嵌入式網(wǎng)關(guān)是基于Internet技術(shù)的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)平臺的關(guān)鍵。它提供一個不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(如RS232接口、RS485接口、RF接口等)和以太網(wǎng)甚至是萬維網(wǎng)的連接。嵌入式網(wǎng)關(guān)提供嵌入式Web服務(wù)器以及對各種接口的連接方法。嵌入式Web服務(wù)器也是專門為嵌入式設(shè)備而設(shè)計的一種小巧精悍的Web服務(wù)器，能夠運行于嵌入式TCP/IP協(xié)議棧上，并能夠提供幾乎所有的傳統(tǒng)Web服務(wù)器所能夠提供的功能。
1 利用嵌入式網(wǎng)關(guān)的工廠管理方案
工廠內(nèi)部利用4 8 5線或者以太網(wǎng)來傳遞指令，并且可以采用2種方法對監(jiān)控對象故障發(fā)送報警信息：用標(biāo)準(zhǔn)的MODEM命令發(fā)送GSM短消息或通過SMTP客戶端發(fā)電子郵件。萬維網(wǎng)與控制網(wǎng)的交互是借助于嵌入式網(wǎng)關(guān)進行的。當(dāng)控制終端通過萬維網(wǎng)向作為智能節(jié)點的現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送控制信息時，它首先基于TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備總線采用相應(yīng)的TCP/IP協(xié)議、RS485協(xié)議、RS232協(xié)議發(fā)送給相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備。反過來也是這樣，嵌入式網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)化，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)解決了不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成問題，如圖1所示。
2 硬件子系統(tǒng)
Jupiter是韓國ADC公司生產(chǎn)的32位高速雙以太網(wǎng)處理器，是一款低成本、高性能、建立在以太網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的高性能價格比的處理器。該芯片內(nèi)含2個10/1 00Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，廣泛應(yīng)用于集線器和路由器的設(shè)計，其最大優(yōu)點類似于ARM內(nèi)核的內(nèi)建32位EISC處理器，支持uClinux操作系統(tǒng)，是當(dāng)今市場EISC系列的一個代表產(chǎn)品。Jupiter(EISC結(jié)構(gòu))與CISC芯片相比具有優(yōu)化嵌入式應(yīng)用專長、代碼優(yōu)化，而芯片結(jié)構(gòu)外平相當(dāng)。Jupiter指令的易操作性使得硬件功能實現(xiàn)變得更簡單。
Jupiter處理器工作頻率50MHz，采用16位單周期指令集，運算速度快;內(nèi)含4K Cache、2個10/100Mb/s自適應(yīng)雙以太網(wǎng)控制器、最大支持640×480的彩色STNLCD控制器、2個串行的UART、2個DMA、串行SIO控制器、4個3 2位定時器及可編程I/O口、1個中斷控制器、DRAM控制器、ROM/SRAM控制器;芯片系統(tǒng)管理器還包括內(nèi)部3 2位總線的仲裁器和擴展存儲器控制器;有8個3 2MB存儲器空間可供用戶擴展;處理器內(nèi)建DHCP Client(含PPPoE、Proxy、DNS)及DHCP Server兩項功能，可廣泛應(yīng)用于IP共享器、Sohu網(wǎng)關(guān)、工業(yè)現(xiàn)場Web服務(wù)器和瀏覽器、家庭網(wǎng)關(guān)、ADSL、工控網(wǎng)絡(luò)控制器等。韓國ADC公司的Jupiter芯片與其他公司的比較如表1所示。
3 軟件結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)所針對的是一些相對簡單的應(yīng)用。通常只有一個簡單(或固定的幾個)的應(yīng)用運行，實現(xiàn)的任務(wù)簡單，并且是針對具體應(yīng)用的，所以不需要復(fù)雜的任務(wù)管理、調(diào)度機制。從工程設(shè)計夠用就行的角度看，使用簡單的方法燒寫ROM，系統(tǒng)啟動后直接執(zhí)行該程序就可以了，根本不需要操作系統(tǒng)參與，開發(fā)人員能夠了解所有應(yīng)用啟動，資源管理細(xì)節(jié)，并能夠管理它們。 嵌入式網(wǎng)關(guān)根本作用是把嵌入式設(shè)備同現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)連接起來，但又在很大程度上保持原有嵌入式網(wǎng)絡(luò)的各自功能，所以網(wǎng)關(guān)必須具有解析多種協(xié)議的能力。對于這種較為復(fù)雜的應(yīng)用，傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計的方法已經(jīng)無法滿足要求，必須尋求操作系統(tǒng)以應(yīng)付多任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)的處理。
uCliux是Linux操作系統(tǒng)的一種，是由Linux2.0內(nèi)核發(fā)展來的，是專為沒有MMU的微處理器設(shè)計的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。因為大多數(shù)內(nèi)核源代碼都被重寫，uClinux的內(nèi)核要比原Linux2.0內(nèi)核小的多，但保留了Linux 操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點:穩(wěn)定性，優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)能力以及優(yōu)秀的文件系統(tǒng)支持.uClinux中u表示Micr0，小的意思，C表示Cntrol，控制的意思，所以uClinux就是MicrO-C0ntroller-Linux，字面上的理解就是“針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)”。
