基于ARM的嵌入式Internet技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 1.43MB 57 页 15积分

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摘要
ABSTRACT
第一章　绪　论...............................................................................................................1
§1.1 嵌入式系统的概念............................................................................................1
§1.1.1 嵌入式系统的特点..................................................................................1
§1.1.2 嵌入式系统的发展趋势..........................................................................2
§1.2 嵌入式 Internet...................................................................................................3
§1.2.1 嵌入式 Internet 的概念............................................................................3
§1.2.2 嵌入式 Internet 的应用............................................................................4
§1.2.3 嵌入式 Internet 的研究现状及关键问题................................................5
§1.3 本章小节............................................................................................................6
第二章 嵌入式系统硬件平台..........................................................................................8
§2.1 硬件平台主要元件的介绍................................................................................8
§2.2 嵌入式处理器、内存和以太网控制器............................................................9
第三章 LINUX 操作系统的移植...................................................................................11
§3.1 嵌入式操作系统的选择..................................................................................11
§3.2 Linux 操作系统的移植....................................................................................12
§3.2.1 移植需考虑的问题.......................................................................................12
§3.2.2 Linux 移植过程......................................................................................14
§3.3 本章小结..........................................................................................................19
第四章 嵌入式 TCP/IP 协议栈的设计与实现..............................................................20
§4.1 TCP/IP 协议层次模型.....................................................................................20
§4.2 嵌入式 TCP/IP 协议栈设计............................................................................22
§4.2.1 嵌入式 TCP／IP 协议栈设计思想........................................................22
§4.2.2 嵌入式 TCP/IP 中协议的选择..............................................................22
§4.3 嵌入式 TCP/IP 协议栈实现.............................................................................24
§4.3.1 嵌入式 TCP/IP 协议栈的实现特点......................................................24
§4.3.2 总体结构................................................................................................25
§4.3.3 链路层协议的实现................................................................................26
§4.3.4.网络层协议的实现................................................................................31
§4.3.5 数据传输层协议的实现........................................................................33
§4.3.6 HTTP 协议.............................................................................................39
§4.4 协议栈的进程模型..........................................................................................40
§4.5 本章小结..........................................................................................................41
第五章 嵌入式 Web 服务器的设计...............................................................................42
§5.1 HTTP 协议的实现...........................................................................................42
§5.1.1 HTTP 协议概述.....................................................................................42
§5.1.2 HTTP 传输过程.....................................................................................42
§5.1.3 HTTP 报文.............................................................................................43
§5.2 简单的 CGI.......................................................................................................45
§5.3 嵌入式 Web Server 的安全性..........................................................................47
§5.3.1 信息安全的目标....................................................................................47
§5.3.2 常用加密算法........................................................................................47
- 1 -

§5.3.3 嵌入式网络安全....................................................................................48
§5.4 嵌入式 WEB 服务器设计................................................................................49
§5.4.1 基础数据结构........................................................................................49
§5.5 本章小结..........................................................................................................51
第六章 结束语................................................................................................................52
§6.1 论文完成的工作..............................................................................................52
§6.2 问题和展望......................................................................................................53
参考文献.........................................................................................................................54
- 2 -

