嵌入式Linux系统CGI程序设计技术

由aafso 分享时间：2023-09-17 09:48:47 收藏本文

【简介】感谢网友“aafso”参与投稿，以下是小编为大家准备的嵌入式Linux系统CGI程序设计技术(共10篇），仅供参考，欢迎大家阅读。

篇1：嵌入式Linux系统CGI程序设计技术

来源：单片机及嵌入式系统应用作者：广东工业大学郑伟徐荣华王钦若

摘要：在详细介绍一种嵌入式Web服务器BOA的实现与配置方法的基础上，以一个Web在线远程监控GPIO（通用输入/输出）的程序为实例，介绍嵌入式Linux系统下CPU程序设计技术。

关键词：嵌入式系统Linux BOA CGI GPIO

1 概述

随着互联网应用的普及，越来越多的信息化产品需要接入互联网通过Web页面进行远程访问。嵌入式Web系统提供了一种经济、实用的互联网嵌入式接入方案。这里结合一种嵌入式Web Server BOA来介绍嵌入式Linux系统下的CGI程序设计技术。

2 Web Server BOA的实现与配置

2.1 uClinux下，主要有三个Web Server:HTTPD、THTTPD和BOA。HTTPD是最简单的一个Web Server,它的功能最弱，不支持认证，不支持CGI。THTTPD和BOA都支持认证、CGI等，功能都比较全。BOA是一个单任务的小型HTTP服务器，源代码开放、性能优秀，特别适合应用在嵌入式系统中。目前的uClinux的代码中已经包含BOA的源代码。在uClinux下实现BOA，只需要对BOA做一些配置和修改。以下是配置的过程。

（1）编译BOA到内核

首先，需要把BOA编译到内核，即执行make menuconfig，在应用程序选单中network application项下面选择boa。该操作需要重新编译内核。

（2）编制配置文件boa.conf

在Linux操作系统下，应用程序的配置都是以配置文件的形式提供的，一般都是放在目标板/etc/目录下或者/etc/config目录下。但boa的配置文件boa.cont一般都旋转在目标板/home/httpd/目录下。

例如，一个典型的boa.conf文件格式如下：

ServerName Samsung-ARM

DocumentRoot/home/httpd

ScriptAlias/cgi-bin/home/httpd/cgi-bin/

ScriptAlias//home/httpd/

它指定了HTML页面必须放到/home/httpd目录下，cgi外部扩展程序必须放到/home/httpd/cgi-bin目录下。

（3）编译烧写内核

重新编译内核后，通过烧写工具烧写内核，就可以在PC上通过IE浏览器访问开发板上的.Web Server。例如，输入开发板的IP地址192.168.0.101，即可访问到自己做的网页index.html了。并且，通过编写CGI外部扩展程序，可以实现动态Web技术，下面将详细介绍。

2．2 具有MMU平台的Linux下B0A的实现与配置

对于有MMU（内存管理单元）的平台，如armlinux和ppclinux，可以到网上下载一个主流版本的boa发行包。因为是运行在目标系统，所以要用交叉编译工具编译，即需要修改boa/src/Makefile里面的编译器。例如：

CC=/LinuxPPC/CDK/bin/powerpc-linux-gcc

CPP=/LinuxPPC/CDK/bin/powerpc-linux-g++

然后直接在boa/src目录下执行make，即可生成BOA可执行文件；将其编译入内核，并烧写到存储设备，就可以实现访问BOA服务器。

篇2：嵌入式Linux系统CGI程序设计技术

CGI（Common Gateway Interface）是外部应用扩展应用程序与WWW服务器交互的一个标准接口。按照CGI标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端浏览器输入的数据，从而完成客户端与服务器的交互操作。而CGI规范就定义了Web服务器如何向扩展应用程序发送消息，在收到扩展应用程序的信息后又如何进行处理等内容。通过CGI可以提供许多静态的HTML网页无法实现的功能，比如搜索引擎、基于Web的数据库访问等等。

3．1 工作原理

（1）WWW和CGI的工作原理

HTTP协议是WWW的基础，它基于客户/服务器模型，一个服务器可以为分布在网络中处的客户提供服务；它是建立在TCP/IP协议之上的“无连接”协议，每次连接只处理一个请求。在服务器上，运行产着一个守护进程对端口进行监听

，等待来自客户的请求。当一个请求到来时，将创建一个子进程为用户的连接服务。根据请求的不同，服务器返回HTML文件或者通过CGI调用外部应用程序，返回处理结果。服务器通过CGI与外部程序和脚本之间进行交互，根据客户端在进行请求时所采取的方法，服务器会收集客户所提供的信息，并将该部分信息发送给指定的CGI扩展程序。CGI扩展程序进行信息处理并将结果返回服务器，然后服务器对信息进行分析，并将结果发送回客户端。

外部CGI程序与WWW服务器进行通信、传递有关参数和处理结果是通过环境变量、命令行参数和标准输入来进行的。服务器提供了客户端（浏览器）与CGI扩展程序之间的信息交换的通道。CGI的标准输入是服务器的标准输出，而CGI的标准输出是服务器的标准输入。客户的请求通过服务器的标准输出传送给CGI的标准输入，CGI对信息进行处理后，将结果发送到它的标准输入，然后由服务器将处理结果发送给客户端。

（2）URL编码

客户端浏览器向服务器发送数据采用编码的形式进行。该编码就是CRL编码。编码的主要工作是表单域的名字和值的转义，具体的做法为：每一对域和值里的空格都会被替换为一个加号（+）字符，不是字母或数字的字符将被替换为它们的十六进制数字形式，格式为%HH。HH是该字符的ASCII十六进制值。

标签将被替换为“%0D%0A”。

信息是按它们在表单里出现的顺序排列的。数据域的名字和数据域的值通过等号（=）字符连在一起。各对名/值再通过“&”字符连接在一起。经过这些编码处理之后，表单信号就整个成为一个连续的字符流，里面包含着将被送往服务器的全部信息。

因为表单输入信息都是经过编码后传递给脚本程序的，所以CGI扩展程序在使用这些参数之前必须对它们进行解码。

3．2 CGI外部扩展程序编制

服务器程序可以通过三种途径接收信息：环境变量、命令行和标准输入。具体使用哪一种方法要由

它调用的服务器脚本程序是/cgi/bin/cgi_gpio.cgi。CGI扩展程序中FORM表单的解码可参考如下程序：

/*function getPOSTvars*/

char **getPOSTvars{

int i;

int content_length;

char **postvars;

char *postinput;

char **pairlist;

int paircount=0;

chr *nvpair;

char *eqpos;

postinput=getenv(“CONTENT_LENGTH”);//获取传送给程序数据的字节数

if(!postinput)

exit();

if(!content_length=atoi(postinput))) //获取信息长度

exit(1);

if(!(postinput=(char*)malloc(content_length+1)))

exit(1);

if(!fread(postinput,content_length,1,stadin))

exit(1);

postinput[content_length]='0';

for(i=0;postinput[i];i++)

if(postinput[i]=='+')

postinput[i]=''; //对加易进行处理

pairlist=(char **)malloc(256*sizeof(char **));

paircount=0;

nvpair=strtok(postinput,“&”);//从出现“&”字符的位置把信息分段，然后对结果依次处理

while (nvpair){

pairlist[paircount++]=strdup(nvpair);

if(!(paircount%256))

pairlist=(char**)realloc(pairlist,(paircount+256)*sizeof(char**));

nvpair=strtok(NULL,“&”);

}

pairlist[paircount]=0;

postvars=(char**)malloc((paircount*2+1)*sizeof(char **));

for(i=0;i

if(eqpos=strchr(pairlist[i],'=')){

*eqpos='0';

unescape_url(postvars[i*2+1]=strdup(eqpos+1));//调用unescape_url函数继续解码

}else{

unescape_url(postvars[i*2+1])=strdup(“”));

}

postvars[paircount*2]=0;

for(i=0;pairlist[i];i++)

free(pairlist[i]);

free(pairlist);

free(postinput);

return postvars;

}

其中，unescape_url函数再调用x2c函数，把（不是字节或数字的）特殊字符从其%HH表示方式解码为文本字符。

/*unescape_url function*/

static void unescape_url(char *url){

int x,y;

for(x=0,y=0;url[y];++x,++y){

if((url[x]=url[y])=='%'){

url[x]=x2c(&url[y+1]);

y+=2;

}

url[x]='0';

}

(3)直接URL加参数传递方法

这是一种不使用表单就可以向CGI传送信息的方法。它把信息直接追加在URL地址后面，信息和URL之间用号号（？）来分隔。例如，对于一个cgi_gpio.cgi的脚本，可以从如下的链接启动：

