面向网络测试的嵌入式系统设计与实现

http://www.paper.edu.cn -1- 面向网络测试的嵌入式系统设计与实现 薛亚杰，钱宗珏，寿国础 北京邮电大学通信测试技术研究中心，北京100876） Email：xueyaj@gmail.com 摘 要：本文分别从硬件和软件角度阐述了一款新一代高性能网络测试仪中嵌入式系统的的设计和实现方案。该测试仪采用ARM9处理器，简化了硬件平台的设计，配合嵌入式Linux操作系统和应用软件，可以监测网络设备的状况，并且可以主动对网络发送测试数据包，进行网络性能的测试。 关键词：ARM，嵌入式Linux，网络测试

1. 引言 近年来网络正以空前的速度在发展，规模越来越大，结构越来越复杂，新的设备越来越多，网络出现的问题也越来越复杂,这就对网络测试提出了更高的要求;另一方面随着后PC时代的到来，集成电路的设计和制造工艺的进步，嵌入式技术也渐渐成熟，广泛应用于网络通信领域，这就使得开发高速高性能的网络测试仪成为可能。由于网络测试仪专用性强，前期投入大，开发难度高，目前国内在这一领域基本上是空白，大量的设备需国外进口如SmartBits，我们结合以往测试仪的经验以信息产业部的相关设备测试规范为主要依据,研制出新一代高性能网络测试仪，在这个高性能网络测试系统中，嵌入式系统起着举足轻重的作用，本文将从硬件和软件的角度介绍其中嵌入式系统的设计与实现。

2. 嵌入式系统的硬件 本嵌入式系统是这款高性能网络测试仪中的一部分。它实现的主要功能有与终端PC实现Socket网络通信、PC终端下载配置CPU程序FPGA程序，CPU小系统及外围器件的自检，动态配置外围器件和读取数据返回终端PC。 嵌入式系统硬件实现框图如图1。

图1 测试仪系统物理结构图 http://www.paper.edu.cn

-2- 整个系统主要由两部分组成:CPU小系统和外围器件。PC终端计算机通过网络与嵌入式系统进行通信，对系统进行读写控制。CPU小系统包括:ARM芯片,RAM和FLASH，以太网接口。本嵌入式系统采用32位ARM作为CPU，有功耗低、高性能等突出优点。由于ARM内部集成的ROM和RAM的容量不能够满足信号机的要求，因此设计了外存储单元来扩展存储空间，由一片64M的NAND FLASH以及两片32MB的SDRM组成外存储系统。FLASH存储器在系统中主要用于存放引导程序loader、操作系统内核镜像和应用程序代码等。为了提高系统运行的效果，系统启动后将FLASH中的代码拷贝到SDRAM中，有SDRAM作系统程序运行场所[1]。为了发挥ARM处理器32位数据处理性能，本设计选用2片SDRAM，

并联组成32M的RAM，总共64MB空间，完全可以满足嵌入式操作系统及各种复杂功能的运行要求。以太网接口芯片作为一个PHY与ARM的MAC连接，外接一个RJ45，实现ARM与PC的Socket网络通行。外围器件主要有FPGA和一款高速网络交换芯片，FPGA模块受ARM控制产生高速的测试数据发送到高速网络芯片端口最大为100Mb/s流量；或者由FPGA模块产生高速的测试数据发送到GE/FE PHY从SFP光模块产生1000Mb/s流量，同时FPGA也可按ARM要求将其所需数据发送至ARM。

3. 嵌入式系统软件实现 网络测试仪软件采用C/S架构，Client端Windows平台下软件实现用户界面操作，测试帧构建、速率控制、统计分析、实时显示等功能；Server端嵌入式Linux系统下软件完成流量产生、数据统计、数据上报、通信处理等功能，具体程序设计包括Bootloader启动代码、设备驱动设计、API接口程序设计、有限状态机设计和Socket通信机制程序设计[2]。下图是

