功能 对系统的所有用户进行分级分组管理，给不同级别的用户赋予不同的权限， 实现用户的个性化管理，用户只能访问权限范围内的系统资源。同一个组的所有 用户具有相同的权限，管理员通过设置用户组的权限来规定每个用户的权限。通 过这种方式，使得管理员可以更容易更安全地管理系统用户。系统根据用户的权 限，判断用户当前进行的操作是否合法，对不合法的操作予以禁止，从而保证系 统的安全性。 ( 4 ) 日志管理功能 用户可以远程查看设备监控平台的系统日志。本网络设备监控平台对系统日 志进行总体分析和分类整理，将系统日志分为登录日志、进程日志和安全日志三 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 类分别提供给用户。系统管理员通过网络获得自己感兴趣的日志信息，通过对这 些日志的分柝，监控系统的运行情况以及安全状况，对那些企图对系统造成伤害 的事件及时做出响应，保证系统的安全运行。 ( 5 ) 应用管理功能 提供界面友好的g u i 程序，使用户可以远程监控和配置设备。同时，系统还 提供了一个接口，使得管理员可以远程登录被管设备，直接以命令行方式对网络 设备进行配置和监控。 3 1 2 性能需求 ( 1 ) 高可用性需求 本网络设备监控平台是面向客户的系统工程，它设计的最终目的必然是优化 产品的性能，使操作更人性化。系统应该尽量减少用户的认知负担；保持界面的 一致性；向用户提供友好的操作界面，方便用户与系统的交互。 ( 2 ) 可移植性需求 由于嵌入式系统面向应用的特性，决定了本网络设备监控平台必须能够广泛 的适应各种软、硬件平台，应该保证嵌入式应用开发商非常容易的集成商置嵌入 式实时操作系统和支持需要的外部设备。 ( 3 ) 可扩充性需求 在本系统的设计中，充分强调系统的通用性和扩展性。本系统的应用箔围非 常广阔，如果没有非常好的扩展性将无法适应各种需求。系统的设计必须为后续 的设计提供方便，产品的后续设计如果非常繁琐，产品的成本将会大大提高。 ( 4 ) 高可靠性、稳定性、安全性需求 本网络设备监控平台可能经常需要应用在无人值守的环境下，因此必须确保 它的高可靠性、稳定性和和安全性，才可能得到良好的应用。 3 2 系统的实现目标 根据对基于w e b 和嵌入式l i n u x 网络设备监控平台的需求分析，提出以下几 个本网络设备监控平台需要解决的关键问题。 ( 1 ) 在制作最小硬件系统成功和分析l i n u x 操作系统的基础上，在系统硬件开 发平台上移植嵌入式操作系统l i n u x 。 ( 2 ) 根据本网络设备监控平台的特点选择合适的嵌入式w e b 服务器。 ( 3 ) 完成嵌入式w e b 服务器在硬件开发平台上的嵌入式l i n u x 上的移植。 一9 一 东北大学硕士学住论文 第三章系统总体设计 ( 4 ) 在分析研究所选定的嵌入式w e b 服务器的基础上，综合运用服务器提供的 各种类别的a p i 接口，完成通过网页控制网络设备监控平台应用软件的开发，具 体包括： 开发通过网页设定系统的网络参数，包括主机名、珀地址、子网掩码、网 关、d n s 服务器以及网络最大传输单元的程序。 开发通过网页查看网络设备监控平台通信端口的状态，以及远程设定其工 作参数的程序。 开发通过网页查看网络设备监控平台的的系统日志，用以监控平台运行情 况及安全状况的程序。 开发通过网页对系统用户进行分级分组管理的程序。 开发通过网页远程监控和操作设备的程序。 ( 5 ) 在网络设备监控平台中集成s s l 协议和h t t p s 协议，充分保证系统的安 全性。 3 3 嵌入式硬件平台方案 嵌入式系统臣两大部分组成，硬件环境和软件系统。设备监控平台的软、硬 件环境提供了用户开发基于l i n u x 的设备监控平台所需要的底屡硬件和软件平台。 嵌入式系统的硬件平台是整个系统运行的基础，是整个嵌入式系统的骨架【1 4 j 。本 网络设备监控平台的采用的各硬件元件具体说明如表3 1 所示，硬件平台架构如图 3 1 所示。 表3 1 硬件配置说明 t a b l e3 1h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o ne x p l a n a t i o n 接口板尺寸 1 4 0 r a m 8 1 r a i l 2 1 5 r a m 核心扳尺寸6 4 m m x 4 0 m m l m m c p u s a m s u n g5 3 c 2 4 1 0 a ，主频2 0 3 m h z f l a s h6 4 m b s d r a m6 4 m b 网口 1 个1 0 1 0 0 自适应以太网接口 串口 1 个4 线r 5 2 3 2 串口，2 个2 线r s 2 3 2 串口，可扩展4 个6 线r s 2 3 2 串口 j t a g1 个j t a g 接口 电源i 个5 v 直流电源接口 东北大学硕士学位论文第三章系统总体设计 3 3 1c p u 图3 i 系统硬件平台架构 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ep l a t f o r m 本平台采用的核心芯片为基于a r m 技术1 15 】的三星公司的3 2 位r i s c 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a 16 1 ，它采用了a r m 9 2 0 内核，用o 1 8 ；a mc m o s 工艺制造。它的低功耗、 精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。a r m 9 2 0 t 实现了 m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构f 1 5 】。