/*cgi-bin/cgi_gpio.cgi?flag=1 Operate P1

CGI扩展程序中可使用如下代码接收信息：char *get_input;//用于接收环境变量

get_input=getenv(“QUERY_STRING”);

if(get_input){

get_input=strdup(get_input);

printf(“QUERY_STRING if %s”,get_input);

}

/*判断flag=x信息*/

if(!strcmp(get_input,“flag=0”)

...//Operate p0

else if(!strcmp(get_input,“flag=1”)

...//Operate P1

else

...//Operate P2

对于上述三种方法，可以根据不同的应用场合和应用要求进行选取。

结语

嵌入式Web Server系统方案可以广泛应用在许多领域，如自动化设备的远程监控、嵌入式GSM短消息平台以及远程家庭医疗等。并且，随着互联网应用领域的不断深入，嵌入式Internet技术将得到更为广泛的应用和发展。

篇3：嵌入式Linux系统CGI程序设计技术

嵌入式Linux系统CGI程序设计技术

来源：单片机及嵌入式系统应用作者：广东工业大学郑伟徐荣华王钦若

关键词：嵌入式系统Linux BOA CGI GPIO

1 概述

2 Web Server BOA的.实现与配置

（1）编译BOA到内核

首先，需要把BOA编译到内核，即执行make menuconfig，在应用程序选单中network application项下面选择boa。该操作需要重新编译内核。

（2）编制配置文件boa.conf

例如，一个典型的boa.conf文件格式如下：

ServerName Samsung-ARM

DocumentRoot/home/httpd

ScriptAlias/cgi-bin/home/httpd/cgi-bin/

ScriptAlias//home/httpd/

它指定了HTML页面必须放到/home/httpd目录下，cgi外部扩展程序必须放到/home/httpd/cgi-bin目录下。

（3）编译烧写内核

重新编译内核后，通过烧写工具烧写内核，就可以在PC上通过

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篇4：用C语言进行CGI程序设计Unix系统

MI LY: 宋体; mso-bidi-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 0pt“>一、 CGI 概述 CGI( 公用网关接口 ) 规定了 Web 服务器调用其他可执行程序 (CGI 程序 ) 的接口协议标准， Web 服务器通过调用 CGI 程序实现和 Web 浏览器的交互 , 也就是 CGI 程序接受 W

MILY: 宋体; mso-bidi-font-family: 宋体; mso-font-kerning: 0pt”>一、CGI概述

CGI(公用网关接口)规定了Web服务器调用其他可执行程序(CGI程序)的接口协议标准。Web服务器通过调用CGI程序实现和Web浏览器的交互,也就是CGI程序接受Web浏览器发送给Web服务器的信息,进行处理,将响应结果再回送给Web服务器及Web浏览器。CGI程序一般完成Web网页中表单(Form)数据的处理、数据库查询和实现与传统应用系统的集成等工作。CGI程序可以用任何程序设计语言编写,如Shell脚本语言、Perl、Fortran、Pascal、C语言等。但是用C语言编写的CGI程序具有执行速度快、安全性高(因为C语言程序是编译执行且不可被修改)等特点。

CGI接口标准包括标准输入、环境变量、标准输出三部分。

1.标准输入

CGI程序像其他可执行程序一样,可通过标准输入(stdin)从Web服务器得到输入信息,如Form中的数据,这就是所谓的向CGI程序传递数据的POST方法。这意味着在操作系统命令行状态可执行CGI程序,对CGI程序进行调试。POST方法是常用的方法,本文将以此方法为例,分析CGI程序设计的方法、过程和技巧。

2.环境变量

操作系统提供了许多环境变量,它们定义了程序的执行环境,应用程序可以存取它们。Web服务器和CGI接口又另外设置了自己的一些环境变量,用来向CGI程序传递一些重要的参数。CGI的GET方法还通过环境变量QUERY-STRING向CGI程序传递Form中的数据。

3.标准输出

CGI程序通过标准输出(stdout)将输出信息传送给Web服务器。传送给Web服务器的信息可以用各种格式,通常是以纯文本或者HTML文本的形式,这样我们就可以在命令行状态调试CGI程序,并且得到它们的输出。

下面是一个简单的CGI程序,它将HTML中Form的信息直接输出到We b浏览器。

代码:

#include

main

{

int,i,n;

printf (″Contenttype:text/plainnn″);

n=0;

if(getenv(″CONTENT-LENGTH″))

n=atoi(getenv(CONTENT-LENGTH″));

for (i=0;i

putchar(getchar());

putchar (′n′);

fflush(stdout);

}

下面对此程序作一下简要的分析。

代码:

prinft (″Contenttype:text/plainnn″);

此行通过标准输出将字符串″Contenttype:text/plainnn″传送给Web服务器。它是一个MIME头信息,它告诉Web服务器随后的输出是以纯ASCII文本的形式。请注意在这个头信息中有两个新行符,这是因为Web服务器需要在实际的文本信息开始之前先看见一个空行。

代码:

if (getenv(″CONTENT-LENGTH″))

n=atoi (getenv(″CONTENT-LENGTH″));

此行首先检查环境变量CONTENT-LENGTH是否存在。Web服务器在调用使用POST方法的CGI程序时设置此环境变量,它的文本值表示Web服务器传送给CGI程序的输入中的字符数目,因此我们使用函数atoi()将此环境变量的值转换成整数,并赋给变量n。请注意Web服务器并不以文件结束符来终止它的输出,所以如果不检查环境变量CONTENT-LENGTH,CGI程序就无法知道什么时候输入结束了。

代码:

for (i=0;i

putchar(getchar());

此行从0循环到(CONTENT-LENGTH-1)次将标准输入中读到的每一个字符直接拷贝到标准输出,也就是将所有的输入以ASCII的形式回送给Web服务器。

通过此例,我们可将CGI程序的一般工作过程总结为如下几点。

1.通过检查环境变量CONTENT-LENGTH,确定有多少输入;

2.循环使用getchar()或者其他文件读函数得到所有的输入;

3.以相应的方法处理输入;

4.通过″Contenttype:″头信息,将输出信息的格式告诉Web服务器;

5.通过使用printf()或者putchar()或者其他的文件写函数,将输出传送给Web服务器。

总之,CGI程序的主要任务就是从Web服务器得到输入信息,进行处理,然后将输出结果再送回给Web服务器。

二、环境变量

环境变量是文本串(名字/值对),可以被OS Shell或其他程序设置,也可以被其他程序访问。它们是Web服务器传递数据给CGI程序的简单手段,之所以称为环境变量是因为它们是全局变量,任何程序都可以存取它们。

下面是CGI程序设计中常常要用到的一些环境变量。

HTTP-REFERER:调用该CGI程序的网页的URL。

REMOTE-HOST:调用该CGI程序的Web浏览器的机器名和域名。

REQUEST-METHOD:指的是当Web服务器传递数据给CGI程序时所采用的方法,分为GET和POST两种方法。GET方法仅通过环境变量(如QUERY-STRING)传递数据给CGI程序,而POST方法通过环境变量和标准输入传递数据给CGI程序,因此POST方法可较方便地传递较多的数据给CGI程序。

SCRIPT-NAME:该CGI程序的名称。

QUERY-STRING:当使用POST方法时,Form中的数据最后放在QUERY-STRING中,传递给CGI程序。

CONTENT-TYPE:传递给CGI程序数据的MIME类型,通常为″applica tion/x-www-form-url encodede″,它是从HTML Form中以POST方法传递数据给CGI程序的数据编码类型,称为URL编码类型。

CONTENT-LENGTH:传递给CGI程序的数据字符数(字节数)。

在C语言程序中,要访向环境变量,可使用getenv()库函数。例如:

代码:

if (getenv (″CONTENT-LENGTH″))

n=atoi(getenv (″CONTENT-LENGTH″));

请注意程序中最好调用两次getenv():第一次检查是否存在该环境变量,第二次再使用该环境变量，

这是因为函数getenv()在给定的环境变量名不存在时,返回一个NULL(空)指针,如果你不首先检查而直接引用它,当该环境变量不存在时会引起CGI程序崩溃。

三、From输入的分析和解码

1.分析名字/值对

当用户提交一个HTML Form时,Web浏览器首先对Form中的数据以名字/值对的形式进行编码,并发送给Web服务器,然后由Web服务器传递给CGI程序。其格式如下:

name1=value1&name2=value2&name3=value3&name4=value4&...

