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1、以ARMLinux為基礎的嵌入式資訊網系統平台之設計與實作家庭保全系統應用以ARMLinux為基礎的嵌入式資訊網系統平台之設計與實作家庭保全系統應用1Design and Implementation of ARMLinux Platform-based Embedded Web System A Home Intruder Alarm System Application蕭榮修*R. S. Hsiao*張國基K. C. Chang史義男Y. N. Shi林 玫May Lin國立台北科技大學電子工程系摘 要嵌入式系統 (Embedded Systems) 不但充滿在我們的日常生活中，而且扮演著
2、重要的角色。傳統的嵌入式系統為獨立作業平台的裝置，不具備網際網路連線及組態介面 (configuration interface) 的設定功能，其應用範圍受到相當大的限制。隨著網際網路 (Internet) 應用的普及，具有可連上資訊網的 (Web-enabled) 的嵌入式系統之需求日漸殷切。本研究的主要目的即為設計一個可連上資訊網的ARMLinux嵌入式系統平台，以補足傳統嵌入式平台在網路上的不足，並提供系統晶片 (System-on-Chip, SoC) 整合內容之參考。藉由此平台所提供的網路設備，我們可以使嵌入式系統裝置連線上網，達到遠端資訊存取及組態設定功能。為驗證此嵌入式平台之可用
3、性，我們以開放原始碼 (open source) 的方式來實作一個低成本高效能家庭保全系統。使用者可在任意計算平台之客戶端 (client-side) 執行瀏覽器 (browser) 後，與伺服器 (server) 取得連線，並藉由伺服器端所傳給的Java applet及其socket通訊機制，設定家中的保全系統狀態，並由遠端接收監控資訊。透過實作與效能評估，我們得到一個主要的結論，使用Java來實作非行動式 (固定式) 的嵌入式系統是一種浪費，因為虛擬機器 (Java Virtual Machine, JVM) 會消耗很大的計算與記憶體資源，JVM的跨平台特性不具任何意義。關鍵詞：嵌入式系統
4、、系統晶片。投稿受理時間: 93年3月15日 審查通過時間: 93年6月30日56臺北科技大學學報第三十七之二期ABSTRACTEmbedded systems are omnipresent and play significant roles in our daily lives. In the past, embedded systems have functioned in isolation without any functions of networking and configuration interface. Therefore, the application range
5、 is very limited. Since the Internet becomes very popular, the Web-enabled embedded systems will be more expected. The goal of this study is to develop a Web-enabled ARMLinux embedded system development platform to provide the functions of networking and configuration interface and to be used for th
6、e consideration of SoC contents integration. To use this facility, which the development platform provides, the embedded device can be connected to the Internet achieving functions of remote information access and configuration setup.To verify the validation of development platform, we adopt open so
7、urce method to implement a low-cost and high-performance home intruder alarm system. User can run a browser at any computing platform to connect with the server from which the browser receives a Java applet from the server. User uses the Java applet and the socket mechanism to configure and receive