这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e t 引。 3 3 2f l a s h 存储器 f l a s h 主要用来存储断电非易失性的数据。本系统中，需要把引导启动程序。 l i n u x 内核映象和根文件系统保存在f l a s h 中，剩余的存储空间可存放用户程序， 从而使得在产品发布阶段每次系统上电的时候自动运行。本系统选定的f l a s h 是 k 9 f 1 2 0 8 ，它是一款c m o s 工艺制造5 1 2 m b 的f l a s h 存储器。无论是读操作还 是擦除和写操作，该芯片都较一般f l a s h 省电b q 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 3 3 3s d 洲存储器 s d r a m 是用来运行l i n u x 内核和根文件系统的。之所以要用到s d r a m 是因 为本系统采用的根文件系统是基于r a md i s k 技术的。本系统最终选定的s d r a m 采用的是两块i s 4 2 s 1 6 1 6 0 a 。每块i s 4 2 s 1 6 1 6 0 a 均是3 2 m b 的同步动态 r a m s d r a m 。s d r a m 的操作都是由时钟作为同步，因此操作速度更快，数据 吞吐量更大【1 3 】。 3 3 4 以太网接口 由于$ 3 c 2 4 1 0 a 本身没有网络接口f 1 6 】，因此我们需要自己设计网络接口，并 将其挂接到$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器的扩展总线上。我们最终选定的以太网络接口芯 片是c r y s t a l 公司生产的c s 8 9 0 0 。 3 3 5 系统电源 $ 3 c 2 4 1 0 a 系统内核采用1 8 v 供电，外围采用3 3 v 供电。因此硬件开发平台 由夕卜部电源提供5 v 电源，经由l m l l l 7 3 3 芯片将其转换为3 3 v 电源对外围电 路供电；再经由l m l l1 7 1 8 芯片将其转换为1 8 v 电源对内核供电。丽r t c ( 实 时时钟) 考虑到硬件开发平台断电后继续工作，故采用锂电池单独供电。 3 4 嵌入式软件平台设计 如果说一个嵌入式系统的基础是系统硬件，那么可以认为一个嵌入式系统设 计的关键是软件平台的设计，软件平台的设计起着支持硬件平台、为实现最终功 能提供保证的承上启下的重要职能。 基于w e b 和嵌入式l i n u x 的网络设备监控平台的软件系统，从结构上来看可 以分为四个部分：引导加载程序、a r m 。l i n u x 操作系统、w e b 服务程序以及用户 应用程序。 、 系统软件总体结构图如图3 2 所示。a r m l i n u x 操作系统、文件系统及 b o o t l o a d e r 为系统层软件，而嵌入式w e b 服务器、a s p 和g o f o r m c g i 程序及网口 串口通信程序等为应用层软件，交叉编译环境为系统所有的程序提供支持。 东北大学硕士学位论文第三章系统总体设计 图3 2 系统软件总体结构 f i g 3 2g e n e r a ls t r u c t u r eo f t h es y s t e ms o f t w a r e 3 4 。1 引导加载程序 ( 1 ) b o o tl o a d e r 的概念 引导加载程序( b o o t l o a d e r ) 是系统加电后运行的第一段软件代码。在我们所 熟悉的p c 结构体系中，引导加载程序一般由b i o s 和位于硬盘m b r 中的o sb o o t l o a d e r 一起组成。b i o s 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘m b r 中的b o o t l o a d e r 读到系统的r a m 中，然后将控制权交给o sb o o t l o a d e r 。而b o o t l o a d e r 的主要运 行任务就是将内核映象从硬盘上读到r a m 中，然后跳转到内核的入口点去运行， 即开始启动操作系统【1 8 j 【1 9 】。 而在嵌入式操作系统中，也具有和p c 结构体系中类似的引导加载程序，通过 这段程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软 硬件带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 由于b o o t l o a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构以及系统的硬件结构，因此大 多数的b o o t l o a d e r 都是为系统定制的，因此为系统移植一个功能较为丰富的 b o o t t o a d e r 是必要的。而且，在移植b o o f l o a d e r 的过程也是对系统硬件及结构的深 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 入了解和分析的过程，也有利于随后的a l u m - l i n u x 操作系统的内核分析和移植。 ( 2 ) u b o o t 在本系统中的应用 本系统选用u b o o t 作为系统的b o o f l o a d e r 。u - b o o t 支持a r m 、p o w e r p c 等 多种架构的处理器，也支持l i n u x 、n e t b s d 和v x w o r k s 等多种操作系统【2 1 1 。 