uClinux可以通過定制使內(nèi)棱小型化，還可以加上GUI(圖形用戶界面)和定制應(yīng)用程序，并將其放在ROM、RAM、Flash或Disk On Chip中啟動。由于嵌入式uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核定制高度靈活性，開發(fā)者可以很容易地對其進行按需配置，來滿足實際應(yīng)用需要。又由于uClinux是源代碼公開的，因此開發(fā)人員只要了解內(nèi)核原理就可以自己開發(fā)各類驅(qū)動程序。
Jupiter芯片是沒有內(nèi)存管理單元(MMU)的處理器,而uClinux很好地解決了沒有MMU內(nèi)存管理問題，采用存儲器的分頁管理.系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁。系統(tǒng)對于內(nèi)存的訪問是直接的(它對地址的訪問不需要經(jīng)過MMU，而是直接送到地址線上輸出)，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。操作系統(tǒng)對內(nèi)存空間沒有保護(這實際上是很多嵌入式系統(tǒng)的特點),各個進程實際上共享一個運行空間(沒有獨立的地址轉(zhuǎn)換表)。
4 網(wǎng)關(guān)的uCIinux的開發(fā)
Jupiter已向用戶免費提供了uCinux操作系統(tǒng)源代碼及其相關(guān)參考通信類源程序。開發(fā)板利用串行口與PC機串行口相連接，利用Cygwin仿真Linux操作系統(tǒng)環(huán)境，由ADC公司提供的EISCStudio軟件包對用戶程序進行在線Debg通信與調(diào)試。提供C編譯器鏈接、反匯編窗口和存儲器窗口、匯編和C源程序調(diào)試窗口，可單步、宏單步、斷點設(shè)置、斷點運行、連續(xù)運行、全速運行等，通過變量窗口可觀察并可修改源程序的變量，軟件支持模擬調(diào)試和在線調(diào)試兩種方式。
4.1 uClinux內(nèi)核的生成
首先安裝并運行Cygwin(Windows環(huán)境下虛擬Linux系統(tǒng)的軟件)。
進入X:cygwinhomeadministratoruClinux-eiSCuClInux-24.20(X為Cygwin安裝所在分區(qū))。
在Cygwin環(huán)境下執(zhí)行：
(1)>mike mroper;
(2)>make Jupiter_c0nfig;
(3)>make 01dconfig;
(4)>make dep;
(5)>maKe。
執(zhí)行完上述步驟后，生成了romimage.bln文件，其中包括seloader.bin(bootloader文件)、linux.bm(1inux內(nèi)核文件)和rdgz.bin(壓縮的ramdisk文件)
4.2 uClinux內(nèi)核的移植
通過燒錄器將seloader.bin下載到系統(tǒng)的EPROM芯片上后進行如下操作。
①把Jupiter的cOMl口連PC的COM0，啟動超級終端，并把JUPiter網(wǎng)口0連到內(nèi)部網(wǎng)上。啟動后，應(yīng)該在超級終端窗口中看到如下信息：
② 在PC上安裝并運行兩個服務(wù)程序DHCP和TFTPD。DHCP(動態(tài)主機分配協(xié)議)是一個簡化主機IP地址分配管理的TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。用戶可以利用DHCP服務(wù)器管理動態(tài)的IP地址分配及其它相關(guān)的環(huán)境配置工作(如DNS、WINS、Gateway的設(shè)置); tftpd是第三方的ftp工具，實現(xiàn)TFTP Internet 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不要求用戶名和密碼。
③通過dhcp設(shè)置用戶網(wǎng)關(guān)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理地址。Bootp sever configuration Option->add static address entry：Set the Hardware address by。"00：01:23:45:67:00"At the IP address first three octet must be same with server IPaddress and last octet can be anyone 設(shè)置完后自動啟動，在狀態(tài)欄中顯示:1istening onport 67。
④ 設(shè)置TFTPD.設(shè)置tftPd->configure.>homedirectory:為：X:tftpserver。在這目錄里存放了 linux.bin，rdgz.bin文件。然后tfptd->start,在狀態(tài)欄里顯示: serveris running。
⑤ 在超級終端中執(zhí)行bootp命令。命令:seloader>bootp。
⑥執(zhí)行tftp下載linux.bin命令：seloader>tftp linuxbin kernel。
⑦執(zhí)行tftp下載rdgz.bin命令：seloader>tftp rdgzbin ramdisk。
⑧執(zhí)行boot啟動uclinux 命令:seloader>boot。
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即在網(wǎng)關(guān)上建立了uClinux環(huán)境。驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)即可在LinUX平臺下進行。
5 總結(jié)
本文介紹了一種基于Jupiter處理器的網(wǎng)關(guān)設(shè)備·實際上，這些設(shè)備還需要針對特定的網(wǎng)絡(luò)接口進行二次開發(fā)。平臺提供的是以太網(wǎng)和RS485、RS232端的接入，編譯開放環(huán)境(編譯器、調(diào)試器、函數(shù)庫)。具體的二次開發(fā)包括針對特定的嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口器件開發(fā)驅(qū)動程序，針對具體的控制解決方案開發(fā)控制程序，實現(xiàn)具體的控制策略。