服务器嵌入式系统的软件结构图。

图2 服务器端软件结构图 控制终端软件的核心是嵌人式Linux操作系统，一切功能的实现都基于Linux操作系统来完成。Linux本身作为一个桌面系统，在进人嵌人式操作系统领域时，需要解决的问题主要包括硬件支持、提供二次开发的环境以及小型化(裁减内核)等。小型化的目的是在满足操作http://www.paper.edu.cn -3- 系统基本功能和用户特定需要的情况下，使内核尽可能小。作为一个操作系统，Linux内核主要负责程序的管理与调度、内存的管理及对外设的驱动和管理等。由于Linux内核采用模块化的设计，很多模块可以独立地加载或卸载，所以小型化就是对Linux内核重新编译，在编译时仔细地选择嵌入式设备所需要的功能模块，同时删除不需要的功能。这里只需要串口驱动、还要支持TCP/ IP网络协议，其他都可以删除掉，使系统运行所需要的内核显著减小至1 Mb以内。 一般嵌入式系统的启动过程如下：系统加电后复位，引导装载器Bootloader初始化CPU ,SDRMA，分配地址空间等，Bootloader把Linux内核的压缩文件解压到SDRAM中，同时把控制权从Bootloader移交到Linux，然后开始执行SDRMA中的代码，Linux内核初始化，完成堆栈、中断的分配等；接着加载串口驱动模块和FPGA和网络芯片的驱动模块，完成外接器件的初始化，最后运行应用程序[3]。

根据嵌入式系统的启动过程和原理，我们的嵌入式的开发过程如下 z 安装和设置开发工具，建立交叉编译环境； z 在目标机上安装适合自己硬件平台的bootloader； z 配置和编译内核； z 通过引导装载器安装和运行内核； z 驱动程序开发； z 准备目标根文件系统得内容； z 安装目标根文件系统； z 开发和运行应用程序； z 系统集成。 这个流程基本上是一个由低向上、逐步推进的过程。但是有些工作可以并行开展，我们的测试仪开发时，在进行内核移植及驱动程序开发同时就进行应用程序的开发。 其中驱动程序的开发往往是开发中较重要的一部分，因为它涉及到对硬件的熟悉，内核空间与用户空间之间数据的传送等一系列底层的东西。Linux 的设备驱动程序的主要功能是：对设备进行初始化；启动或停止设备的运行；把设备上的数据传送到内存；把数据从内存传送到设备；检测设备状态。设备驱动程序可分为三类：字符设备、块设备、网络设备驱动，对于不同的设备有不同的访问方式[4]。本嵌入式系统对FPGA和网络交换芯片的驱动都

采用基本的字符设备驱动程序的编写方法。下面的函数分别是驱动设备的初始化和读写操作函数。 static void device_cfgio(void) { /* 使能IO口 */ sys->PIOA_PER = PA0_MISO | PA1_MOSI | PA2_SPCK | PA3_CS; sys->PIOA_PDR = 0x0; sys->PIOA_OER = PA1_MOSI | PA2_SPCK | PA3_CS; sys->PIOA_ODR = PA0_MISO; ⋯⋯// 其它初始化设置 sys->PMC_PCER = ( ((unsigned int)0x1 << AT91C_ID_PIOA));//时钟提供 } static void device_read(struct file *filp , unsigned char *buf, ssize_t count, loff_t *ppos) http://www.paper.edu.cn -4- { device_read_data(…);//内核部分操作 copy_to_user(⋯⋯); //把数据从内核空间传送到用户空间 …… } static void device_write(struct file *filp, unsigned char *buf, ssize_t count) { char drv_buf[1024] ; copy_from_use(drv_buf, buf,count); //把数据从内核空间传送到用户空间 device_write_datd(…);//内核部分操作 …… } 驱动程序有两种加载方式：一是直接编译进内核，使设备驱动作为内核的一部分，即静态编译；二是动态编译，单独作为一个模块编译，在需要时动态地把它插入到内核。我们的ARM9芯片带有MMU，使用动态编译比编译连接有更多的优点，故这里采用第二种方式。 API主要用于上层应用程序调用内核空间的驱动模块，以实现对硬件的各种操作。对于C/S结构的测试仪来说，在Server端上层的服务程序是C++编写的，而底层驱动模块是C编写的，通过使用API可以给上层的应用程序提供更丰富的函数接口，可以屏蔽掉C++和C的一些差异[5]。另外，如果下层的驱动模块有变化，只需要调节API以下的内容即可，而API对上层

提供的服务是相对稳定的。

4. 结束语 在网络快速发展的今天迫切需要高速和高性能的网络测试仪器，然而目前国内在这个方面几乎是个空白。我们成功地研制出了这款网络高性能测试仪，填补了国内这方面的空白，同时能对现有的以太网测试提供直接帮助。在这个测试系统中嵌入式系统起着关键的作用，本文从硬件和软件两个方面介绍了这个测试系统中的嵌入式系统。该侧试系统在一个虚拟的网络环境或实际的高速网络环境中都能很好地测试10/100/1000M速率下的以太网的性能，测试系统中的嵌入式系统也能很好地满足要求，正常地工作。