u b o o t 目前推出的最新版本为l ，1 ，4 ( 1 8 1 ，在该版本中提供了对本网络设备监控平台 所采用的c p u 的支持。 u b o o t 提供启动加载和下载两种工作模式。启动加载模式也称自主模式， 一般是将存储在目标板f l a s h 中的内核和文件系统的镜像装载到s d r a m 中，整 个过程无需用户的介入。本系统中，它默认工作在该模式下。这时，目标板受外 设( 般是p c 机) 的控制，从而将外设中调试好的内核和文件系统下载到目标扳 中去。 对u - b o o t 的移植主要就是在u - b o o t 的文件结构中加入本系统的些相关文 件和目录，然后针对本系统对些文件进行修改和配置【1 9 】【2 “。在实际的移植过程 中，不需要从零开始去构建一些文件和文件夹，可以在u b o o t 提供的文件中找到 和目标系统类似的硬件开发平台文件，在该系统基础上进行修改。因为大部分支 持s 3 c 2 4 1 0 的板子都和s m d k 2 4 1 0 相似【i ，所以本系统u b o o t 的移植以s m d k 2 4 1 0 的文件为基础。 以下针对移植过程中的主要步骤【1 9 l 进行介绍：为本系统的硬件开发平台取名 叫1 m 2 4 1 0 ，并在u 。b o o t 中建立自己的硬件开发平台类型。 修改m a k e f i l e 文件，加入l m 2 4 1 0 建立编译选项。在m a k e f i l e 文件的 $ 3 c 2 4 1 0s y s t e m 里面添加：t m 2 4 1 0 _ c o n f i g ：u n c o n f i g m k c o n f i g $ ( ：c o n f i g = ) a r m a r m 9 2 0 t1 m 2 4 1 0n u l ls 3 c 2 4 l o 在i n c l u d e e o n f i g s q b 建立配置头文件 【u b o o t l o c a l h o s tl m 2 4 1 0 # c d ， 【u b o o t l o c a l h o s tu b 0 0 t 】# c pi n c l u d e c o n f i g s l m 2 4 1 0 hi n c l u d e c o n f i g s l m 2 4 1 0 h 指定交叉编译工具的路径 【u b o o t l o c a h h o s tu b o o t 】 # v i - b a s h r ce x p o ap a t h = u s r l o c a l a r m 2 ，9 5 3 b i n ：$ p a t h 测试编译能否成功 【u b o o t l o c a l h o s tu b o o t # m a k el m 2 4 1 0 _ c o n f i g u b o o t l o c a l h o s tu b o o t # m a k ec r o s s c o m p i l e = a r mt i n u x 修改l o w l e v e li n i t s 文件 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 依照硬件开发平台的内存区的配置情况，修改b o a r d c r a n e 2 4 1 0 l o w l e v e l _ i n i t s 文件 运行m a k e1 m 2 4 1 0c o n f i g ，对修改好的代码进行编译，获得用于烧写入 f l a s h 的二进制代码。 编译完成后会在u b o o t 根目录下生成u - b o o t b i n 二进制文件，可以通过串口 将文件烧写到目标系统中进行调试。到此u b o o t 移植完成，u - b o o t 能够稳定地运 行在硬件开发平台上，为后续的软件开发打下了良好的基础【l ”。 3 4 2 嵌入式操作系统的定制与移植 ( 1 ) 操作系统的选择 本系统选择的是嵌入式l i n u x 操作系统中的a r m l i n u x 操作系统。嵌入式 l i n u x 系统的结构如图3 3 所示。 图3 3 嵌入式l i n t l x 系统结构 f i g 3 3t h es t r u c t u r eo f e m b e d d e dl i n u xs y s t e m 嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁减修改使之能在嵌入式计 算机系统上运行的一种操作系统1 1 0 l ，它既继承了i n t e m e t 上无限的开放源代码资源 又具有嵌入式操作系统的特性。它以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广 泛应用，成为新兴的力量【捌。 嵌入式l i n u x 的优势：能满足绝大多数实时性要求；具有良好的可移植性；模 块化层次结构且内核源代码完全开放；全球标准：具备完善的网络通信功能。此 外嵌入式l i n u x 具备一整套工具链，具有很好的开发测试工具，容易自行建立嵌入 东北大学硕士学住论文 第三章系统总体设计 式系统的开发环境和交叉运行环境。嵌入式l i n u x 可以利用g u n 项目的c c + + 编 译器g c c 来编译程序，使用g d b 源程序级调试器来调试程序【2 3 l 2 4 】。 ( 2 ) 嵌入式l i n u x 内核的定制 内核是操作系统的灵魂【25 1 ，l i n u x 内核主要包括内核抽象和对硬件资源的间接 访问，主要负责监控文件、内