楊蕾蕾1，慕福奇2，張文明2，呂欣巖2

　　(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)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(duì)嵌入式設(shè)備的配置管理需求，利用Lua腳本語言設(shè)計(jì)了一種靈活的嵌入式設(shè)備配置管理方法。實(shí)現(xiàn)了通過串口服務(wù)、Telnet服務(wù)和Web服務(wù)對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行配置管理。該方法通過在QiLINK(Queue Information LINK)鏈狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（使用TMS320C6670芯片開發(fā)）上實(shí)際驗(yàn)證，證明了其可行性，符合預(yù)期效果。為嵌入式設(shè)備提供了一種移植性強(qiáng)、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(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：88-92.

0引言

　　隨著計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jī)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(duì)其進(jìn)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(yuǎn)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(shí)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(cuò)誤等［4］。綜上，沒有一個(gè)移植性較強(qiáng)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(jí)的語言，適用于多種操作系統(tǒng)以及用ANSI C開發(fā)的平臺(tái)，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(chǔ)配置數(shù)據(jù)，占用空間小并且容易解析，不易出錯(cuò)。在這種前提下，本文考慮依托Lua語言，實(shí)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(jì)

　　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(jī)可以通過遠(yuǎn)程登錄、訪問Web頁面以及輸入串口命令的方式對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行配置管理。

　　本方法的實(shí)現(xiàn)依賴于Lua源碼，它提供解釋Lua腳本的解釋器，同時(shí)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(dòng)函數(shù)，它們可以注冊(cè)到Lua中，供Lua腳本調(diào)用。Lua源碼的上層是本方法實(shí)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(shí)現(xiàn)，它們由純Lua腳本實(shí)現(xiàn)，修改十分簡(jiǎn)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(gè)接口層。系統(tǒng)的最上層即是配置管理操作的對(duì)象、配置數(shù)據(jù)以及代碼文件等。在系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)

　　2.1文件系統(tǒng)移植及IO操作實(shí)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(tái)，并且代碼量小、移植簡(jiǎn)單［89］，適用于小型的嵌入式設(shè)備。Lua源碼中的io庫的實(shí)現(xiàn)依賴于標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(gè)扇區(qū)大小為512 B，一個(gè)簇8個(gè)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(gè)文件時(shí)會(huì)將這個(gè)文件分成兩部分：整扇區(qū)和最后不足一個(gè)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(biāo)記，最終在調(diào)用文件關(guān)閉函數(shù)或再一次寫文件時(shí)，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(shí)都會(huì)根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度擦除所在的整個(gè)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(gè)簇內(nèi)，則第二次調(diào)用SPI寫函數(shù)時(shí)會(huì)再一次把整個(gè)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(gè)判斷，在擦之前判斷擦除的地址是否是一個(gè)簇的起始地址，如果是則進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)文件的打開、關(guān)閉以及讀、寫這幾個(gè)函數(shù)。其中需要注意的是，F(xiàn)atfs對(duì)外提供的每一個(gè)文件操作函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)都是一個(gè)文件指針，以此來確定操作對(duì)象。但是Lua中并沒有指針變量，因此封裝時(shí)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(shí)都直接將得到的這個(gè)文件指針作為第一個(gè)參數(shù)使用。

　　當(dāng)寫入Flash的文件數(shù)量較多時(shí)，逐個(gè)寫入太過麻煩，因此用一個(gè)簡(jiǎn)單的Lua腳本實(shí)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(gè)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(duì)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(gè)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(jì)

　　嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)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(tái)依賴性，使之可以應(yīng)用于主流的平臺(tái)。Copas是一個(gè)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(gè)用于創(chuàng)建動(dòng)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(gè)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(fù)責(zé)接收請(qǐng)求、建立連接，并監(jiān)視Socket套接字的狀態(tài)變化，當(dāng)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(jìn)行解析，得到包頭信息，并根據(jù)解析出來的Url請(qǐng)求使用不同的處理函數(shù)進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(tái)）。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(cè)到Lua源碼中供Lua Http相關(guān)模塊使用。在封裝Luasocket庫時(shí)，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(shí)現(xiàn)函數(shù)，減少使用Luasocket的Http模塊的改動(dòng)。

　　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(kuò)展性強(qiáng)、易于維護(hù)［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(dú)的一句Lua語句，則按Lua表達(dá)式的格式插入。

　　Sailor通過定義一些頁面操作函數(shù)來實(shí)現(xiàn)Controller對(duì)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(duì)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(shí)，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(chǔ)，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(chǔ)在Lua腳本中，因?yàn)镃和Lua極強(qiáng)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(jì)

　　Telnet服務(wù)和串口服務(wù)均是通過直接輸入Lua命令來對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行配置管理，它們共用一套配置管理接口。Telnet實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并且操作簡(jiǎn)單，只要PC管理機(jī)與嵌入式設(shè)備在同一網(wǎng)段即可。同時(shí)，對(duì)一個(gè)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(jìn)行配置。它在嵌入式設(shè)備沒有入網(wǎng)、默認(rèn)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(duì)Lua配置腳本進(jìn)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(cè)到Lua源碼中實(shí)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(gè)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(gè)關(guān)鍵字，就從tok數(shù)組中依次取出相應(yīng)的元素進(jìn)行匹配。Lua命令只需輸入“Lua”一個(gè)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(jìn)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(biāo)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(gè)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(gè)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(gè)中間函數(shù)即串口數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)，它被注冊(cè)到Lua中。設(shè)備初始化時(shí)完成對(duì)串口的配置并啟動(dòng)加載Lua串口處理腳本。當(dāng)PC管理機(jī)通過串口調(diào)試助手給嵌入式設(shè)備發(fā)來Lua命令時(shí)，串口處理程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)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(cè)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L(zhǎng)ua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(jī)，反饋給用戶。其中，串口配置數(shù)據(jù)也被存放在一個(gè)Lua腳本中，初始化時(shí)由C解析這個(gè)配置腳本完成對(duì)串口的配置。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　使用本方法在QiLINK鏈狀網(wǎng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)（使用TMS320C6670芯片開發(fā)）上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試拓?fù)鋱D如圖6所示。所有節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)IP為192.168.1.3，入網(wǎng)后的IP為10.9.X.2，其中X為節(jié)點(diǎn)號(hào)乘以9，比如節(jié)點(diǎn)4的IP為10.9.36.2。

　　圖7是將PC管理機(jī)與節(jié)點(diǎn)4用串口線相連，使用串口調(diào)試助手對(duì)INTCof文件成功進(jìn)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(shí)現(xiàn)了利用串口服務(wù)、Telnet服務(wù)、Web服務(wù)3種方式對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)它進(jìn)行配置管理；更為重要的一點(diǎn)是，本方法通用性強(qiáng)，不依賴開發(fā)平臺(tái)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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