基于Linux的嵌入式WebServer的设计与实现

周丽丽

摘要：提出基于ARM9和Linux嵌入Web服务器的实现方案，介绍了基于S3C2410处理器嵌入式Web服务器的硬件电路和软件设计，通过搭建嵌入式交叉编译环境，移植BootLoader、Linux内核、文件系统、Boa网络服务器，给出了嵌入式Web服务器的实现方法，通过通用网关接口CGI，成功实现了动态网络服务。

关键词：S3C2410处理器；Linux；Web 服务器；BOA 网络服务器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-1966-03

嵌入式系统具有功能特定、规模可变、扩展灵活、有一定的实时性和稳定性、系统式内核比较小等特点。随着Internet技术持续发展，嵌入式产品的上网被寄予厚望。然而，以TCP/IP协议为核心的网络软件对于计算机系统的运算速度、内存空间要求相对较高。由于早期的CPU和单片机是嵌入式系统中的主体，运算能力有限，速度很慢，内存空间有限，硬件上的限制阻碍了网络的嵌入式应用。近年来，计算机硬件特别是CPU的发展得到很大幅度的提升，已经可以将操作系统、TCP/IP协议软件以及相应的应用软件存放在以Flash为主的存储器中。操作系统和TCP/IP协议软件随着Linux的普及揭开了神秘的面纱，嵌入式产品的网络化逐渐成为现实。

1 硬件系统设计

从技术上来讲，嵌入式产品网络化有多种方式。比如：有的是通过专门Webserver实现，有的是通过专用网关连接，也有的是在嵌入式产品中扩展传统网络技术，通过嵌入式系统本身的架构实现Webserver功能。前两种方案构成比较简单，实现的功能也比较单一，所以本文重在阐述后者，也即基于Linux的嵌入式Webserver系统的构建（硬件系统结构框图见图1）。

该系统主要由S3C2410处理器、Flash存储器、SDRAM、JTAG接口电路和时钟、复位、电源电路组成，通过专用以太网接口电路连接以太网，并通过RS232接口电路与PC电脑相连。其中核心处理器S3C2410采用Samsung公司生产的一款基于32位ARM核的RISC嵌入式处理器核，该处理拥有独立的16KB数据Cache和16KB指令Cache，SD主机和MMC接口，NAND闪存控制器，2个USB主机，1个USB设备，采用272-FBGA芯片封装，最高频率可运行在203MHz。

2 开发环境Linux平台建立

ARM Linux开发首先要有ARM Linux编译开发环境，常见做法是采用所谓“虚拟开发环境”方式。也就是主机使用Windows操作系统，虚拟机安装Linux系统，然后在虚拟机上建立ARM Linux编译开发环境。虚拟机搭建工具可以使用WMware WorkStation，它的完整使用过程大体分为：建立一个新的虚拟机、配置安装好的虚拟机、配置虚拟机的网络3个部分。

2.1 虚拟机建立

建立虚拟机的操作并不复杂，打开VMware软件环境，按照向导提示逐步操作，直至结束，就可以顺利完成全部过程。具体操作如下：首先启动VMware WorkStation 软件，单击【File】→ 【New】→【Virtual Machine】选项，会出现一个VMware安装向导窗口（见图2）。依指引操作，直至出现虚拟机相关参数的界面（见图3），单击【Finish】按钮，这时候就已经建立完成一个虚拟机了。

2.2 虚拟机配置

虚拟机配置是指对虚拟机的硬盘大小、内存容量和网络类型等各项参数进行设置修改的过程，虚拟机安装完成之后，就可以进行虚拟机配置。具体单击“Edit virtual machine settings”，开始进行参数设置，可以对虚拟机的Devices进行配置（见图4）。

2.3 配置网络

配置虚拟机网络也就是搭建Linux编译开发环境，它主要完成三大目标任务。一是目标板通过NFS协议挂接到服务器的开发目录下，二是开发终端通过串口监视目标程序的运行，三是利用Samba服务器的开发目录映射到终端的一个本地目录。完成Linux编译开发环境的搭建主要包括准备源文件、搭建工作目录、创建系统变量、创建binutils、编译内核以及创建boot-trap gcc、gblic、GCC和G++等过程。

3 软件系统设计

3.1 Boot Loader移植

当前比较流行的Boot Loader是由韩国Mizi公司开发的Vivi，它针对ARM9处理器设计，提供比较完备的命令体系，操作起来十分方便。该文即以Vivi为例来说明Boot Loader的移植过程。

