繁体中文】 
电子爱好者
 快捷导航: 行业新闻 | 技术文章 | 软件下载 | 技术资料 | 元器件资料 | 电子书与教程 | 电子产品 | 工具器材 | 个人名片 | 企业名片
当前位置:技术文章 >> 设计开发 >>

2012-09-01 07:30:06  作者:  来源:我爱电子网  浏览次数:366  文字大小:【】【】【
关键字:WEB服务器 eCos ARM

  引言

  随着现代通信技术和网络技术的迅猛发展,以太网技术也越来越成熟,特别是基于TCP/IP通信协议的Web技术得到了广泛应用。我们可以用微控制器加以太网接口芯片,取代PC机进行现场控制,组成嵌入式Web Serv-er系统。现场传感器自动跟踪各监测点的信息,把检测到的数据存储在非易失性存储器中,并及时发布到互联网上;相关的工作人员就可以通过Web技术对设备进行远程控制、管理和维护,从浏览器上直接监控现场设备的运行,这样就大大提高了生产效率和管理水平。

  为了实现WEB服务器的功能,嵌入式操作系统和一个可实现的TCP/IP协议栈是必需的,因此对嵌入式处理器提出了更高的要求。与传统的8/16位单片机相比,ARM核处理器在运算速度、功耗和存储容量方面都有很大的优势,而且ARM核处理器可以很方便地实现嵌入式TCP/IP协议栈,所以ARM核处理器成为嵌入式Web服务器设备的首选处理器。系统的设计模型如图1所示。

  1 系统硬件设计

  ARM核处理器LPC2210基于支持实时仿真和嵌入跟踪的32/16位ARM7TDMI—S CPU。片内有16 KBSRAM,通过外部存储器接口配置成4组,每组的容量达16 MB。LPC2210采用144脚封装,功耗极低,具有多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出,最多可提供76个GPIO以及多达9个外部中断引脚;采用3级流水线技术,极大地提高了指令执行效率,通过可编程的片内锁相环(PLL)可实现最大60 MHz的CPU操作频率。

  LPC2210的EMC组合符合ARM公司的PL090标准,总线宽度可设置为8位、16位或32位,通常16位总线宽度的存储器具有较高的性价比。

  以Philips公司的ARM核处理器LPC2210为核心来实现嵌入式Web服务器;网络接口芯片采用Realtek公司的NE2000兼容芯片RTL8019AS,它内置了10BASE—T收发器,通过HR901170A器件接入以太网。硬件结构如图2所示。

 

  在图1中,LPC2210扩展了2 MB的NOR Flash(芯片型号为SST39VFl60)和8.MB PSRAM(芯片型号为MT45W4Mwl6)。为了方便调试及最终代码的固化应用,使用LPC2210外部存储器接口BankO和Bankl的地址空间,通过片选信号选通nCE_F和nCE_R,来将地址空间Bank0和Bankl分别分配给PSRAM和Flash。通常将代码固化到Flash,分配Flash为Bank0,PSRAM为Bankl,因为Bank0可以用来引导程序的运行。

  LPC2210的大容量片上存储器为TCP/IP协议栈的实现和数据处理提供了足够的存储空间;利用LPC2210SPI接口扩展MMC/SD卡作为外部非易失性存储器,可以将ADC现场采集的数据、IP地址、网卡物理地址以及更新网页保存在里面,需要时还可随时更换MMc/SD卡。LPC2210具有ARM和Thumb指令集,采用流水线处理技术,能在指令执行期间预处理下一条指令,极大地提高了指令执行效率,为需要快速传输数据的网络应用提供了有效的支持。

  2 系统软件设计

  eCos(embedded Configurable operating system,嵌入式可配置操作系统)是一种针对16位、32位和64位处理器的可移植嵌入式实时操作系统。由于其源代码公开,因而越来越多的设计人员开始关注eCos操作系统。eCos最大的特点是模块化、内核可配置。最小版本的eCos只有几百字节,非常适合小型嵌入式系统的开发。与嵌入式Linux相比,eCos有配置灵活和节省资源的优势。它的其他优点是使用多任务抢占机制、具有最小的中断延迟、支持嵌入式系统所需的所有同步原语,并拥有灵活的调度策略和中断处理机制。因而eCos具有良好的实时性,与μClinux和μC/OS等操作系统相比,它更适用于处理实时信号的设备,如移动通信、WLAN等通信设备的开发。

  3 eCos的移植

  图3所示为eCos的移植流程。eCos的移植通过3个子模块来完成,即体系结构抽象层(Architeeture Hal)、变体抽象层(Variant Hal)和平台抽象层(Platform Hal)。对一个新的体系结构来说,系统结构抽象层的建立相对来说比较困难。目前,eCos已经支持各种主流CPU,也就是说,eCos源码中包含了CPU的体系结构层和变体抽象层,所以移植工作主要集中在平台抽象层。

