基于MIPS微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計詳解

描述了一種無內(nèi)部互鎖的信息平推流式的32位嵌入式微處理器下，嵌入式Linux操作系統(tǒng)環(huán)境的家庭網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。通過這種構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)和二次開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和管理接口并結(jié)合無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)，使家庭網(wǎng)關(guān)具備支持非對稱數(shù)字用戶環(huán)路、無源光網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過同軸電纜傳輸?shù)冉尤敕绞降纳闲薪涌冢⑻峁┚W(wǎng)絡(luò)電話、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視、個人計算機(jī)、通用串行總線接口、通用異步接收/發(fā)送裝置等下行接口和無線相容性認(rèn)證的無線信號。家庭網(wǎng)關(guān)可以通過萬維網(wǎng)瀏覽器、基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的管理方式和命令行界面等多種方式靈活的進(jìn)行信息交互、配置、更新及遠(yuǎn)程控制管理。

隨著以高速、融合、精品為特征的大寬帶時代的全面到來，高寬帶傳輸、全方位融合、多業(yè)務(wù)綜合將是家庭網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。預(yù)計未來的10年中，國內(nèi)家庭網(wǎng)關(guān)的市場容量將在200億元以上。盡管國內(nèi)已有少數(shù)文獻(xiàn)［5］描述了以無內(nèi)部互鎖的信息平推流式的微處理（Microprocessorwithoutinter-lockedpipedstages，縮寫為MIPS）核的32位嵌入式微處理器作為硬件平臺，開發(fā)家庭網(wǎng)關(guān)，并取得了較好的研究成就，但距離工業(yè)應(yīng)用還有一定時差。結(jié)合無線通信技術(shù)，通過移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和管理接口來實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)具備上行接口，支持非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（AsymmetricDigitalSubscriberLine，縮寫為ADSL）、無源光網(wǎng)絡(luò)（PassiveOpticalNetwork，縮寫為PON，）、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過同軸電纜傳輸（EthernetoverCoax，縮寫為EOC）等接入方式，提供網(wǎng)絡(luò)電話（VoiceoverInternetProtocol，縮寫為VOIP）、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視（InternetProtocolTelevision，縮寫為IPTV）、個人計算機(jī)（PersonalComputer，縮寫為PC）、通用串行總線接口（UniversalSerialBUS，縮寫為USB）、通用異步接收/發(fā)送裝置（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，縮寫為UART）等下行接口，通過高速外圍元件接口（PeripheralComponentInterfaceExpress，縮寫為PCIE）與無線相容性認(rèn)證（WirelessFidelity，縮寫為WiFi）模塊相連提供WiFi無線信號。家庭網(wǎng)關(guān)能夠靈活添加應(yīng)用程序、接口模塊，遠(yuǎn)程管理家庭網(wǎng)絡(luò)的智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分發(fā)和配置管理控制。

1 硬件系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

家庭網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以32位的嵌入式MIPS微處理器芯片為核心，由外存儲器閃存（FLASH）、雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（DoubleDateRate，縮寫為DDR，）、WiFi模塊、VOIP模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊、USB存儲模塊、發(fā)光二極管（LightE-mittingDiode，縮寫為LED）模塊、串口模塊、電源模塊等構(gòu)成。

1.2系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

家庭網(wǎng)關(guān)可以采用多種控制方式靈活方便地與用戶進(jìn)行交流［6］。外存儲器暫存數(shù)據(jù)，再傳遞到微控制單元（MicroControlU-nit，縮寫為MCU）中。閃存通過串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface，縮寫為SPI）總線與MCU 相連，DDR通過介質(zhì)無關(guān)接口（MediumIndependentInterface，縮寫為MII）與MCU 相連。WiFi模塊通過PCIE接口與MCU 相連，提供2.4GHz的無線信號。VOIP模塊通過MII接口與MCU 相連，其下端口聯(lián)接普通電話機(jī)，可以通過電話機(jī)查詢、設(shè)置家庭網(wǎng)關(guān)中VOIP口的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)交換模塊包括上聯(lián)接口和下聯(lián)接口。微處理器內(nèi)部集成了一個交換引擎，提供五個符合802.3協(xié)議的10/100Mbps快速以太網(wǎng)MAC/PHY接口，可作為系統(tǒng)的上聯(lián)端口和下聯(lián)端口。上聯(lián)端口為下行提供數(shù)據(jù)信號，下聯(lián)端口可以連接IPTV、PC等設(shè)備，并能夠自由組網(wǎng)配置成VLAN。USB 存儲模塊用于存儲家庭網(wǎng)關(guān)的配置信息。

