楊蕾蕾1,，慕福奇2,，張文明2，呂欣巖2

　　(1.中國科學院大學 微電子學院,，北京 100049,；2.江蘇中科羿鏈通信技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214135)       摘要：針對嵌入式設(shè)備的配置管理需求,，利用Lua腳本語言設(shè)計了一種靈活的嵌入式設(shè)備配置管理方法,。實現(xiàn)了通過串口服務(wù)、Telnet服務(wù)和Web服務(wù)對嵌入式設(shè)備進行配置管理,。該方法通過在QiLINK(Queue Information LINK)鏈狀網(wǎng)節(jié)點（使用TMS320C6670芯片開發(fā)）上實際驗證,，證明了其可行性，符合預期效果,。為嵌入式設(shè)備提供了一種移植性強,、多方式的配置管理方法。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式,；配置管理,；Lua語言；Web,；Telnet,；串口；MVC框架

　　中圖分類號：TP311文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.026

　　引用格式：楊蕾蕾，慕福奇,，張文明，等.一種靈活的嵌入式設(shè)備配置管理方法［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（3）：88-92.

0引言

　　隨著計算機技術(shù)和集成電路的發(fā)展,，嵌入式技術(shù)日漸普及。嵌入式設(shè)備由于體積小,、功耗低,、成本低廉的特點在通信、家電,、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛,。

　　無論是以單片機為主的中低端嵌入式應(yīng)用，還是以ARM,、DSP,、MIPS為主的高端嵌入式設(shè)備，都需要提供一種或幾種方式供開發(fā)人員或其他使用者對其進行配置和管理,。常用的方式可以分為以下3種：利用串口通信或Telnet遠程登錄服務(wù)直接輸入指令［1］,；通過發(fā)送指定格式的UDP包 ［2］；使用Web可視化界面［3］,。目前嵌入式設(shè)備的配置管理方法多采用以上3種方式中的一種,，不夠全面。此外,，實現(xiàn)方式也不夠理想,，如自定義的命令格式以及自定義的配置數(shù)據(jù)文件容易出現(xiàn)解析錯誤等［4］。綜上,，沒有一個移植性較強的,、比較完備的配置管理方法可以應(yīng)用在不同的嵌入式設(shè)備中。

　　Lua語言是一種輕量級的語言,，適用于多種操作系統(tǒng)以及用ANSI C開發(fā)的平臺,，它在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)屢見不鮮［57］。此外,，Lua腳本可以直接用來存儲配置數(shù)據(jù),，占用空間小并且容易解析，不易出錯,。在這種前提下,，本文考慮依托Lua語言，實現(xiàn)一套集Web服務(wù),、Telnet服務(wù)和串口服務(wù)為一體的嵌入式設(shè)備配置管理方法,。

1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本嵌入式設(shè)備配置管理方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，嵌入式設(shè)備提供網(wǎng)口和串口供PC管理機可以通過遠程登錄、訪問Web頁面以及輸入串口命令的方式對嵌入式設(shè)備進行配置管理,。

　　本方法的實現(xiàn)依賴于Lua源碼,，它提供解釋Lua腳本的解釋器，同時還可以靈活地修改以滿足不同接口的需求,。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,，Lua源碼的下層是底層驅(qū)動函數(shù)，它們可以注冊到Lua中,，供Lua腳本調(diào)用,。Lua源碼的上層是本方法實現(xiàn)所依賴的三大服務(wù)：串口服務(wù)、Telnet服務(wù)以及Web服務(wù),。串口服務(wù)直接由Lua串口處理程序?qū)崿F(xiàn),，而其他兩種服務(wù)均依賴于嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。NDK（Network Developer’s Kit）是德州儀器公司（Texas Instruments,，TI）開發(fā)的TCP/IP協(xié)議棧,，它在提供Telnet服務(wù)的基礎(chǔ)上，增加了解釋Lua指令的功能,。而Web服務(wù)利用Lua社區(qū)提供的相關(guān)Http模塊實現(xiàn),，它們由純Lua腳本實現(xiàn)，修改十分簡單,，避免了傳統(tǒng)的C語言編寫的CGI（Common Gateway Interface）程序每次修改都需要重新編譯代碼的問題,。這些模塊又依賴于Luasocket，Luasocket是將NDK的Socket函數(shù)封裝給Lua使用的一個接口層,。系統(tǒng)的最上層即是配置管理操作的對象,、配置數(shù)據(jù)以及代碼文件等。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中還移植了Fatfs文件系統(tǒng),，用來更好地存放和管理這些文件,。