其中名字是Form中定义的INPUT、SELECT或TEXTAREA等标置(Tag)名字,值是用户输入或选择的标置值。这种格式即为URL编码,程序中需要对其进行分析和解码。要分析这种数据流,CGI程序必须首先将数据流分解成一组组的名字/值对。这可以通过在输入流中查找下面的两个字符来完成。

每当找到字符=,标志着一个Form变量名字的结束;每当找到字符& ,标志着一个Form变量值的结束。请注意输入数据的最后一个变量的值不以&结束。一旦名字/值对分解后,还必须将输入中的一些特殊字符转换成相应的ASCII字符。这些特殊字符是:

+:将+转换成空格符;

%xx:用其十六进制ASCII码值表示的特殊字符。根据值xx将其转换成相应的ASCII字符。

对Form变量名和变量值都要进行这种转换。下面是一个对Form数据进行分析并将结果回送给Web服务器的CGI程序。

代码:

#include

int htoi(char *);

main()

{

int i,n;

char c;

printf (″Contenttype: text/plainnn″);

n=0;

if (getenv(″CONTENT-LENGTH″))

n=atoi(getenv(″CONTENT-LENGTH″));

for (i=0; i

int is-eq=0;

c=getchar();

switch (c){

case ′&′:

c=′n′;

break;

case ′+′:

c=′′;

break;

case ′%′:{

char s[3];

s[0]=getchar();

s[1]=getchar();

s[2]=0;

c=htoi(s);

i+=2;

}

break;

case ′=′:

c=′:′;

is-eq=1;

break;

};

putchar(c);

if (is-eq) putchar(′′);

}

putchar (′n′);

fflush(stdout);

}

/* convert hex string to int */

int htoi(char *s)

{

char *digits=″0123456789ABCDEF″;

if (islower (s[0])) s[0]=toupper(s[0]);

if (islower (s[1])) s[1]=toupper(s[1]);

return 16 * (strchr(digits, s[0]) -strchr (digits,′0′)

)

+(strchr(digits,s[1])-strchr(digits,′0′));

}

上面的程序首先输出一个MIME头信息给Web服务器,检查输入中的字符数,并循环检查每一个字符。当发现字符为&时,意味着一个名字/值对的结束,程序输出一个空行;当发现字符为+时,将它转换成空格;当发现字符为%时,意味着一个两字符的十六进制值的开始,调用htoi()函数将随后的两个字符转换为相应的ASCII字符;当发现字符为=时,意味着一个名字/值对的名字部分的结束,并将它转换成字符:。最后将转换后的字符输出给Web服务器。

四、产生HTML输出

CGI程序产生的输出由两部分组成:MIME头信息和实际的信息。两部分之间以一个空行分开。我们已经看到怎样使用MIME头信息″Cont enttype:text/plainnn″和printf()、put char()等函数调用来输出纯ASCII文本给Web服务器。实际上,我们也可以使用MIME头信息″C ontenttype:text/htmlnn″来输出HTML源代码给Web服务器。请注意任何MIME头信息后必须有一个空行。一旦发送这个MIME头信息给We b服务器后,Web浏览器将认为随后的文本输出为HTML源代码,在HTML源代码中可以使用任何HTML结构,如超链、图像、Form,及对其他CGI程序的调用。也就是说,我们可以在CGI程序中动态产生HTML源代码输出,下面是一个简单的例子。

代码:

#include

main()

{

printf(″Contenttype:text/htmlnn″);

printf(″n″);

printf(″An HTML Page From a CGIn″);

printf(″

n″);

printf(″

This is an HTML page generated from with i n a CGI program...

n″);

printf(″

n″);

printf(″Go back to out put.html page <

/b>n″);

printf(″n″);

fflush(stdout);

}

上面的CGI程序简单地用printf()函数来产生HTML源代码。请注意在输出的字符串中如果有双引号,在其前面必须有一个后斜字符,这是因为整个HTML代码串已经在双引号内,所以HTML代码串中的双引号符必须用一个后斜字符来转义。

五、结束语

本文详细分析了用C语言进行CGI程序设计的方法、过程和技巧。C语言的CGI程序虽然执行速度快、可靠性高,但是相对于Perl语言来说,C语言缺乏强有力的字符串处理能力,因此在实际应用中,应根据需要和个人爱好来选择合适的CGI程序设计语言。

原文转自：www.ltesting.net

篇5：基于ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计

基于ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计

摘要：在介绍基于ARM体系的嵌入式系统启动流程的基础上，结合编程实例，详细、系统地叙述了BSP（板级支持包）程序的各个组成部分及其具体设计方案，并就实际程序设计中的几个难点问题做了说明。

关键词：ARMBSP嵌入式系统微处理器

ARM公司在32位RISC的CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。

BSP（BoardSupportPackage）板级支持包介于主板硬件和操作系统之间，其功能与PC机上的BIOS相类似，主要完成硬件初始化并切换到相应的操作系统。BSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一CPU来说，尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的。另外，仔细研究所用的芯片资料也十分重要，例如尽管ARM在内核上兼容，但每家芯片都有自己的特色。所以这就要求BSP程序员对硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。

本文介绍基于ARM体系的嵌入式应用系统初始化部分BSP的程序设计。本文引用的源码全部是基于HMS320C7202芯片设计，并已成功运行。

1初始化过程

尽管各种嵌入式应用系统的结构及功能差别很大，但其系统初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系统的启动流程如图1所示。

1.1设置入口指针

启动程序首先必须定义指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。一般地，程序在编译链接时将异常中断向量表链接在0地址处，并且作为整个程序入口点。入口点代码如下：

ENTRY（_start）；开始

1.2设置异常中断向量表

ARM要求中断向量表必须放置在从0开始、连续8×4字节的空间内。各异常中断向量地址以及中断的算是优先级如表1：

表1各异常中断的中断向量地址以及中断的处理优先级

中断向量地址异常中断类型异常中断模式优先级（6最低）0x0复位特权模式（SVC）10x4未定义中断未定义指令中止模式（Undef)60x8软件中断（SWI）特权模式（SVC）60x0c指令预取中止中止模式50x10数据访问中止中止模式20x14保留未使用未使用0x18外部中断请求（IRQ）外部中断（IRQ）模式40x1c快速中断请求（FIQ）快速中断（FIQ）模式3

每当一个中断发生后，ARM处理器便强制把程序计数器（PC）指针置为向量表中对应中断类型的地址值。因为每个中断向量仅占据放置1条ARM指令的空间，所以通常放置1条跳转指令或向程序计数器（PC）寄存器赋值的数据访问指令，使程序跳转到相应的异常中断处理程序执行。如果异常中断处理程序起始地址小于32MB，使用B跳转指令；如果跳转范围大于32MB，使用LDR指令。

另外，对于各未用中断，可使其指向一个只含返回指令的哑函数，以防止错误中断引起系统的混乱。

1.3初始化存储系统

初始化存储系统的编程对象是系统的存储器控制器，一个系统可能存在多种存储器类型的接口，不同的存储系统的设计不尽相同。Flash和SRAM同属于静态存储器类型，可以合用一个存储器端口；而DRAM因为有动态刷新和地址线复用等特性，通常配有专用的存储器端口。其中，SDRAM必须在初始化阶段进行设置，因为大部分的程序代码和数据都要在SDRAM中运行。

在HMS30C7202中，与SDRAM配置有关的寄存器有4个：配置寄存器、刷新定时寄存器、写缓冲写回寄存器和等待驱动寄存器，需要根据实际的系统设计对此分别加以正确配置。

SDRAM的初始化过程如下：加电→延迟10ms（各具体SDRAM器件延时时间可能不同）→设置配置寄存器参数→延时→写刷新定时寄存器，设置刷新周期→延时→使能自动刷新→延时→设置模式寄存器（位于SDRAM内部）。

1.4存储器地址分布重映射（remap）和MMU

系统一上电，程序将自动从0地址处开始执行。因此，必须保证在0地址处存在正确的代码，即要求0地址开始入是非易失性的ROM或Flash等。但是因为ROM或Flash的访问速度相对较慢，每次中断响应发生后，都要从读取ROM或Flash上面的向量表开始，影响了中断响应速度。一般程序执行后将SDRAM映射为地址0，并把系统程序加载到SDRAM中运行，其具体步骤可以采用以下的方案：