8、the information from the remote home intruder alarm system. Through the implementation and evaluation of performance, we get a conclusion that to use Java for the implementation of the non-mobile embedded system is a waste because the Java Virtual Machine (JVM) consumes a large of computation and me
9、mory resources. The cross-platform feature of JVM is meaningless for the non-mobile embedded system.Keywords:Embedded Systems, ARMLinux, Embedded-Web Server, System-on-Chip (SoC).壹、緣由與目的嵌入式計算系統具有特定的功能及嚴格的非功能需求：價格、體積、性能和功率消耗等限制。而SoC技術可以將複雜的電路整合在一個矽晶片上，具有輕巧、價廉、性能佳和低功率消耗等優點89。因此以嵌入式處理器為核心，開發一個實用的嵌入式計算系
10、統原型 (prototype)，再以系統晶片技術製成一顆嵌入式積體電路是目前行動裝置、通訊及資訊家電等嵌入式產品最迫切的需求。以ARMLinux為基礎的嵌入式資訊網系統平台之設計與實作家庭保全系統應用3為預防與降低家庭竊案的發生，大部份的家庭會選擇使用保全服務。但保全服務將增加家庭的經濟壓力，而且保全服務無法深入家中進行更細微的感測，這種只能對進入口 (如窗和門) 進行保護的限制，已經不足應付家庭保全的需求了。此外，大量的資訊家電進入家庭生活中，使用網路做遠端控制將是必然的趨勢，這點也是一般保全服務在考慮隱私及服務能力所難以實踐的。每個家庭的環境不盡相同，應有一個能配合改變的系統組態方案。組態
11、方式如能利用網際網路無遠弗界的特性，進行隨時隨地的調整並監控家庭中的保全系統，甚至在行動設備上進行監控，都將使保全系統更具實用價值。綜觀市面上具有類似功能的產品，都以桌上型電腦作為實作平台。固然桌上型電腦的技術已經相當成熟，但對家庭而言，成本依然太高，並有高耗電、體積大等缺點。另一類的產品則搭配軟體的安裝，不必另購一部桌上型電腦，雖然減少了硬體成本，但卻把許多與系統無關的軟體與保全系統軟體置於同一計算平台之上，造成保全系統的可靠度大為降低。綜合上述，家庭保全系統是一個專用系統，一個特定系統，甚至是一個容錯系統，比起一般電腦系統或消費性電子產品需要有更多的非功能性需求。嵌入式系統的特性正能符合家
12、庭保全系統的需求。貳、研究方法與成果一、文獻探討由於ARM的低耗電高效能特性，以及Linux的開放原始碼、高移植性 (portability) 等優點，使用ARM-Linux做為系統平台者極為普遍。但是許多系統平台並沒有考慮到嵌入式系統的資源限制。成大研究生萬林明12選用的ARM-Linux其kernel及Ramdisk需2.5M位元組 (Byte, 簡稱B) 以上，對一個要兼顧成本的嵌入式系統而言，將是一個沉重的負擔。以Web為基礎的嵌入式系統之實作以美國UCSC Montague等人56所研發的Javacam最具代表性，其平台選擇一個客製的OSJava Nanokernel(JN)，結合T
13、CP/IP程式等，總共需要45KB的記憶體，而加上Java Virtual Machine (JVM) 共需2MB以上的龐大記憶體。再者，Java的執行速度慢，進行較為複雜的應用，性能將大為降低，同時Java執行所需的時間較長，功率消耗跟著大為增加。與一般多用途的行動式嵌入式系統不同，對固定式的嵌入式系統，為達到成本及效益的最佳化，系統的軟硬體平台在研發初期就已確定。因此，JVM的跨平台特性將不具任何意義。二、系統分析與設計(一)作業系統的選擇我們選用Linux作業系統，主要是因為Linux能符合我們下列的需求:(1) Linux可以免費或以低廉的價格取得；(2) Linux是以開放原始碼的形
14、式釋出，我們可以調整Linux以完全符合本應用特殊的記憶體及通訊介面需求；(3) Linux支援的硬體元件相當多；(4)強健且完善的網路協定；(5)完整且價廉的發展工具7。4臺北科技大學學報第三十七之二期Linux是一個符合POSIX標準的核心，應用程式都具備平行的移植性。在硬體系統還未建置完成前，先透過符合POSIX標準的桌上型(desktop) Linux進行應用程式的開發，之後再進行核心移植的工作。在此同時，可以尋找符合POSIX標準的程式來加速軟體的開發，以達到軟體硬體同時開發的目的。雖然使用Linux需要付出root file-system約500KB的代價11，但檔案系統有助於組態