  RedBoot移植是平台抽象层移植的最好开始。RedBoot是位于硬件抽象层之上的命令行接口,并且包含GDB调试工具及其调试stub。一旦硬件抽象层移植到目标板中,RedBoot能将程序加载到目标板中,并且能在目标板上调试代码。

  4 TCP/IP协议栈——LwIP的实现

  LwIP是瑞士计算机科学院Adam Dunkles等人开发的用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。它既可以移植到操作系统上,也可以在无操作系统的情况下运行。LwIP实现的重点是,在保持TCP协议主要功能的基础上,减少对RAM的占用;一般只需要几十字节的RAM和40 KB左右的ROM就可以运行,这使得LwIP适合在中低端的嵌入式系统中应用。

  LwIP主要可以分为图4所示的几个层次。主要功能模块有:操作系统模拟层、网络接口函数、实现TCP/IP协议的各部分模块 (IP、UDP、TCP、IC—MP、ARP)、缓冲和存储管理子系统、校验和函数。

 

 

  LwIP API是一组应用程序接口,通过该接口程序员就可以使用LwIP所有的功能。另外,LwIP也为开发者提供了更加高级的BSD Socket APl,使其可以使用通用的Socket函数来编写网络通信软件。操作系统模拟层可以使LwIP能够使用操作系统提供的一些高级管理功能,例如信号量管理、消息队列管理、创建线程等。

  4.1 IP处理

  LwIP仅能实现IP层大部分基本功能。它虽然能够发送、接收以及转发信息包,但不能接收和发送IP分片包,也不能处理携带IP参数选项的信息包。不过对大多数的应用来说,这不会成为问题。

  ①接收信息包。对于到达的IP信息包,可由网络设备驱动调用ip_input()函数开始处理,并在这里完成对IP版本字段及包头长度的初始完整性检查,同时还要计算和验证包头校验和。

  ②发送信息包。外发的信息包由ip_output()函数处理,该函数使用ip_route()函数查找适当的网络接口来传送信息包。当外发的网络接口确定后,信息包传给以外发网络接口为参数的ip_output_if()函数。

  ③转发信息包。如果没有网络接口的地址与到达信息包的目标地址相同,信息包应被转发。这项工作由ip_ forward()函数完成。

  ④ICMP处理。ICMP处理相当简单。ip_input()函数收到的ICMP信息包被移交给icmp_input()函数,后者对ICMP包头解码,然后进行适当的动作。

  4.2 UDP处理

  UDP是被用来在不同进程问分解信息包的简单协议。每个UDP会话的状态保存在一个PCB结构体中。UDP PCB保存在一个链表中,当一个UDP数据包到达时对这个链表进行匹配检索。

  4.3 TCP处理

  TCP属于传输层协议,它为应用层提供了可靠的字节流服务。对它的描述要比对其他协议的描述复杂的多,其代码占了LwIP代码总量的50%。基本的TCP处理过程被分割为6个功能函数来实现,tcp_input()、tep_ process()及tcp_receive()函数与TCP输入有关,tcp_write()、tcp_enqueue()及tcp_output()则用于TCP输出。TCP的处理过程如图5所示。

 

  4.4 应用程序接口设计

  LwIP API专为LwIP设计,所以它可以充分利用LwIP的内部结构实现其设计目标。LwIP API与BSDAPI类似,但操作相对低级。API不需要在应用程序和协议栈之间复制数据,因为应用程序可以巧妙地直接处理内部缓冲区。另外,BSD Socket API易于理解,并且很多应用程序为它而写,所以LwIP保留一个BSD Socket兼容层是很有用的。

  鉴于TCP/IP协议栈的处理模式,APl分成两部分实现。如图6所示,一部分作为应用程序的连接库实现,另一部分在TCP/IP进程内实现。这两部分之间采用由操作系统模拟层提供的进程间通信机制(IPC)进行通信。当前的实现采用以下3种IPC方式:共享内存、消息传递和信号量。虽然这些IPC方式被操作系统支持,但它们并不需要操作系统底层支持,实际上是操作系统模拟层在模拟它们。

  结 语

  基于实时内核eCos,在嵌入式系统中实现了LwIP协议栈的移植与优化。移植优化后的LwIP栈做为一个网络模块运行,代码占用40 KB的ROM,实现了Ethernet/IP/TCP网络功能,并提供了模块API,与系统实现无缝连接。基于LwIP的网络应用任务与其他非网络应用任务在eGos实时内核管理下协调运行。进一步增强了协议栈的网络安全性与稳定性,并开发相应的的网络应用程序。“eCos/LwIP协议栈”架构有望应用在信息家电和网络化的仪器、仪表方面。

关于我们 | 广告业务 | 联系我们 | 汇款方式
  电子爱好者 版权所有 2008-2016 Elefans.com All Rights Reserved
免责声明:站内部份内容来源于互联网,本站不保证其真实性、合法性和准确性,也不承担任何直接或间接的保证责任。