（1）上电后，从0地址的ROM开始往下执行；

（2）根据映射前的地址，对SDRAM进行必要的代码和数据拷贝；

（3）拷贝完成后，进行重映射操作；

（4）因为RAM在重映射前准备好了内容，使得PC指针能继续在RAM里取得正确的指令。

在这种地址映射的变化过程中，程序员需要仔细考虑的是：程序的执行流程不能被这种变化所打断，注意保证程序流程在重映射前后的承接关系。

存储器的地址分配是很灵活的，可以将I/O操作映射成内存操作，也可以通过映射对某些不可访问的地址空间进行保护等。进行存储器初始化设计时，一定要根据应用程序的具体要求来完成地址分配。对地址管理通过MMU即存储器管理单元实现。

在ARM系统中，MMU通过页式虚拟存储管理，将虚拟空间和物理空间分别分成一个个固定大小的页，并建立两者之间的映射关系，从而实现虚拟地址到物理地址的转换。MMU还可完成存储器访问权限的控制和虚拟存储器空间缓冲特性的设置。

以下是实现MMU的部分代码：

for=(i=1;i<0x1000;i++){

pagetable[i]=(i<<20)|MMU_SECDESC;

}//建立页表，每页大小为1MB，页表偏移序号是物理地址的高12位；

for(addr=SDRAM_BASE;addr<(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2);addr+=SIZE_1M)

pagetable[addr>>20]=addr|MMU_SECDESE|

MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//将SDRAM_BASE至（SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2）空间的设置为不可CACHE和不可BUFFER的

for(addr=SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE/2;addr<(SDRAM_BASE+SDRAM_SIZE);addr+=SIZE_1M)

pagetable[addr>>20]=(addr+0x1000000)|

MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//将这段空间的地址映射关系设置为VA（虚拟地址）=PA（物理地址）+0x1000000

pagetable[0]=(0x42f00000)|MMU_SECDESC|MMU_CACHEABLE|MMU_BUFFERABLE;

//将SDRAM的虚拟地址0x42f00000映射到0处

1．5初始化各模式下的堆栈指针

因为ARM处理器有7种执行状态，每一种状态的堆栈指针寄存器（SP）都是独立的（System和User三项式使用相同SP寄存器）。因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给SP寄存器定义一个堆栈地址。方法是改变状态寄存器（CPSR）内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给SP赋值。这里列出的代码定义了三种模式的SP指针，其中，I_Bit表示IRQ的中断禁止位；F_Bit表示FIQ的`中断禁止位：

@；SetupSVCstacktobe4Kontopofzero-initdata

LDRr1,=installStack

ADDsp,r1,#2048

@;SetupIRQandFIQstacks

MOVr0,#(Mode_IRQ32|I_Bit)

MSRcpsr,r0

MOVr0,r0

ADDsp,r1,#2048*2

MOVr0,#(Mode_FIQ32|I_Bit|F_Bit)

MSRcpsr,r0

MOVr0,r0

ADDsp,r1,#2048*3

一般堆栈的大小要根据需要而定，但是要尽可能给堆栈分配快速和高带宽的存储器。堆栈性能的提高对系统性能的影响是非常明显的。

1．6初始化有特殊要求的端口、设备

有些关键的I/O部件必须在使能IRQ和FIQ之前进行初始化。因为如果在使能IRQ和FIQ之前没有进行初始化，可以产生假的异常中断信号。程序中初始化了HMS30C7202的串口1用来调试程序与其它设备通信。串口1是一个通用全双工异步接收/发送器（UART），它支持16C550的大部分功能。UART有接收缓冲/发送保持寄存器、波特率除数锁存器、中断允许寄存器等9个寄存器。对串口1的初始化主要是对各寄存器的设置，其实现代码如下所示：

_outb(ser_base+0x30,1);

_outw(0x8002301c,0xffff9f9f);GPIOPORTAEnable

_outw(0x800230A4,0x6060);GPIOPORTAMultiFunctionelect-Register

serial_outb(SERIAL_LCR,0x80);

serial_outb(SERIAL_DLL,baud_data[cur_baud]);

serial_outb(SERIAL_DLM,0x0);

serial_outb(SERIAL_LCR,0x03);

seial_outb(SERIAL_FCR,0x01);

serial_outb(SERIAL_IER,0x00);

serial_outb(SERIAL_MCR,0x03);

1.7切换处理器模式，开中断

最后转换到应用程序运行所需的最终模式，一般是User模式。不要过早切换到User模式进行User模式的堆栈设备。因为进入User模式后就不能再操作CPRS回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。

这时才使能异常中断，通过清除CPRS寄存器中的中断禁止位实现。如果过早地开中断，在系统初始化之前就触发了有效中断，会导致系统的死机。

1．8呼叫主应用程序

当所有的系统初始化工作完成后，就需要把程序流程转入主应用程序。

图2

2技术难点分析

2．1多种语言的混合编程

ARM有两种汇编指令集：16位THUMB指令集和32位ARM指令集。使用16位的寄存器可以降低成本，而且16位THUMB指令集整体执行速度比ARM32位指令集快，提高了代码密度。为了满足ARM子程序和Thumb子程序互相调用，必须保证编写的代码遵循ATPCS。ATPCS规定了子程序调用的基本规则。

ARM系统结构也支持C、C++以及汇编语言的混合编程。汇编语言和C/C++语言的混合编程，在一个追求效率的程序中比较常见。许多人认为像BSP这样底层的程序应该用纯汇编语言编写，其实不然。用汇编语言编写的程序可读性不高，而且不宜维护，不便于向其它类型的CPU移植，而这些方面却是C语言程序的优势。BSP能否用纯C语言去写呢？也不行。因为某些操作是用C实现不了的。例如操作特殊寄存器的指令、CP15寄存器的指令、中断使能及堆栈地址的设定等。在汇编和C/C++之间的函数调用时，也要遵循ATPCS的定义，还要注意的是用C语言编写嵌入式程序时，要避免使用不能被固化到ROM中的库函数。

混合编程情况下的程序编译及链接后的输出代码与没有混合编程时是不同的。所以当多个源文件如果使用了不同的设置进行编译，相互之间的调用可能产生兼容性问题，对此一定要加以仔细考虑。编译时，要告诉编译器和链接器足够的信息，一方面，让编译器能够使用正确的指令码进行编译；另一方面，在不同的状态之间发生函数调用时，链接器将插入一段链接代码（veneers）来实现状态转换。

2．2MMU的实现过程

页表是实现MMU的重要手段。页表存放在内存中，从虚拟地址到物理地址的变换过程其实就是查询页表的过程。大小为1MB的存储块通常被称为段，图2说明了如何查表进行段式寻址的全过程：32位的虚拟地址可分为12位的一级页表序号和20位的段内地址偏移。12位的一级页表序号和CP15寄存器的C2中的18位变换表基址合并成一级描述符地址查表找出相应的一级描述符；然后，段对应的物理基地址与段内地址偏移量合并成为真正的存储器存取地址即物理地址，读出相应数据。

本文介绍的BSP程序已经在以HMS30C7202为主芯片的开发系统上运行并测试通过，并且成功地引导了Linux内核，文中引用代码可以直接使用。今后可以在此基础上添加命令行解释程序，在引导操作系统前进行存存储器的读写等，扩展开发系统的功能。

篇6：基于ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计

基于ARM体系的嵌入式系统BSP的程序设计

关键词：ARM BSP 嵌入式系统微处理器

ARM公司在32位RISC的CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。

BSP（Board Support Package）板级支持包介于主板硬件和操作系统之间，其功能与PC机上的BIOS相类似，主要完成硬件初始化并切换到相应的操作系统。BSP是相对于操作系统而言的'，不同的操作系统对应于不同定义形式的BSP，例如VxWorks的BSP和Linux的BSP相对于某一CPU来说，尽管实现的功能一样，可是写法和接口定义是完全不同的。另外，仔细研究所用的芯片资料也十分重要，例如尽管ARM在内核上兼容，但每家芯片都有自己的特色。所以这就要求BSP程序员对硬件、软件和操作系统都要有一定的了解。

本文介绍基于ARM体系的嵌入式应用系统初始化部分BSP的程序设计。本文引用的源码全部是基于HMS320C7202芯片设计，并已成功运行。

1 初始化过程

尽管各种嵌入式应用系统的结构及功能差别很大，但其系统初始化部分完成的操作有很大一部分是相似的。嵌入式系统的启动流程如图1所示。

1.1 设置入口指针

ENTRY（_start）；开始

1.2 设置异常中断向量表

ARM要求中断向量表必须放置在从0开始、连续8×4字节的空间内。各异常中断向量地址以及中断的算是优先级如表1：

表1 各异常中断的中断向量地址以及中断的处理优先级

中断向量地址异常中断类型异常中断模式优先级（6最低）0x0复位特权模式（SVC）10x4未定义中断未定义指令中止模式（Undef)60x8软件中断（SWI）特权模式（SVC）60x0c指令预取中止中止模式50x10数据访问中止中止模式

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篇7：弹载嵌入式系统设计技术

弹载嵌入式系统设计技术

以红外图像处理系统为背景,应用协同设计技术对红外制导舱嵌入式系统进行了设计.整个设计过程从图像增强算法开始,直至软件的实现,展示了协调、可靠、高效的设计流程.通过应用基于模型的`软件建模设计技术,使设计人员构建软件模型并仿真其工作过程,为弹载软件设计提供产品建模、模型管理、性能评估,并具有可重用、可扩展的标准化数字化环境,从而确保产品设计的安全性.