15、資料的儲存，提高系統存取資料的效率，以方便系統組態及設定的實現7。因此，Linux必須使用檔案系統才能運作的特性，反而使得上述的優點無需額外的軟體就得以實現，這是其他的嵌入式作業系統所缺少。減少系統軟體對記憶體的需求，將有效的降低硬體建置的複雜度與成本，有助於SoC的發展。為了達到這個目的，我們選定了uCLinux作為作業系統核心，uCLinux對記憶體的需求，僅需500KB11，並且可以保有所有Linux的通訊能力。(二)處理器的選擇雖然家庭監控事務所需的計算量不高，但所監控的項目卻頗為繁雜。因此，一般8位元單晶片微控制器是無法勝任的，加上系統有可能進行一些智慧型的控制，需要一個32位元單晶
16、片微控器才能達到較好的效果。此外，家庭監控事務項目繁多，硬體的介面自然相對增多，過多的額外電路，將在成本優勢上大打折扣，所以高度整合週邊電路的32位元SoC是本系統最佳的選擇，硬體平台的比較如表(一)。表(一)本系統與其他硬體平台的比較平台PC-based單晶片微控器本系統 (SoC)成本US$30US$1US$4體積較大較小較小耗電2A/5V35mA/5V500mA/5V整合性難以整合難以整合整合度較高 穩定性較低較高較高網際網路具備無具備32-bit RISC架構的CPU是最能符合體積小、高效能，與低耗電需求的最佳選擇。本系統選擇以ARM作為嵌入式處理器，ARM的核心是以矽智產 (Sili
17、con Intellectual Property, SIP) 方式授權給多家半導體廠商，我們可挑選以ARM為核心且符合系統需求的高度整合系統晶片。此外，ARM的SIP品質管控相當嚴謹，所以在進行核心移植時，遇到的問題會比較少，使得軟體硬體的開發工作可以同時進行，不必擔心將來把軟體移植到硬體時，會有軟硬體不相容的情形發生3。在這些考量下，ARM是在使用Linux核心下的最好選擇。(三)網路軟體的考量Embedded Web server負責儲存網頁，並與client端的瀏覽器交談。選用現有的Web server可節省大量開發時間，並可藉由使用者熟悉的GUI縮短學習曲線10。此外，選擇以標準化為
18、存取方法 HTTP和HTML之產品，可排除嵌入式系統裝置及網路的異質性2。以ARMLinux為基礎的嵌入式資訊網系統平台之設計與實作家庭保全系統應用5Java applet在網頁間具有優良的互動性，且具有跨平台、安全性高等優點。因此，以Java applet 作為嵌入式系統的組態介面是極佳的選擇。嵌入式系統平台本身不需支援JVM，Java applet可以由Web server透過網際網路傳遞給client端，藉由任意計算平台的瀏覽器即可執行。而且，藉由Java applet可建立TCP/IP socket連接，提供client與server間的互動機制。至於控制嵌入式系統平台與受控裝置間通訊
19、的程式，則宜選用Linux C/C+語言，以精準地控制整個系統、簡省開發時間與記憶體的需求並提昇系統性能1。採用了Java applet，使用者只需要安裝Web browser，便可以在任一平台上使用家庭監控事務。當客戶端連線至伺服器時，Java applet才被下載至客戶端並且執行。整個下載及執行的過程，使用者只知道自己開啟了一個網頁，完全感受不到系統已經安裝了能接取伺服器服務的軟體。配合瀏覽器上的JVM，下載後的軟體將與作業系統完全隔離，使之能跨越各種軟硬平台，不受限制的執行。安全性的考量下，如圖(一)所示，Java applet只能與伺服器端進行連線，其他種類的網路連線將被完全禁止。綜合
20、上述的系統考量，本系統與Javacam之比較如表(二)。圖(一)Java applet在瀏覽器上的安全性表(二)本系統與Javacam之比較平台Javacam本系統系統軟體規模JN, JVM(大約2MB)uCLinux(大約 1MB)效率較低較高記憶體需求較大較小程式語言JavaC/C+, Perl, etc 軟體資源較少較多 (GNU、Linux community)參、系統實作與成果系統架構如圖(二)所示，當遠端的使用者利用瀏覽器登入到本系統時，若輸入的帳號與密碼正確無誤，Embedded Web Server會將一個內嵌Java applet的網頁傳回給使用者，瀏覽器執行這個Java a
21、pplet後，利用socket連線與家庭控制器建立一個溝通的通道，使用者即可利用Java applet將組態指令傳給家庭控制器 (Home Controller)。使用者的操作流程，如圖(三)。家庭控制器收到使用者的資料 (命令) 後，便會遵循與受控裝置通信的協定，將使用者需求的命令透過UART介面或其他的協定傳給受控裝置4，如圖(四)。這些受控裝置可能是將來的資訊電冰箱、空調系統、電話、門窗門禁系統、等資訊家電(IA)。受控裝置接收到家庭控制器的資料(命令)後，進行組態工作，並傳回結果給家庭控制器，如圖(五)。家庭控制器在收到結果後，再經由socket將資料傳回給Java applet，最後