第一章绪论

第一章　绪　论

嵌入式系统式是随着计算机技术，微处理器技术、电子技术、通信技术、集成

电路技术的发展而发展起来的。嵌入式系统已成为计算机技术和计算机应用领域

的一个重要组成部分，它应用于人们工作、生活的各个方面，可以说，随着技术

的发展，嵌入式系统无处不在。

§1.1 嵌入式系统的概念

微电子技术的迅猛发展使得嵌入式系统广泛地融入人类的生活。嵌入式系统

是软件和硬件的结合体，它的正式定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础

软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算

机系统[1]。

嵌入式系统是硬件和软件的集合体。硬件包括嵌入式处理器/控制器/数字信号

处理器、存储器系统、外部接口及输入输出设备等。软件部分包括引导程序

（Bootloader）、嵌入式操作系统和应用程序。BootLoader 是在操作系统内核或用

户应用程序运行之前运行的一段小程序，通过这段小程序可以初始化硬件设备、

建立内存空间的映射图（有的 CPU 没有内存映射功能如 S3C44B0），从而将系

统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为调用操作系统内核或用户应用程序

准备好正确的环境；嵌入式操作系统 EOS（Embedded Operating System）负责嵌

入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制、协调并发活动；嵌入式应用

软件则是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标。

嵌入式系统发展至今己经有30 多年的历史，其大致经历了四个发展阶段：

以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功

能；以嵌入式中央处理器(CPU)为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统；

以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；以基于网络操作为标志的嵌入式系统。

§1.1.1 嵌入式系统的特点

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，其具有如下的特点：

（1）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行

业的具体应用相结合的产物，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。

（2）嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，是面向特定任务的。具体的应

- 1 -

基于 ARM 的嵌入式 Internet 技术研究

用需求决定着嵌入式处理器的选型和整个系统设计。它的硬件和软件都必须根据

具体需求高效地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高

的性能。

（3）比通用 PC 系统资源少。通常，嵌入式系统 CPU 都具有低功耗、体积小

集成度高等特点，能够把通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从

而有利于整个系统设计趋于小型化。嵌入式系统在运算速度、存储容量、功耗控制

等方面也存在一定程度的限制。

（4）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

存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。另外，由于大部分嵌入式

系统必须具有较高的实时性和较长的生命周期，因此对程序的质量，特别是可靠

性，有着较高的要求。

（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以

后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。

当前，嵌入式系统己经广泛地渗透到工业流水控制、通讯、仪器仪表、汽车、

船舶、航空航天、军事装备、农业、生物、交通、金融、消费类产品等领域。随着国内

外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术将越来越和人们的生活紧密

结合，成为后PC 时代 IT 领域发展的主力军[2]。

§1.1.2 嵌入式系统的发展趋势

随着技术的发展，嵌入式技术也出现一些新的发展趋势，主要体现在以下

几个方面：

（1）嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。嵌入式

系统的开发是一项系统工程，设计软件、硬件、系统集成等诸多方面，通过完备的

开发工具，可以使开发者把精力放在解决实际问题上，而不需要考虑开发平台方

面的问题。

（2）联网成为必然趋势。随着网络技术特别是Internet 技术的发展，未来的

嵌入式系统很多要求具有网络功能，成为网络式计算的一个节点，通过网络技术

的集成，嵌入式系统可以随时与网络连接，实现远程控制和资源共享。

（3）支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本；

（4）提供精巧的多媒体人机界面。提供友好的人机界面是嵌入式系统的基本

要求，随着嵌入式技术的发展，新的人机界面不断被开发出来，如手写输入，语

音输入/输出，图像输出技术等。