作者：宋志刚张杰 SONG Zhi-gang ZHANG Jie 作者单位：中国空空导弹研究院,洛阳,471009 刊名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年，卷(期)： 8(13) 分类号：V448.13 关键词：嵌入式系统软件/硬件协同设计软件建模技术软/硬件开发规划

篇8：嵌入式系统中的内存压缩技术

嵌入式系统中的内存压缩技术

摘要：介绍内存压缩技术和一个基于硬件的内存压缩系统模型，探讨内存压缩技术在嵌入式系统中的应用；重点介绍内存压缩系统的硬件要求及操作系统对内存压缩机制的支持；简单介绍内存压缩中常用的算法Lempel-Ziv，并就内存压缩技术在嵌入式系统中的应用问题作一些探讨。

关键词：嵌入式系统内存压缩压缩内存控制器 Lempel-Ziv算法

1 内存压缩技术介绍

为节省存储空间或传输带宽，人们已经在计算机系统中广泛地使用了数据压缩技术。在磁介质存储数据或网络传输数据时，人们使用基于硬件或软件的各种压缩技术。当压缩技术在各个领域都很流行时，内存压缩技术却由于其复杂性而一直未得到广泛使用。近年来，由于在并行压缩一解压算法以及在硅密度及速度方面取得的进展，使得内存压缩技术变得可行。

内存压缩技术的主要思想是将数据按照一定的算法压缩后存入压缩内存中，系统从压缩内存中找到压缩过的数据，将其解压后即可以供系统使用。这样既可以增加实际可用的内存空间，又可以减少页面置换所带来的开销，从而以较小的成本提高系统的整体性能。

内存压缩机制是在系统的存储层次中逻辑地加入一层――压缩内存层。系统在该层中以压缩的格式保存物理页面，当页面再次被系统引用时，解压该压缩页后，即可使用。我们将管理这一压缩内存层的相关硬件及软件的集合统称为内存压缩系统。内存压缩系统对于CPU、I/O设备、设备驱动以及应用软件来说是透明的，但是操作系统必须具有管理内存大小变化以及压缩比率变化的功能。

对于大多数的操作系统而言，要实现内存压缩，大部分体系结构都不需要改动。在标准的操作系统中，内存都是通过固定数目的物理页框（page frame）来描述的，由操作系统的VMM来管理。要支持内存压缩，OS要管理的实际内存大小和页框数目是基于内存的压缩比率来确定的。这里的实现内存是指操作系统可的内存大小，它与物理内存的关系如下：假设PM是物理内存，RM（t）是系统在t时刻的实际内存，而CR（t）是压缩比率，在给定时刻t可支持的最大实际内存为RM（t）=CR1（t）×PM。然而，由于应用程序的数据压缩率是不依赖于OS而动态变化的，未压缩的数据可能会耗尽物理内存，因此当物理内存接近耗尽时，操作系统必须采取行动来解决这个问题。(本网网收集整理)

2 内存压缩系统的硬件模型

目前由于内存压缩的思想越来越引起人们的注意市场上也出现了一些基于软件的内存压缩器。这些内存压缩器主要是通过软件对数据进行压缩，但由于访问压缩数据带来的延迟，它在系统性能方面改进并不明显，有些甚至降低了系统性能。本节介绍一种基于硬件的内存压缩系统模型。

图1是一个典型的内存压缩系统的硬件模型，包括了压缩内存、L3高速缓冲、压缩内存控制器等硬件部分。

其中压缩内存（133MHz SDRAM）包含了压缩数据。L3高速缓冲是一个共享的、32MB、4路组相联、可回写的高速缓冲，每行大小为1KB，由两倍数据率（DDR）SDRAM制定。L3高速缓冲包含了未压缩的缓冲行，由于大部分的访问都可以在L3高速缓冲中命中，因此它隐藏了访问压缩主存引起的延迟。L3高速缓冲对于存储分级体系中的上层而言就是主存，它的操作对于其它硬件，包括处理器和I/O来说都是透明的。压缩内存控制器是整个内存压缩系统的控制中心，它负责数据的压缩/解压，监控物理内存的使用情况以及实际地址到物理地址的寻址过程。

数据压缩过程是这样的：压缩内存控制将1KB的高速缓冲行压缩后写入压缩内存中，然后将它们从压缩内存中读出后解压。其压缩算法就是Lempel-Ziv算法，我们会在下一部分介绍这个算法。压缩机制将压缩的数据块以不同的长度格式存放到内存中。压缩内存的存储单元是一个256字节的区域。按照压缩比率不同，一个1KB的内存块（正好是L3每行的大小）可以占据0～4个压缩区域。

压缩内存控制器必须根据长度格式的不同将系统总线上的实际地址翻译成物理内存的中的物理地址。实际地址是出现在处理器外部总线上常规地址。篁址用来录十压缩内存的256字节区域。实际地址空间存在于L1/L2/L3高速缓冲中，用于立即访问。而其余的内存内容部分以压缩形式存在于物理内存中。内存控制器通过查询压缩翻译表（CTT）执行从实际地址到物理地址的翻译，这个表被保留在物理内存的某个位置。图2是CTT表的格式及内存控制器的寻址模式。

每个1KB内存块的实际地址映射到CTT的一项，而CTT每项共16字节，包括四个物理区域地址，每个地址指向物理内存听一个256字节区域。对于少于120位的块，如一个全为零的块，则使用一种特殊的CTT格式，称为通用行格式。在这种格式中，压缩数据全部存放在CTT项中，代替了四个地址指针。因此，一个1KB的通用块仅占用物理内存中的16字节，其压缩比率达到64：1。

压缩内存控制器中有一系列的寄存器用于监控物理内存使用。Sectors Used Register(SUR)向操作系统报告压缩内存的使用情况。The Sectors Used Threshold Registers,SUTHR和SUTLR，用于设置内存耗尽情况的中断入口点。SUTLR寄存器是PCI中断电路INTA的入口，而SUTHR寄存器是NMI中断的入口。当SUR超过了SUTLR的'值，内存控制器产生一个中断，则操作系统采取措施来阻止内存消耗。

在实际地址到物理地址的转换中，一个有用的方法是快速页操作。它允许控制器仅修改CTT项的四个指针，从而将4KB的页面内容换出或清空。快速页操作通过将与4KB页面相关的CTT项全部修改通用行格式（即全为零），从而将这4KB页面的内容全部清空。同样，一对页面可以通过交换它们相关的CTT项的区域指针来交换页面内容。由于没有大量的数据移动发生，快速页面操作速度相当快。

压缩内存控制器的压缩/解压功能是基于LempelZiv算法来进行的，因此下一节将简单介绍一下该算法的思想。

3 内存压缩算法Lempel-Ziv

绝大多数的压缩算法，包括用得特别流行的Lempel-Ziv压缩算法家庭，都是基于对原子记录（Token）字符串的完全重复检测。这个算法虽然不是最好的算法，但是，Lempel-Ziv算法强调的是算法的简单与取得高压缩率的速率，因此它还是在内存压缩中得到了广泛的应用。

Lemple-Ziv算法（简称LZ）是编码时将一个位串分成词组，然后将数据流描述成一系列的对。每个对组成一个新的词组，它包含一个数字（前一个词组的标识）和一个位（被附加到前一个词组上）。这种编码方式很庞大，可是一旦应用到适合的字符串，它就是相当有效率的编码方式。下面举例说明这种算法是如何编码的。

++表示连接（010++1=0101），U=0010001101是未被压缩的字符串。C是压缩后的字符串。P（x）表示词组数x。先看一下U=0010001101发现，它可以被写为U=0++010001101，因此得到P（1）=P(0)++0。现在继续将其写为U=0++02++0001101，可得到P(2)=P（1）++1。现在我们已经将P（2）描述为上一词组和一个新的位的组合。下一步，U=0++01++00++01101，并得到P（3）=P（1）++0。现在我们注意到，有U=0++01+00+011++01，而P（4）=011=P(2)++1，最后得到P（5）=P(1)++1。运算的步骤如表1所列。