2具體方法及實現(xiàn)

　　2.1文件系統(tǒng)移植及IO操作實現(xiàn)

　　嵌入式文件系統(tǒng)選擇Fatfs。它使用ANSI C編寫,，不依賴于硬件平臺,，并且代碼量小、移植簡單［89］,，適用于小型的嵌入式設(shè)備,。Lua源碼中的io庫的實現(xiàn)依賴于標準C的文件操作函數(shù)，與Fatfs提供的函數(shù)不同,，因此需要將Fatfs提供的相關(guān)API函數(shù)封裝成一套新的Lua io庫,。

　　2.1.1Fatfs文件系統(tǒng)的移植

　　以MX25U25635F SPI FLASH為例闡述Fatfs在嵌入式存儲設(shè)備中的移植過程。

　　MX25U25635擦除的最小單位是4 K,，所以將Fatfs的簇（最小文件單位）大小設(shè)置為4 K,。一個扇區(qū)大小為512 B，一個簇8個扇區(qū)。移植Fatfs需要修改的是diskio.c文件,，其中,，需要特別注意的是磁盤寫函數(shù)。

　　如圖2所示,，寫一個文件時會將這個文件分成兩部分：整扇區(qū)和最后不足一個扇區(qū)的部分,。整扇區(qū)的寫操作是由用戶緩沖區(qū)直接寫入物理磁盤，最后不足一扇區(qū)的部分,，先從磁盤讀取相應(yīng)扇區(qū)的內(nèi)容到文件緩沖區(qū)，修改緩沖區(qū)內(nèi)容,，并設(shè)置回寫標記,，最終在調(diào)用文件關(guān)閉函數(shù)或再一次寫文件時，再將文件緩沖區(qū)的內(nèi)容回寫到物理磁盤中,。這樣就一共調(diào)用了兩次磁盤寫函數(shù),，磁盤寫函數(shù)調(diào)用SPI寫函數(shù)，而每次調(diào)用SPI寫函數(shù)時都會根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的長度擦除所在的整個簇,。如果文件緩沖區(qū)寫入的扇區(qū)和之前已經(jīng)寫好的整扇區(qū)在一個簇內(nèi),，則第二次調(diào)用SPI寫函數(shù)時會再一次把整個簇擦掉，因此之前寫入的整扇區(qū)內(nèi)容也被擦掉了,。為了避免這種情況,，在SPI寫函數(shù)中加了一個判斷，在擦之前判斷擦除的地址是否是一個簇的起始地址,，如果是則進行擦除操作,，否則直接寫入。

　　2.1.2IO庫的封裝及本地文件到Flash的映射

　　IO庫主要實現(xiàn)對文件的打開,、關(guān)閉以及讀,、寫這幾個函數(shù)。其中需要注意的是,，F(xiàn)atfs對外提供的每一個文件操作函數(shù)的第一個參數(shù)都是一個文件指針,，以此來確定操作對象。但是Lua中并沒有指針變量,，因此封裝時在文件打開函數(shù)的末尾返回所打開的文件的指針,，此后調(diào)用讀、寫,、關(guān)閉函數(shù)時都直接將得到的這個文件指針作為第一個參數(shù)使用,。

　　當寫入Flash的文件數(shù)量較多時，逐個寫入太過麻煩,，因此用一個簡單的Lua腳本實現(xiàn)文件從PC端指定路徑到Flash指定路徑的映射,。它完成的操作有：定義一個目錄查找函數(shù)，將PC端指定目錄下的指定格式文件的絕對路徑全部存入到table變量input_table{}中；使用字符串匹配替換函數(shù)string.gsub()將input_table{}中的文件路徑替換為Flash文件系統(tǒng)中的指定路徑,，存入另一個table變量save_table{}中,；利用Lua原有的io庫從input_table{}中依次讀取文件，利用封裝Fatfs函數(shù)的io庫按照save_table{}中的路徑依次創(chuàng)建文件并將讀到的內(nèi)容寫入,。