Vivi在通常情况下有两种工作模式。第一种是启动加载模式，也称为自主模式，是 BootLoader的常规工作模式。这个过程不需要用户介入，Boot Loader自动从目标机上将操作系统加载到存储器中运行。第二种被称为下载模式，此时BootLoader会向用户提供一个命令行接口，目标机通过串口从主机下载文件。

Vivi既可实现对ARM920T内核的支持，也可实现对S3C2410板级的驱动支持，移植过程并不复杂。一般要求先下载和安装源码包，然后根据硬件结构、Linux系统版本及编译工具修改源文件即可，具体包括以下几个步骤：一是进行Vivi中与软件相关的修改，二是进行Vivi中与硬件有关的初始化，三是进行一些支持Nor Flash和Nang Flash启动的修改。

3.2 内核系统移植

在完成Boot Loader移植之后，就要开始内核的移植。Linux内核源码的顶层是usr/src/linux目录，在此目录下可以看到大量子目录。比如存放体系结构相关核心代码的arch 目录，存放用来重构核心大文件的include目录，存放内核初始化代码的init目录，存放体系结构特有内存管理程序的mm目录以及drivers目录、ipc目录、modules目录、fs目录等。

ARM Linux内核的移植，主要有以下几个步骤。第一，下载和安装内核源代码包；第二，下载内核补丁程序；第三，内核裁剪，并根据硬件系统的要求修改内核，选择或编写驱动程序；第四，编译并最终生成映像文件。由于不同ARM处理器的内核版本不一定相同，所以在移植之前，需要首先选择一个适合处理器的内核。本系统选用具有S3C2410的Linux-2.6.14内核，移植过程首先是去官方网站下载Linux-2.6.14内核，并通过命令：tarjxvfhnux一2.6.14.tar.bzZ解压内核。接下来修改makefile文件，主要是修改和体系结构相关的代码。然后进行内核编译，根据makefile文件的指示，使用make menuconfig：进行菜单式配置，组织内核各模块间的关系，记录各模块间的联系。

3.3 根文件系统cramfs移植

根文件系统的移植，是嵌入式系统移植的重要内容。只有顺利完成根文件系统的挂载，嵌入式系统移植才能宣告完成。根文件系统移植一般包括以下步骤：第一，建立文件系统基本目录结构。最顶端的称为根目录/，其它目录和文件树根向下分支，如用于存储二进制文件的/bin目录、存储管理系统二进制文件的/sbin目录等。第二，复制基本文件到/sbin目录。其中最重要的就是init程序，它是保障系统和运行的最基本程序，必不可少。此外还包括执行进程初始化文件/Linuxrc、调用程序配置网络的/mnt/etc/init.d/rcS文件等。第三，配置系统用户，保证只有通过设置的特定组的特定用户才能合法使用系统，实现系统的安全性。第四，根据系统实际应用需要，添加相关应用程序和系统设备文件。

嵌入式系统有多个根文件系统可供选择，其中Cramfs 是Linus Torvalds开发的一个具备嵌入式系统基本特性的文件系统。它是只读的，可以做到高效随机读取，不会降低系统速度，所以在各种根文件系统中是个较好的选择。cramfs移植首先是把/usr目录下的全部内容制成一个cramfs的Image文件，再把这个Image文件mount上来，然后通过loopback设备来完成block设备任务，也就是在/etc/init.d/rcS脚本前面部分加上mount命令，经由loopback设备把这个cramfs的image文件mount到/usr目录上去。最后生成目录树映像文件，根文件系统cramfs也就基本建成了。

4 系统的调试与集成

嵌入式Linux系统主要有三个Web服务器，即httpd、thttpd和boa。其中httpd支持超文本协议，thttpd提供HTTP和简单的CGI支持。本系统选择boa Web服务器，它小巧高效，支持CGI，源代码开放，非常适合嵌入式系统。实际安装时，把index.html放置在/etc/boa/web，用C语言编写CGI程序，名为httpRpmCgi.c。程序通过httpRpmCgi4Nvs （HTTP_REQ_ID reqId） 对CGI参数要进行编码转换，如+变成空格等，找出retpage参数，用httpGetEnv（“QUERY_STRING”）获得数据，再通过arm-Linux-gcc进行交叉编译，将得到的可执行文件httpRpmCgi.cgi拷贝到主机的/etc/boa/cgi-bin，然后用ifconfig设置目标板ip地址为192.168.3.26。启动Boa服务器，在浏览器地址栏输入http：// 192.168.3.26/ cgi-bin/httpRpmCgi.cgi，即可看到默认页面。至此，CGI脚本测试通过，嵌入式WebServer移植成功。

参考文献：

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[3] 顾咏枫，陈章龙.嵌入式Linux裁剪方法[J].小型微型计算机系统，2003（9）.

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