一旦创建了表1，就有了整个编码的图表。要创建Lempel-Ziv数据流，则依照公式创建对。如果公式是P(x)=P(A)++B，则每个对为（A++B）。因此P（1）=P(0)++0变为（00++0），P（2）=P(1)++0变为（01++0），依此类推，将所有这些对连接起来，就得到了最后的字符串，结果如表2所列。这样，C就变成000011010101011，看来比U要长得多。但这里由于U的长度短，因此未能看出优势，而且包含P（0）的公式都没有压缩，所以也引起了长度增加。

Lempel-Ziv字符串的解码是很简单的，就是抓住其中的对，对照表1进行重构。

表1 编码过程

步骤值公式

0-P(0)001000110110P(1)=P(0)++00++010001101201P(2)=P(1)++10++01++00++01101300P(3)=P(1)++00++01++00++011014011P(4)=P(2)++10++01++00++011++01501P(5)=P(1)++10++01++00++011++01

表2 如何创建编码字符串

公式P(1)=P(0)++0P(2)=P(1)++1P(3)=P(1)++0P(4)=P(2)++1P(5)=P(1)++1对00++0=00001++1=01101++0=01010=++1=10101++1=011

000++011++010++101++011=000011010101011

4 操作系统对内存压缩的支持

在压缩内存系统中，内存大小指的是实际内存大小，它比物理内存大。在引导时，BIOS向操作系统报告的内存大小就比实际安装的物理内存要大。例如，硬件原型安装的是512MB的SDRAM，但BIOS向操作系统报告的内存大小为1GB。当应用程序数据以2：1或更高的比率压缩时，实际内存的工作方式与一般操作系统的内存工作方式是相同的。但当应用程序以未压缩数据来填充内存时（如一个zip文件不可能达到2：1的压缩比率），由于一般的OS只看到实际地址空间，因此不能意识到物理内存已经耗尽。例如，一个操作系统的实际内存为1024MB，而牧师内存为512MB。这时实际内存已经分配了600MB，系统显示还有424MB的空闲内存。但是由于已分配内存的压缩率很低，此时物理内存的耗用已经接近512MB。如果再近一步地分配内存，那么系统就会因为物理内存的耗尽而崩溃，尽管它仍然显示还有424MB的空闲内存。这种情况下，必须由操作系统提供对压缩内存进行管理的支持。

由于内存压缩是一个比较新的概念，一般的情况作系统都没有这样的机制来区分实际地址和物理地址，也不能处理“物理内存耗尽”的情况。不过，只要对操作系统内核做一些小的改动或者在操作系统之上增加一个设备驱动程序，即可达到目的。

一般来说，要从以下几方面对压缩内存进行管理。

（1）监控物理内存使用情况

通过轮询或中断法，查看物理内存的使用情况，并在物理内存耗尽前给出警告。压缩内存管理例程是通过压缩内存控制器中的一些寄存器来实现对物理内存的监控。SUR报告物理内存的使用情况，SUTHR和SUTLR用于设置中断临界值。压缩内存管理算法是基于物理内存使用的四种状态，分别为steady、acquire、danger和interrupt，其临界值的关系是mc_th_acquire

我们可以使用轮询和中断相结合的方法进行监控，并对物理内存使用的变化作出反应。通过时钟中断来驱动轮例程，该例程每10ms读取一次SUR的值，并将它与系统设定的临界值比较。当系统处于steady状态时，不用采取任何行动；当使用超过mc_th_acquire，应该增加nr_rsrv_pages来限制内存分配，但这并未引起内存缺乏；当使用超过mc_th_danger，应该增加nr_rsrv_pages到引起内存缺乏，并导致页面分配器和置换进程回收内存页面，一旦进入到该状态，物理内存管理例程会唤醒置换进程回收内存。

（2）回收内存以及清空空闲页面内容以减少使用

以标准的Linux内核为例，操作系统中有两具主要的变量来管理内存太少的情形。这两个变量是nr_free_pages和struct freepages。为了检测内存是否已耗尽，在分配内存前要进行检查。

if(nr_free_pages

/*内存太少，回收页面*/

}

else

{/*可以进行分配*/

在内存压缩系统中，通过增加一个新变量nr_rsrv_pages来完成此功能。这样就使最小空闲页面数量变为：freepages.min'=freepages.min+nr_rsrv_pages。

通过动态地调整nr_rsrv_pages变量，压缩内存管理例程可以人为地造成内存缺乏的现象，从而引起置换进程回收页面，此时会将调用进程暂时挂起。回收内存包含缩减各种缓冲，并将进程页面置换到磁盘上。当页面返回到空闲页面池时，它们会被清零。我们可以使用前面提到的快速页面操作来减少清空页面操作所带来的开销。

（3）阻塞CPU周期以减少物理内存使用率

当物理内存使用超过监界值mc_th_interrupt，控制器就中断处理器，nr_rsrv_pages进一步增加，然后CPU blocker就开始运行。我们在轮询机制的基础上还使用了中断机制，因为中断机制比轮询机制更加快速。如果在10ms的间隔中，物理内存使用突然上升，硬件中断会比轮询例程更早检测到这一情况。为了更加安全，我们使用CPUblocker来阻塞引起物理内存使用的进程。CPU blocker是空闲线程，它们可以使CPU空忙。由于页面被置换到磁盘是以机器速度运行的，而物理内存使用却可以以内存访问速度运行，速度从而得到增加。当牧师内存使用持续增加，以至换页也无法缓解时，进程需要被阻塞。我们就通过启动CPUblocker来阻塞CPU周期直到换页机制能有效地降低物理内存使用。CPUblocker不会阻塞中断，而且每40ms它就会让出CPU以免其它进程被饿死。

5 内存压缩技术在嵌入式系统中的应用

嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它是一个更大的系统或设备的一部分。通常，一个嵌入式系统是驻留在单处理机底板上的，其应用程序存储在ROM中。事实上，所有具有数字接口的设备――监视器、微波炉、VCRs、汽车等，都使用了嵌入式系统。一些嵌入式系统包含了操作系统，称为嵌入式操作系统。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性中，内存仍然是珍贵的资源，因此研究内存压缩技术在嵌入式系统中的应用具有一定的价值。

内存压缩的思想在一些嵌入式操作系统中，实际上已经得到了体现。例如在VxWorks中，当操作系统下载到目标机上时，其中一种方式是将引导程序和VxWorks映像都存放在ROM中。为了将其解压后再从ROM拷贝到RAM。这种基于软件的压缩方式，可以节省ROM空间，但其引导过程相对较慢。

以上的内存压缩技术在ROM中得到了应用，但对于RAM来讲，基于软件内存压缩技术，由于其访问压缩数据可能造成的延迟和不确定性，会对嵌入式系统的实时性造成和。因此它与虚拟内存技术一样，在嵌入式系统中未得到广泛应用。

本文所介绍的内存压缩系统是基于硬件的。在相同基准下，测试结果显示出，该系统的运行速度比标准系统的运行速度快1.3倍。如果要实现相同大小的内存，采用内存压缩系统的硬件费用比购买RAM的费用要低，而且内存越大，其节省的费用越多，可以达到一半的价钱。因此笔者认为在内存资源极其宝贵的嵌入式系统中，实现基于硬件的内存压缩系统具有较大的价值。

结语

本文介绍的内存压缩系统是基于专门的硬件支持，即L3高速缓冲和内存控制器。在目前大多数Pentium以上架构的硬件平台上，只需要对操作系统内核做一些小的屐，或者增加一个设备驱动及服务程序，即可完成此项功能。由于嵌入式系统对实时性的要求，基于硬件的内存压缩技术可以在增大可用内存的同时不影响系统的实时性，其硬件费用相对RAM的价格更低，具有一定的实用价值。

篇9：嵌入式系统中的内存压缩技术

嵌入式系统中的内存压缩技术

关键词：嵌入式系统内存压缩压缩内存控制器 Lempel-Ziv算法

1 内存压缩技术介绍

为节省存储空间或传输带宽，人们已经在计算机系统中广泛地使用了数据压缩技术。在磁介质存储数据或网络传输数据时，人们使用基于硬件或软件的`各种压缩技术。当压缩技术在各个领域都很流行时，内存压缩技术却由于其复杂性而一直未得到广泛使用。近年来，由于在并行压缩一解压算法以及在硅密度及速度方面取得的进展，使得内存压缩技术变得可行。