LED模塊顯示系統(tǒng)狀態(tài)，由MCU 的通用輸入/輸出（GeneralPurposeInputOutput，縮寫為GPIO）口控制，LED的不同狀態(tài)表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。串口模塊結(jié)合超級終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時打印家庭網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并可以設(shè)置家庭網(wǎng)關(guān)的配置信息，如環(huán)境變量、內(nèi)存信息、相關(guān)版本信息等，也可以更新嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的文件系統(tǒng)、鏡像文件等。電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源。

2 軟件系統(tǒng)

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為3個層次：Linux內(nèi)核包括進(jìn)程管理、文件管理、內(nèi)存管理、中斷和中斷處理、系統(tǒng)初始化等;硬件驅(qū)動層包括WiFi、VOIP模塊、串口、以太網(wǎng)、LED 等的驅(qū)動;應(yīng)用程序?qū)油ㄟ^內(nèi)核的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，如串口通信程序、Web方式訪問等。

硬件驅(qū)動層主要是提供操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序所需的驅(qū)動［7］。該層主要由板級初始化程序、與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動、與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動等3種類型的程序組成。板級初始化程序即引導(dǎo)加載程BootLoader，用來完成整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)。在該系統(tǒng)中選擇U-Boot作為引導(dǎo)加載程序。系統(tǒng)上電后，U-Boot程序初始化系統(tǒng)的硬件環(huán)境，如：嵌入式微處理器、中斷控制器、存儲器、直接內(nèi)存存取（DirectMemoryAccess，縮寫為DMA）和定時器的初始化。將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為后續(xù)調(diào)用操作系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。與系統(tǒng)軟件相關(guān)的驅(qū)動是操作系統(tǒng)和中間件等系統(tǒng)軟件必備的驅(qū)動程序，具體開發(fā)按照系統(tǒng)軟件的不同需求進(jìn)行。操作系統(tǒng)內(nèi)核所需的硬件支持一般都已集成到嵌入式微處理器里了，因此開發(fā)人員只需在操作系統(tǒng)廠商提供的內(nèi)核驅(qū)動的基礎(chǔ)上編寫相關(guān)驅(qū)動程序如：以太網(wǎng)驅(qū)動、串口驅(qū)動、外存驅(qū)動等驅(qū)動程序。與應(yīng)用軟件相關(guān)的驅(qū)動不一定需要與操作系統(tǒng)連接，這些驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā)由實(shí)際應(yīng)用決定。

Linux操作系統(tǒng)移植主要包括BootLoader的編寫和移植、Linux內(nèi)核移植與配置以及Linux文件系統(tǒng)移植與配置［8］。

2.1U-Boot移植

該家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的BootLoader采用U-Boot。在U-Boot/Board目錄下添加家庭網(wǎng)關(guān)開發(fā)板的配置文件，修改U-Boot目錄下的Makefile文件，包括設(shè)置編譯環(huán)境和建立編譯配置項(xiàng)。確認(rèn)默認(rèn)的交叉編譯器與本機(jī)的交叉編譯器是否一致，若不一致則需要對編譯環(huán)境進(jìn)行重新設(shè)置，宿主機(jī)的交叉編譯器為gcc。建立編譯配置項(xiàng)，在Makefile文件中添加編譯語句，如：

gw_config:unconfig

@ 》include/config.h

@echo“#defineCONFIG_mipgw1”烅include/config.h

@./mkconfig-agw mipsmipsgw mipgw mipgw

在U-boot/Board/gw目錄下添加Makefile文件，建立文件之間的依賴關(guān)系。如：

OBJS=$（BOARD）.oflash.o.。/common/mipgw_pci.o 。./common/mipgw_flash.o 。./common/

mipgw_s26_phy.o

通過引用變量來指定目標(biāo)文件，以便于適用于該模塊的不同版本的開發(fā)，也是該系統(tǒng)的一個特點(diǎn)。在U-Boot/CPU/MIPS的目錄下添加存放內(nèi)存控制器的配置文件。