　　2.2Web服務(wù)器設(shè)計

　　嵌入式Web服務(wù)器的實現(xiàn)借助于Lua社區(qū)提供的相關(guān)模塊,，包括Xavante、Wsapi,、Copas,、Cgilua、Sailor,。Xavante是基于URI模塊化架構(gòu)的HTTP1.1 Web服務(wù)器映射處理程序,，提供文件處理、重定向處理和Wsapi處理,。Wsapi將抽象的Lua程序映射為具體的Web應(yīng)用,，解決了Lua代碼的平臺依賴性，使之可以應(yīng)用于主流的平臺,。Copas是一個基于協(xié)程的調(diào)度器,，可以用于調(diào)度TCP或UDP服務(wù)。Cgilua是一個用于創(chuàng)建動態(tài)Web頁面和Web表單的工具,，支持界面和數(shù)據(jù)分離,。Sailor是一個MVC框架，用于組織Web界面和數(shù)據(jù),。這些模塊依賴于Luasocket,，它是用C封裝的提供給Lua使用的Socket函數(shù)。

　　2.2.1Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)及處理流程

　　Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　Copas模塊完成Tcp Socket的調(diào)度工作,，負責接收請求、建立連接,，并監(jiān)視Socket套接字的狀態(tài)變化,，當監(jiān)聽到有數(shù)據(jù)后，交給Xavante模塊處理,。Xavante模塊將接收到的數(shù)據(jù)包進行解析,，得到包頭信息，并根據(jù)解析出來的Url請求使用不同的處理函數(shù)進行處理,，包括Index頁面處理函數(shù),、文件處理函數(shù)以及Cgi處理函數(shù)。Cgi處理函數(shù)調(diào)用Cgilua模塊進行處理,。處理完畢后將處理結(jié)果交給Wsapi模塊,，它將抽象的Lua語句轉(zhuǎn)換為規(guī)范的html語句,。最后Xavante模塊將處理結(jié)果加上包頭信息發(fā)送給客戶端。其中,，Web頁面的組織方式使用Sailor MVC框架,。具體處理流程如圖4所示。

　　2.2.2Socket接口層

　　Lua的Http服務(wù)模塊依賴于Luasocket提供的tcp socket函數(shù),。Lua官網(wǎng)提供的Luasocket是以動態(tài)庫的格式供用戶使用,，并且依賴于Linux/Windows操作系統(tǒng)，不適用于所有的嵌入式設(shè)備（例如TMS320C6670所依賴的CCS開發(fā)平臺）,。因此需要將所使用的TCP/IP協(xié)議棧提供的Socket函數(shù)封裝成Luasocket的tcp socket格式,，并注冊到Lua源碼中供Lua Http相關(guān)模塊使用。在封裝Luasocket庫時,，盡量保持函數(shù)結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系不變,，只替換內(nèi)部實現(xiàn)函數(shù)，減少使用Luasocket的Http模塊的改動,。

　　2.2.3MVC框架

　　為了更好地組織Web，使用了Sailor MVC框架,。MVC指的是Model,、View、Controller三部分,。MVC框架可擴展性強,、易于維護［10］。

　　Sailor的視圖是lp文件,，它與Html文件的區(qū)別是可以直接插入Lua代碼（Wsapi模塊將解釋處理這些Lua代碼）,。Lua代碼的插入方法有兩種：<?lua chunk?>和<?lua=expression?>。如果是連續(xù)的一段Lua代碼,，則按代碼塊的格式插入,，如果是單獨的一句Lua語句，則按Lua表達式的格式插入,。

　　Sailor通過定義一些頁面操作函數(shù)來實現(xiàn)Controller對視圖的控制,，如視圖加載函數(shù)、輸出函數(shù)以及重定向操作函數(shù)等,。

　　Sailor同樣定義了模型操作函數(shù),。Controller對模型的控制從新建模型開始，Sailor提供的模型新建函數(shù)將用戶定義的模型NewObj作為參數(shù),，在繼承模型通用函數(shù)的同時,，引入用戶在NewObj中自定義的函數(shù)及數(shù)據(jù)格式規(guī)范。Model部分通常采用數(shù)據(jù)庫存儲,，但由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不是很大,，也為了盡量減少不必要的模塊,，所以配置數(shù)據(jù)直接以Lua的table數(shù)據(jù)類型存儲在Lua腳本中，因為C和Lua極強的交互性,，所以在C代碼中解析Lua配置腳本也很容易,。

　　2.3Telnet串口服務(wù)設(shè)計

　　Telnet服務(wù)和串口服務(wù)均是通過直接輸入Lua命令來對嵌入式設(shè)備進行配置管理，它們共用一套配置管理接口,。Telnet實現(xiàn)了對嵌入式設(shè)備的遠程控制,，并且操作簡單，只要PC管理機與嵌入式設(shè)備在同一網(wǎng)段即可,。同時,，對一個完整的嵌入式設(shè)備配置管理方法而言，不可缺少的配置方式是通過串口服務(wù)進行配置,。它在嵌入式設(shè)備沒有入網(wǎng),、默認IP也沒有生效的情況下仍然可以使用，保證了本配置方法的完備性,。串口處理程序與Lua結(jié)合還可以避免不同格式的串口數(shù)據(jù)幀給嵌入式設(shè)備軟件帶來的解析困難［11］,，提高了交互的靈活性。