2 内存压缩系统的硬件模型

目前由于内存压缩的思想越来越引起人们的注意市场上也出现了一些基于软件的内存压缩器。这些内存压缩器主要是通过软件对数据进行压缩，但由于访问压缩数据带来的延迟，它在系统性能方面改进并不明显，有些甚至降低了系统

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篇10：Java技术在嵌入式系统中的应用

Java技术在嵌入式系统中的应用

摘要：J2ME是Java2平台的一个版本，使用在各种各样的消费电子产品和嵌入式设备上。JavaCard技术规范得Java应用能运行在智能卡和更小的嵌入式设备上。本文介绍J2ME和JavaCard的硬件平台和软件体系结构，以及如何进行J2ME和JavaCard应用程序开发。Java在移动通信领域的应用已经引起广泛的关注，本文对此进行了详细的描述。

关键词：Java嵌入式系统Java卡J2ME移动通信

1Java概述

Java是在1991年由Sun公司JamesGoslingPatrickNaughton、ChisWarth、EdFrank以及MikeSherindan等组成的“STAR7”小组所构想出来的。于1995年5月正式推出。Java计算平台包括JVM(Java虚拟机)和JavaAPI（Java应用编程接口）。JVM是一种抽象化的计算机，运行在操作系统之上，可以在它上面执行Java的字节线，使Java应用程序在现有的各种平台上都可以顺利执行。JavaAPI和Java的函数类库，分为基本核心类库和各种外加功能的扩展类库。

1998年12月8日，Sun公司的最新一个版本的JDK（JavaSoftwareDevelopmentKit）正式发布，Sun的升级版本，而且还是完善的Java平台。

Java2定义组成Java企业平台的核心技术包括15个核心API。这15个核心API构成了整个Java2技术的灵魂，包括Applet、AWT、Beans、IO、Lang、Math、Net、Rmi、Security、SQL、Text、Util、Accessibility、Swing和CORBA。与以往的JDK比较，Java2平台具有很多优势，如更灵活的安全模式、更好的性能、与其他企业级系统的互用性、应用开发更容易、全球化的提高以及更好的跨平台性等。

Java2可以根据对软、硬件需求的不同分为4个版本。J2EE(Java2Platform，EnterpriseEdition)用于企业服务器端应用程序开发；J2SE(Java2Platform，StandardEdition)用于个人计算机上的应用程序开发；J2ME(Java2Platform，MicroEdition)用于信息家电等资源有限的设备上的应用程序开发；JavaCardPlatform用于智能卡上的应用程序开发。

Java程序语言在其产生之初，本身就是为嵌入式设备--机顶盒设备设计的。现在Java又凭借J2MEE和JavaCardPlatform回到嵌入式系统开发领域。

2Java卡

（1）Java卡简介

Java卡是Java平台中最小的子集，也是一种特殊的智能卡。智能卡是一种嵌入计算机芯片的卡片，广泛应用于通信、交通、金融、证券和保险等领域。智能卡分为两大类：一类是存储器卡，另一类是微处理器卡。存储器卡仅仅被用于存储器数据。微处理器卡有数据处理的功能：它有自己的CPU、I/O端口、存储器和操作系统，可以被看作是一台微型电脑；可以安装并运行小的应用程序，通过串行通信接口与外部通信。ISO（国际标准组织）制定了智能卡的国际标准ISO7816。

影响智能卡推广的主要因素是其不够开放，不同的卡片制造商生产的卡片的应用程序开发没有统一的标准。为了解决这个问题，工业界提出了能运行Java程序的智能卡--Java卡，并且制定了Java卡的.技术规范，包括JavaCardVM(Java卡虚拟机)和API的详细信息。JavaCardVM位于智能卡的操作系统之一，用通用的编程语言和系统接口屏蔽了不同智能卡硬件和操作系统的区别。Java卡的框架定义了供应用程序开发者使用的API。Java卡的应用程序称为Applet，每个Applet由唯一的AID（应用程序标识符）来识别。

（2）Java卡对硬件的最低要求

512BRAM：主要用于存储应用程序运行时的栈以及I/O缓冲区。

24KBROM：主要用于存储程序代码和系统的运行时系统。

8KBEEPROM：主要用于存储Java卡的Applet和堆。

8位处理器：8位处理器是Java卡的最低要求。

（3）Java卡软件体系结构

Java卡软件体系结构如图1所示。

最底层的CardOS（操作系统）和NativeFunctions（基本函数）相不于个人计算机的操作系统，负责低层的处理工作。

JavaCardVM位于CardOS和NativeFunctions之上，隐蔽了底层智能卡的不同技术，实现了卡接口的统一和编程语言的统一。

JavaCardFramework（Java卡框架）为开发人员定义了一整套API，主要负责运行Java卡Applet以及为Applet运行提供所需要的环境。

CardOS、JavaCardVM和JavaCardFramework共同组成了JCRE(Java卡运行时环境)。IndustrySpecificExtensions是服务方所提供的类，使企业与公司能够提供属于自己的服务程序。例如，如果这张卡是GSM网络的SIM（用户识别模块）卡，那么这一层就是SIM卡所需的接口类。

（4）JavaCardAPI

JavaCard的2.1版包括四个包：Javacard.langpackage、Javacard.frameworkpackage、Javacard.securitypackage和Javacardx.cryptopackage。

Javacard.langpackage提供Java程序语言中重要的类，例如所有Java类的根类Object类。

Javacard.frameworkpackage是JavaCardAPI的核心包，提供了实现JavaCardApplet基本类和工具。其中ISO7816抽象接口提供了ISO7816所使用的常数值。PIN(个人识别号码)抽象接口使其子类能够验证PIN是否合法。Shareable抽象接口使得不同的Applet能够互相通信。AID类使得JCRE能够通过一个AID表来识别Applet。APDU类通过管理一个缓冲区来接收与传送终端的指令以及回传Applet运行结果与状态。Applet类是所有JavaCardApplet的根类，管理JavaCardApplet的生命周期。JCSystem类管理Applet与JavaCard的系统资源，如AID与事务。OwnerPIN类管理卡片持有者的PIN，并提供相关验证与更新等方法。Util类提供了开发中的常用工具。

Javacard.securitypackage负责提供安全机制，包括Key抽象接口、KeyBuilde类和MessageDisest类。

Javacardx.cryptopackage包含了关于加密与安全的抽象接口和类。

（5）Java卡应用的开发

Java卡的生命周期从操作系统、JVM、API库和可选的Applet被写入Java卡的ROM开始。在正式使用之前，Java卡要经过初始化（在卡上写入制造商和发行商名称等通用信息）和个人化（在卡上写入密钥等个人信息）。然后用户就可以购买并使用Java卡了，当然还要与读卡器相配合。Applet的生命周期从被安装并注册到Java卡系统开始，在被从系统注册表中删除时结束，在被选择时激活。

Java卡的应用程序可以用一般的Java编译器来编译。但是由于智能卡只有有限的存储器资源和计算功能，Java卡上的应用开发与普通的Java程序开发有很大的不同，很多Java语言的特性在Java卡应用的开发中都不能使用。Java卡的应用开发（在Windows系统下）过程如下：

①安装JDK和JavaCard2.1.1DevelopmentKit；

②设置有关环境变量；

③编辑Java源代码，可以使用任何Java代码编辑工具；

④编译Java源代码，用Java编译器编译Java源代码，生成class文件；

⑤生成Cap文件，在Java卡上不能直接运行class文件，必须用Java卡转换器（converter）、把class文件转换为Cap文件；

⑥安装Applet,用PC机和与之相连的读卡器把Cap文件安装到Java卡上。

图2为Java卡应用开发过程示意图。

（6）Java卡在移动通信领域的应用

SIM（用户识别模块）作为一张内含大规模集成电路的智能卡，目前主要用于GSM手机。最初SIM卡主要用来存储一些个人身份认证和识别信息，例如IMSI、鉴权密钥等。SIM卡不能向手机发出命令。1998年ETSI（欧洲电信标准化委员会）制定了STK卡（SIM应用工具箱技术)的技术规范，大大增强了SIM卡的能力。STK卡上可以安装运行应用程序，可以向手机发出命令，例如在手机上建立新的菜单。SIM卡还可以收发短消息甚至发起呼叫。这样就可以在SIM卡上运行客户端的软件，通过短消息与服务器交互，同时通过菜单为用户提供友好的界面。