在U-Boot/Board路徑里添加初始化MCU 的USB配置、GPIO 口的配置、寄存器、數(shù)據(jù)段的文件和初始化WiFi模塊主芯片GPIO 口的文件。

2.2Linux內(nèi)核移植

操作系統(tǒng)層包括嵌入式內(nèi)核、TCP/IP（TCP-TransferControlProtocol，傳輸控制協(xié)議，IP-Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GraphicalUserInterface，縮寫為GUI）系統(tǒng)和電源管理等部分。其中嵌入式內(nèi)核是必備的基礎(chǔ)部分，其他部分可根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的不同需要進(jìn)行取舍［9］。在家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境為Linux操作系統(tǒng)，嵌入式內(nèi)核為MIPS內(nèi)核，文件系統(tǒng)為jffs2。

在系統(tǒng)軟件包的根目錄下創(chuàng)建Linux目錄，在其目錄下添加Kernels文件夾，存放Linux內(nèi)核源碼。修改內(nèi)核源碼文件夾下的Makefile文件，使其編譯環(huán)境與宿主機(jī)的編譯環(huán)境一致，具體代碼如下所示：

SUBARCH ：= mips

ARCH ？ = $（SUBARCH）

CROSS_COMPILE ？ =

UTS_MACHINE ：= $（ARCH）

CONFIG_SHELL ：= $（shellif［-x“$$BASH”］;thenecho$$BASH;\

elseif［-x/bin/bash］;thenecho/bin/bash;\

elseechosh;fi;fi）

HOSTCC= gcc

HOSTCXX= g++

HOSTCFLAGS=-Wall-Wstrict-prototypes-O2-fomit-frame-pointer

HOSTCXXFLAGS=-O2

2.3文件系統(tǒng)移植

嵌入式文件系統(tǒng)包括Ramdisk、Jffs2、Yaffs、Cramfs、Romfs和Ramfs/Tmpfs［10］。該系統(tǒng)的文件系統(tǒng)選擇Jffs2。在文件系統(tǒng)的文件夾Rootfs里添加rcS文件，指定需要掛載的文件系統(tǒng)、掛載點(diǎn)、配置初始化進(jìn)程及解壓后存放的位置，通過環(huán)境變量來傳遞接口。rcS文件的具體內(nèi)容如下所示：

#！ /bin/sh

mount-a

mount-oremount+w/

mount-tramfs-nnone/tmp

exportPATH=$PATH:/etc/ath

insmod/lib/modules/2.6.15/net/ag7240_mod.ko

exportETH0=eth0

exportETH1=eth1

ifconfig$ETH0up

ifconfig$ETH1up

2.4內(nèi)存管理

操作系統(tǒng)中的內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)的物理地址空間和虛擬地址空間，它是這個系統(tǒng)得以存在和運(yùn)行的基礎(chǔ)［11］。該家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)均存放在4M 的閃存里，當(dāng)系統(tǒng)啟動后再將數(shù)據(jù)通過DDR 映射到MCU 的RAM 中，從地址0x81000000開始。

3 管理接口

3.1Web接口

Web功能是家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供給用戶的面向?qū)ο蟮牟僮鹘涌?。用戶通過WEB瀏覽器訪問，可以對家庭網(wǎng)關(guān)的各功能模塊進(jìn)行設(shè)置，即對連接在家庭網(wǎng)關(guān)上的設(shè)備的管理控制。如：對以太網(wǎng)口進(jìn)行VLAN 配置，自由組織虛擬網(wǎng)絡(luò);對VOIP口的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行配置，自行設(shè)置IP、VOIP業(yè)務(wù)等信息;對WiFi模塊進(jìn)行設(shè)置，選擇虛擬信道、設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)等。家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)通過常見的應(yīng)用程序接口模塊CGI，連接CGI接口和處理HTML靜態(tài)文本文件實(shí)現(xiàn)Web功能。