　　2.3.1配置管理接口

　　Telnet服務(wù)和串口服務(wù)除了可使用規(guī)范的Lua語句直接對Lua配置腳本進行修改外,，本方法還增添了快捷配置方式以及直接調(diào)用某些管理函數(shù)的功能,，將它們統(tǒng)稱為配置管理接口。配置管理接口是由相關(guān)C函數(shù)注冊到Lua源碼中實現(xiàn)的,。調(diào)用格式與普通的Lua函數(shù)一樣：庫名.函數(shù)名(參數(shù)1,參數(shù)2,參數(shù)3…),。

　　2.3.2Telnet服務(wù)

　　NDK協(xié)議棧提供的Telnet服務(wù)的用戶指令包含多個關(guān)鍵字，它們被存放在大小為10的字符指針數(shù)組tok中,，各命令需要匹配多少個關(guān)鍵字,，就從tok數(shù)組中依次取出相應(yīng)的元素進行匹配。Lua命令只需輸入“Lua”一個關(guān)鍵字,，因此將tok［0］指向的字符串和“Lua”比較,，如果相同，則進入Lua命令輸入模式（即調(diào)用Lua解釋器）,，等待用戶輸入Lua指令,，以回車鍵作為一次輸入的截止標志。Lua解釋器將輸入的字符串作為一段Lua代碼載入并編譯,，然后作為一個代碼塊(稱為chunk)壓入棧中,。此后，調(diào)用Lua的異常處理函數(shù)去執(zhí)行這個代碼塊,。圖5為Telnet解析Lua指令流程圖,。

　　2.3.3串口服務(wù)

　　串口命令的解析過程與Telnet不同，Telnet是通過直接調(diào)用Lua解釋器來執(zhí)行Lua命令,，而串口服務(wù)的解析過程經(jīng)過了一個中間函數(shù)即串口數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù),，它被注冊到Lua中,。設(shè)備初始化時完成對串口的配置并啟動加載Lua串口處理腳本。當PC管理機通過串口調(diào)試助手給嵌入式設(shè)備發(fā)來Lua命令時,，串口處理程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行處理,，然后將其傳給串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)。Lua串口處理腳本檢測到串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)接收到數(shù)據(jù)后,，將這些接收到的內(nèi)容作為Lua代碼執(zhí)行,。執(zhí)行完畢后，通過調(diào)用串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給串口處理程序,，串口處理程序?qū)⒅幚硗戤吅笸ㄟ^串口線發(fā)送給PC管理機,，反饋給用戶。其中,，串口配置數(shù)據(jù)也被存放在一個Lua腳本中,，初始化時由C解析這個配置腳本完成對串口的配置。

3實驗結(jié)果

　　使用本方法在QiLINK鏈狀網(wǎng)其中一個節(jié)點（使用TMS320C6670芯片開發(fā)）上進行測試,，測試拓撲圖如圖6所示,。所有節(jié)點的默認IP為192.168.1.3，入網(wǎng)后的IP為10.9.X.2,，其中X為節(jié)點號乘以9,，比如節(jié)點4的IP為10.9.36.2。

　　圖7是將PC管理機與節(jié)點4用串口線相連,，使用串口調(diào)試助手對INTCof文件成功進行配置的結(jié)果圖。

4結(jié)束語

　　本文提出了一種靈活的嵌入式設(shè)備配置管理方法,，實現(xiàn)了利用串口服務(wù),、Telnet服務(wù)、Web服務(wù)3種方式對嵌入式設(shè)備進行配置及管理,。本方法適用于用ANSI C開發(fā)的嵌入式設(shè)備,，并提供對外網(wǎng)口或串口。本方法與傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備配置管理方法相比,，提高了靈活性,，對配置數(shù)據(jù)或Web界面的修改只需修改相關(guān)腳本文件，無需重新修改編譯軟件代碼,；此外,，提高了完備性，無論嵌入式設(shè)備是否入網(wǎng)都可以對它進行配置管理,；更為重要的一點是,，本方法通用性強，不依賴開發(fā)平臺和操作系統(tǒng),，為各式各樣的嵌入式設(shè)備的配置管理提供了很好的解決方案,。

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