22、再由Java applet將收到的結果呈現給使用者，如此完成家庭監控的動作。系統實際運作情形如圖(六)所示。6臺北科技大學學報第三十七之二期圖(二)系統架構圖(四)家庭控制器運作流程Home Devices圖(五)受控裝置反應流程以ARMLinux為基礎的嵌入式資訊網系統平台之設計與實作家庭保全系統應用7(a) 使用者登入畫面(b) 受控裝置組態畫面圖(六) 本系統實際運作情形肆、結 論本研究的主要目是要建構出一個可靠度高、成本低，且具可跨平台特性的嵌入式資訊網系統平台，在系統發展的過程中，我們探討出快速且適合於嵌入式系統的發展環境 ARMLinux平台。在此發展環境中，我們區分兩種嵌入式系統
23、，一種是行動式的多用途手持裝置，另一種是非行動式的網際網路系統平台。兩者的實作考量是截然不同的，對一個不須具備行動性的嵌入式系統而言，採用JVM是消耗系統資源且得不到任何優點的作法。換句話說，在固定式的平台上，應該使用該平台原本所專屬的語言 (如C/C+)。在我們的系統中，所有軟體都採開放式架構，兼具功能及成本的彈性，避免落入封閉的軟體架構的限制。硬體方面，系統可以選擇的硬體平台幾乎是不受限制的，透過Linux的移植，我們自行發展的軟體無須改寫就可以順利在不同的硬體平台繼續執行。綜合上述，我們的系統有以下幾個特色:1.較小的軟體核心、2.使用上，不需安裝任何軟體、3.友善的使用者介面、4.跨平
24、台、5.低成本及豐富的效能、6.高度擴充性、7.支援多種硬體及標準、8.開放式的軟硬架構、9.方便SoC實行、10.資訊家電的發展原型及框架。伍、未來工作本研究雖有初步成果，但若要進行需即時處理的更複雜應用，就顯得不足。因此，如何利用real-time OS kernel提出解決方案，是一個很有價值的研究方向。另外，如何藉由一個簡單且不會造成系統及網路負擔，又兼具安全性的網路認證機制，也是個刻不容緩的研究議題。8臺北科技大學學報第三十七之二期誌 謝本研究承蒙國家科學委員會工程處之”晶片系統架構及開發平台研究之推動計畫”贊助，計畫編號: NSC91-2218-E-002-041/010，及本系黃
25、文增副教授提供寶貴的意見，在此一併致謝。參考文獻1Mitchell Bunnell, “Mixing Java and C in Embedded Systems,” Available in the site of: http:/www.omimo.be/magazine/98q1/1998q1_p050.pdf 2Peter Doudley, “Beyond the Embedded Web Server,” Available in the site of: 3Steve Furber, ARM System-On-Chip Architecture, 1st Ed., Addison-
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27、omputing, Vol 2, No 3, pp. 53-59, May/June 1998.6Bruce R. Montague, Michael R. Allen, Elizabeth A. Baldwin, Marcelo Montoreano, and Charles E. McDowell, “Design and Implementation of an Embedded-Java Web-Camera , “ Works- hop on Embedded Web Technologies, Sixth International World Wide Web Conferenc
28、e, Santa Clara, April 7-11 1997.7Greg Ungerer, “Building Low Cost, Embedded, Network Appliances with Linux,” Available in the site of: 8Frank Vahid and Tony Givargis,Embedded System Design A Unified Hardware/Software Introduction, Danvers, John Wiley & Sons, 2002.9Wayne Wolf, Computer as Components
29、Principles of Embedded Computing System Design, Morgan Kaufmann, San Francisco, 2001.10Nick Witchey, “Designing an Embedded Web Server,” Available in the site of: _papers/webserver.pdf11“ucLinux-Embedded Linux Microcont- roller Project”, Available in the site of: http:/www.uclinux.org/description/12萬林明，ARMLinux上建構具服務品質保證之網路環境，國立成功大學工程科學研究所碩士論文，民89。