Web服務(wù)器選擇Httpd服務(wù)器，通過移植Httpd源碼并融合在Busybox里實(shí)現(xiàn)。在cgiMain（）函數(shù)中描述了Httpd服務(wù)器建立服務(wù)、接收請求、處理請求、日志文件及斷開連接的過程。在Httpd.c文件中添加函數(shù)來設(shè)置Web服務(wù)器的配置，使Web服務(wù)器啟動時就能根據(jù)當(dāng)前環(huán)境完成Web服務(wù)器的配置。指定的HTML頁面文件放到/usr/www 目錄下，cgi外部擴(kuò)展程序放到/usr/www/cgi-bin目錄下，把鏈接融合在cgiMain里。通過在cgiMain（）函數(shù)里調(diào)用環(huán)境變量建立服務(wù)器與CGI程序之間的信息交互，從而實(shí)現(xiàn)各個網(wǎng)頁文件之間的鏈接。

如果家庭網(wǎng)關(guān)的IP地址為192.168.100.12，把家庭網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)連接在同一個網(wǎng)絡(luò)里，在Web瀏覽器地址欄輸入192.168.100.12即可顯示家庭網(wǎng)關(guān)的配置頁面?？梢詫?shí)現(xiàn)各個頁面之間的動態(tài)連接，修改家庭網(wǎng)關(guān)的配置參數(shù)。

3.2CLI接口

加載簡單遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器Telnetd，通過命令行界面（CommandLineInterface，縮寫為CLI）方式，使Telnetclient就可以登錄到家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，結(jié)合CLI提供的各種命令接口，實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)關(guān)的配置、測試和升級等操作。在家庭網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)中，Telnetd工作時連接一個偽終端設(shè)備，然后創(chuàng)建一個登陸進(jìn)程，在偽終端側(cè)有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出、錯誤。Telnet操縱的偽終端主方執(zhí)行telnet協(xié)議并傳遞遠(yuǎn)程客戶端和登錄過程中的字符。

在命令行窗口輸入“telnet192.168.100.12暠出現(xiàn)用戶名、密碼提示窗口。輸入正確的用戶名和密碼，即可訪問家庭網(wǎng)關(guān)，查看系統(tǒng)的文件。打開TFTP服務(wù)器，通過命令tftp可以更新頁面文件等。

3.3UART接口

初始化MCU 內(nèi)置的UART接口，設(shè)置串口屬性如：波特率為115200、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)、1位停止位、無流控。通過超級終端人機(jī)交互界面可以和家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互，實(shí)時監(jiān)控家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、修改控制各類配置信息、更新U-boot、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、映像文件等。

打開超級終端、TFTP服務(wù)器，設(shè)置串口屬性，啟動家庭網(wǎng)關(guān)后，即可打印輸出家庭網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入更新文件狀態(tài)，設(shè)置環(huán)境變量，如輸入：

tftp0x80060000u-boot.bin//將u-boot.bin文件放在緩存區(qū)

erase0x9f000000+0x40000//擦除存放U-Boot文件區(qū)域的內(nèi)容

cp.b$fileaddr0x9f000000$filesize//把緩存區(qū)的文件復(fù)制到存放U-Boot文件的區(qū)域

即可更新U-Boot文件。按此命令格式，輸入對應(yīng)的文件名和地址，文件系統(tǒng)、映像文件也同樣可更新。

4 結(jié)語

該文描述了一個以MIPS微處理器為核心、以嵌入Linux操作系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境的家庭網(wǎng)關(guān)。該家庭網(wǎng)關(guān)通過移植U-Boot、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)定制軟件系統(tǒng)，添加Web、CLI、UATR 等接口功能，實(shí)現(xiàn)通過Web、CLI和SNMP等多種方式靈活的與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互、配置、更新。經(jīng)測試該家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)功能，上聯(lián)接口支持多種接入方式能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)交換模塊提供數(shù)據(jù)信號，下聯(lián)接口能提供VOIP功能、2.4GHz的無線信號，以太網(wǎng)口之間能自由配置VLAN。

試驗(yàn)測試的結(jié)果表明，該家庭網(wǎng)關(guān)適合高寬帶傳輸、全方位融合、多業(yè)務(wù)綜合的家庭網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)展需求。