尽管STK对SIM卡的使用方法进行了标准化，但是各个制造商仍旧使用自己的开发工具为自选的芯片掩膜，因此引入开放的SIM卡开放平台成为必要。ETSI已在其协议中增加了有关JavaCard的内容。GSMSIM卡采用JavaCardAPI在保证安全的同时提供开放的SIM开发，使得STK应用在不同制造商的SIM卡上运行。在开发过程中，

软件开发商可采用开放的开发工具，开发出与Java兼容的SIM卡应用程序。

ETSI的协议GSM03.19是STKJava卡的技术标准，规定了STKJava卡的体系结构。最底层是JCRE和GSM文件系统。之上是GSM框架，提供了一些供Applet接入GSM文件系统的API。在GSM框架之上是SIMToolkit框架，负责Applet的触发、注册、安装和卸载，主动式命令的处理，Applet的安全性管理。

3J2ME

（1）J2ME简介

J2ME是Sun公司为资源有限的设备上使用Java编程语言而设计的，使用在各种各样的消费电子产品上，例如智能卡、手机、PDA、电视机顶盒等。J2ME平台是建立在Java编程语言上的，可为资源有限的设备提供最大的功能。

J2ME目前有两种配置层。一种是“面向连接的设备配置”CDC(ConnectedDeviceConfiguration)，它采用典型的Java虚拟机技术。这种全功能的虚拟机包含了基于台式机系统上的虚拟机的所有功能，适用于拥有至少几兆字节内存的设备。它的目标是高档的消费类电子产品和嵌入式设备，例如智能通信器、高级“智能”寻呼机、智能个人数字助理（PDA）以及交互式数字电视机顶盒。对于无线设备和其它内存不足的设备，J2ME采用“面向连接的受限的设备配置”CLDC（ConnectedLimitedDeviceConfiguration）技术。

（2）J2ME对硬件的最低要求

CDC与CLDC对硬件平台有不同的要求：

CDC-32位的微处理器，大于2MB的存储器。

CLDC-16位或32位处理器，大于128KB的存储器。

（3）J2ME软件体系结构

图3所示为J2ME软件体系结构。

JavaVirtualMachineLayer（Java虚拟机层）是Java虚拟机的一个实现，它是为特定设备的主机操作系统定制的，而且支持一个特定的J2ME配备。CDC配置的JVM是CVM(C虚拟机)，CLDC配置的JVM是KVM(K虚拟机)。

ConfigurationLayer（配置层）定义了Java虚拟机功能和特定类别设备上可用的Java类库的最小集。从某种程序上说，一个配置定义了Java平台功能部件和库的共同性，开发者可以假设这些功能部件和库在属于某一特定类别的所有设备上都是可用的。

ProfileLayer（框架层）定义了特定系列设备上可用的应用程序编程接口的最小集。框架在一个特定的配置上面实现，在配置层上增加适用特定规格的配置文件，如MIDP就是用于移动终端的配置文件。应用程序是针对特定的框架编写的，因此可以移植到支持该框架的任何设备上，一个设备可以支持多个框架。

（4）J2MEAPI

CDC提供支持全兼容Java2虚拟机所必需的最小API集。这一API集包括所有为CDC定义的API和针对文件I/O、网络连接、高级完全性、对象序列等API。其中Java.io支持系统输入与输出，JavalangJava提供编程语言基本类，Java.lang.ref包括了一些特别参考类，Java.lang.reflect提供对反映的支持，Java.math支持数学运算，Java.net提供用于网络连接的类和工具，Java.security提供完全支持，Java.security.cert提供证书支持，Java.text提供文本处理类，Java.util包括集合、日期和时间支持等各种实用工具类，Java.util.jar提供Jar文件支持，Java.util.zip提供Zip文件支持，支持Javax.microedition类属连接。

由于MIDP/CLDCAPI将在一个性能有限的设备上运行，因此Java的一些功能被取消或修改。Java.lang、Java.io、Java.util包是J2SE包中标准类的一个子集。Javax.microedition.io包提供了对网络连接的支持，Javax.microedition.io包中的主要对象是Connector类。可将该类强制转换为不同的连接类型，例如HttpConnection。Javax.microedition.lcdui提供了用于定义midlet用户接口的类。Javax.microedition.rms包用来在设备上实现一个临时存储数据库，当然该数据库的存储和获取信息的性能受到设备的限制。Javax.microedition.midlet中包含有MIDlet的类。MIDlet类执行midlet的生命周期，并且提供getAppProperty(key）方法来由应用属性中获取信息。应用属性设置在jad(Java应用程序描述器）文件中。

（5）Java卡在移动通信领域的应用

CLDC和MIDP为创建移动电话应用程序提供了完整的环境。MID框架的核心是一个MIDlet应用程序，所有应用程序MIDlet都继承MIMlet类，以允许应用程序管理软件对MIDlet进行控制、从应用程序描述符检索属性以及对状态变化进行通知和请示。MIDlet类提供了用于调用、暂停、重新启动和终止MIDlet应用程序的API。应用程序管理软件可以在运行时环境内管理多个MIDlet的活动。此外，MIDlet可以自己发起一些状态变化，并把这些变化通知给应用程序管理软件。

移动电话J2MEMIDP应用程序包括用户界面开发、数据库程序开发和网络程序开发。

Javax.microedition.lcdui包中包括了用于用户界面开发的各种类。用户界面的根类是Display，所有的用户界面类都是在Display里显示出来的Displayable对象，Display对象是其它对象演示的舞台，应用程序道德需要获得Display对象的引用，然后就可以把场景对象放入演示舞台中。MIDP提供了Screen和Canvas两种演示场景。Screen的子类包括Alert、Form、List和TextBox。Javax.microedition.lcdui中定义了Command类来接收用户的输入信息，又在Display类中定义了Screen对象与Command对象组合的方法，使得应用程序能够响应用户的输入。

在Screen场景中可以使用的对象包括Alert(信息窗口)、Form（窗体）、List（选项列表）和TextBox（文本框）。其中Form可以放置Item类,包括TextFiled（文本字段）、StringItem（字符串项目）、ImageItem（图像项目）、DataField（日期字段）、ChoiceGroup（选项集合）和Gauge(标尺）。TextBox使应用程序能够在屏幕上显示文本框；Alert类似于消息框，可以为用户提供一些信息；List类以列表的形式提供选项使用户选择；Form是一个容器对象，可以放置包括文本字段、字符串项目、图像项目、日期字段、选项集合和标尺等在内的Item对象。

Canvas是Displayable中用来给开发者创建整个用户接口的，用于创建复杂的用户界面，例如视频游戏中使用的界面。用户在Canvas对象上的绘画与Applet中的AWTCanvas类似。

Javax.microedition.rms定义了在设备上实现一个临时存储数据库程序开发的类。其中采用由字节数组RMS（记录管理系统）机制，使用称为RecordStore（记录存储区）的小型数据库。每个记录存储区对象是Javax.microedition.rms类的一个实例。记录存储区是由字节数组组成的记录构成的。RecordStore提供了用于用户操作记录和管理存储区的方法，对记录的操作包括增加、删除、更新和查询。

Javax.microedition.io为应用程序开发者提供GCF(通用联机框架），用于网络编程。网络编程的根类是Connecter，通过Connecter提供了HTTP、SOCKET、Datagram（数据报）和SerialPort（串行口）等网络通信方式，其中HTTP为设备的必选项。

（6）J2MEMIDP应用程序的开发过程

Sun公司最近推出的工具包J2MEWTK（Java2MicroEditionWirelessToolkit）简化了MIDlet的开发，为MIDlet开发提供了一个全面的工具包。应用程序的开发过程如下：

①安装J2SE或者JavaRuntimeEnviroment。

②安装J2MEWTK。

③配置仿真器。

④编辑Java源文件，可以使用任何Java代码编辑工具。

⑤编译Java源代码，用Java编译器编译Java源代码，生成Class文件。除了编译以外，编译器还会检查源文件中有没有使用CLDC和MIDP以外的类和属性及方法。

⑥验证字节码。

⑦封装成MIDletSuite，把经过验证的Class文件及应用程序中将用到的资源文件封装成JAR文件，这一步会生成JAD文件和mainfest文件。

⑧测试，然后下载到目标机上运行。

结语

Java本来就是为嵌入式设备而设计的，但昌随着因特网的兴起，Java在台式机和服务器端的应用开发中取得了巨大的成功。Java在应用中充分展示其通用性与完全性等优势，而这在嵌入式设备的应用开发中是至关重要的，这使得Java重返嵌入式应用开发领域成为必然。STKJava卡和J2ME的成功应用昭示着Java在嵌入式系统应用开发中的美好前景。