- 2 -

第一章绪论

§1.2 嵌入式 Internet

后PC 机时代的到来引发了信息产品的产生，而 Internet 与信息产品的结合是

当今发展的一个趋势，嵌入式 Internet 技术的产生正好迎合了这个趋势。由于

Internet 技术的渗透，嵌入式系统正变得越来越智能化并具有越来越多的网络友好

特性；又由于Web 技术的飞速发展，给嵌入式系统带入 Internet 提供了绝佳的途

径。

§1.2.1 嵌入式 Internet 的概念

嵌入式 Internet 是嵌入式系统与 Internet 的结合。Internet 已经成为人们获取信

息、相互交流的重要渠道。但随着 Internet 技术的飞速发展，人们已不仅仅满足于

信息资源的共享，也期望各种电子产品(如：传真机、电脑、VCD、DVD、电视机、

安全监视器等)能够被互连网络联到一起，实现“硬资源”的共享。而解决上述问

题的最好方法就是将嵌入式系统和 Internet 相结合，使嵌入式设备接入 Internet 网

络，这种技术就是嵌入式 Internet。利用该技术不仅可以大大扩展嵌入式设备的应

用范围，而且还可以充分利用网络资源，实现更广泛的信息共享和更多信息服务

嵌入式 Internet 系统中包含嵌入式处理机、嵌入式操作系统和应用程序部分，与

Internet 的接入则必须有对应的接入协议，如通用的 TCP／IP 协议。因此，实现嵌

入式 Internet 的基础是嵌入式处理机、嵌入式操作系统和接入 Internet 的通信协议

[2]。

对于嵌入式 Internet 系统来说，其实现的关键问题也包括软件和硬件两个部

分。它的硬件核心是嵌入式微处理器，软件的核心是嵌入式操作系统，正是这两

者性能的不断提高，才使得嵌入式 Internet 功能在嵌入式系统上得以实现。

1.嵌入式微处理器能上网的嵌入式设备需要加上TCP/TP 网络协议。由于

8/16 位单片机的速度不够快并且内存不够大，较难满足嵌入式设备的上网要求。

随着集成电路的发展，32 位微处理器的价格不断下降，已到了用户大量使用的时

候。32 位RISC 微处理器更是受到青睐，较有影响的嵌入式微处理器有 ARM 公司

的ARM、Compaq 公司的Alpha、IBM 公司的PowerPC、MIPS 公司的MIPs 等。

ARM 处理器具有高性能、低功耗、低成本等显著优点，己成为高性能、低功耗嵌入

式微处理器的代名词，是目前 32 位嵌入式微处理器中应用最广泛的一个系列。

2. 嵌入式操作系统目前嵌入式应用领域中相当多的产品都采用了嵌入式操

作系统（EOS，Embedded Operation System），其已经成为现代嵌入式系统的软

件平台。EOS 根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管

理、任务调度、异常处理等工作。在 EOS 支持的系统中，每个任务均有一个优先级。

- 3 -

基于 ARM 的嵌入式 Internet 技术研究

嵌入式操作系统根据各个任务的优先级，动态切换各个任务，保证实时性。开发

者编写程序时，可以分别编写各个任务模块，而不必同时处理所有模块运行的各

种可能，因此大大减小了程序编写的工作量，而且减小了出错的可能性，保证最

终程序具有高可靠性。

从二十世纪八十年代开始，陆续出现了一些的嵌入式操作系统。比较著名的

有VxWorks、Windows CE、Palm、Linux、uC/OS 等。但是大部分嵌入式操作系统的

价格昂贵，不利于学习和研究。最近几年，开放源码的嵌入式操作系统 Linux 得到

了广泛的发展与支持，使得我们在进行嵌入式应用系统开发中可以方便地使用这

些操作系统。

3.嵌入式 TCP/IP 协议栈嵌入式系统为了能够实现与以太网真正的交互，

必须在系统中实现 TCP/IP 协议。通常在 PC 机上实现的 TCP/IP 功能强大，但其代

码较长，实现过程复杂。在资源有限的嵌入式系统上实现类似于PC 机上的TCP/IP

协议不太可能。因此需要开发适合嵌入式系统特点，简化的 TCP/IP 协议栈。很多

商业的嵌入式操作系统如 VxWorks、Windows CE 中均带有这样的协议栈。但这些

软件的价格昂贵，而且大部分是不提供源码的。但比较有利的是，现在网络上有

很多源码开放的协议栈，并且完全免费。这对于学习研究者来说是很有吸引力的

比较常见的是 Linux[3]。

§1.2.2 嵌入式 Internet 的应用

当前嵌入式系统己经在家庭和工业的各个领域得到了应用。但目前大多数嵌

入式系统还处于单独应用的阶段，以 MCU 为核心，与一些监测、伺服、指示设备

配合实现一定的功能。但如果嵌入式系统能够连接到 Internet，我们就可以将所有

设备的信号都通过网络来传送，而且还可以做到通过网络充分共享多种设备，随

时查看嵌入式设备的情况，并指挥运转这些设备，从而方便、低廉地将信息传送

到几乎世界上的任何地方。

嵌入式 Internet 是从设备的角度来看Internet，即是把Internet 的功能嵌入到

设备中。在这种技术产生之前，如果想要控制远程设备，人们必须利用专有线路

费时、费力且非常不方便，如果想要控制可以移动的设备简直是不可能。使用嵌入

式Internet 技术，就可以利用浏览器通过现有的 Internet 而不是专线来控制设备，

例如工业现场设备，在配备网络接口和网络功能的嵌入式操作系统后，就可以让

远方的专家通过网络实现设备的远程管理和远程控制。

目前以 8/16 位单片机(MCU)为核心的嵌入式系统早已广泛应用于各个领域，

但这些应用大多数还处于单机使用的嵌入式低层次阶段。其特点是以 MCU 为核心

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