作者：李維成，劉曉平，孔兵

以嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式技術是近年來一項新興的熱門技術，特別是以ARM公司的32位IP核為基礎的ARM嵌入式微處理器，以其高性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。然而，目前在網絡存儲領域，內商用市場上的網絡存儲系統(tǒng)大都采用x86等成熟的硬件平臺和商業(yè)化操作系統(tǒng)，成本昂貴、核心技術知識產權受保護。本文提出把ARM9微處理器和源碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)應用在網絡存儲領域，構建一個附網絡存儲NAS（Networkattached Storage）基本系統(tǒng)，拓展了ARM9微處理器的應用，也為NAS系統(tǒng)的發(fā)展提供了方向。

NAS系統(tǒng)是一個具有專一功能的網絡存儲系統(tǒng)，可實現與網絡設備直接連接，使客戶機與存儲器之間直接傳送數據；結合具有開放式、強大和穩(wěn)定的網絡性能的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內置與網絡連接所需的協議，能實現低成本、即插即用、管理和設置簡單的存儲系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構

NAS系統(tǒng)把存儲設備和網絡接口集成在一起，直接通過網絡存取數據，使其成為專用的網絡文件存儲及文件備份設備。因此，一個基本的NAS系統(tǒng)應包括基本的硬件設備、接口，操作系統(tǒng)，網絡通信和上層應用程序4個部分。

在硬件方面，系統(tǒng)采用32位的嵌入式微處理器EP9315作為主CPU。由于EP9315集成1/10/100 Mbps的以太網LAN控制器，因此只需外接物理層（PHY）接口芯片，即可實現穩(wěn)定、高效率的以太網接入。在操作系統(tǒng)方面，作為一個只需要實現網絡存儲和文件管理的系統(tǒng)，應該采用面向存儲的專用操作系統(tǒng)。基于Linux強大和穩(wěn)定的網絡功能、源代碼的開放性，系統(tǒng)選用嵌入式Linux作為NAS的操作系統(tǒng)；通過對Linux的裁剪，去掉許多通用的功能，能大大提高設備的性能。

網絡通信方面： 由于NAS服務器采用Linux操作系統(tǒng)，客戶機PC一般都是Windows系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)支持TCP/IP協議，但是不支持NetBIOS（Network Basic Input and Output System），因此兩者之間的通信需要一個中介。本系統(tǒng)利用Samba來實現個功能。

在應用程序方面：NAS設備的遠程訪問和管理以及數據傳輸，都需要相應的應用程序來支持；否則，即使將NAS接入網絡中，對用戶來說它也只是個無法訪問的“黑箱”。本系統(tǒng)的應用程序實現了硬盤管理、用戶和組管理、網絡配置、系統(tǒng)時間設置、網絡共享管理等。NAS系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設技

系統(tǒng)采用Cirrus Logic公司的ARM9系列的32位微處理器EP9315作為主控制器。

2.1 EP9315主要特性介紹

EP9315內嵌先進的運行于200 MHz的ARM920T微處理器內核，內核工作電壓為1.8 V，輸入/輸出電壓為3.3 V；內部集成了一個高性能的1/10/100 Mbps以太網媒體訪問控制器（MAC），通過與支持MII接口的外置PHY（物理層接口）簡單連接，系統(tǒng)即可實現高性能、低開銷的Internet訪問功能。

EP9315的IDE接口可以支持與兩個ATAPI工業(yè)標準兼容設備的連接，支持主模式和從模式，其內部的DMA控制器支持Multiword DMA和Ultra DMA模式的數據傳輸。EP9315的其他特性還有：通用存儲器接口（SDRAM、SRAM、ROM和Flash），Raster/LCD接口，帶12位A/D轉換器的觸摸屏接口，鍵盤接口，UART接口，3通道USB2.0全速主口，12通道DMA控制器等。其豐富的外圍接口大大降低了系統(tǒng)開發(fā)費用。

2.2 硬件電路

NAS系統(tǒng)主要硬件結構框圖如圖2所示。

其中主要部分功能描述如下：

復位電路 實現系統(tǒng)上電復位和在系統(tǒng)工作時用戶按鍵復位。電源電路 為12 V—5 V、5 V—3.3 V和5 V—1.8 V的電壓轉換。IDE硬盤需要12 V電壓，EP9315微處理器的內核工作電壓為1.8 V，其片內功能模塊的工作電壓為3.3 V，電壓轉換采用7805和LM1117系列轉換器實現。電源管理系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

RS232接口電路 用于與上位PC機的串口通信，通過串口實現對操作系統(tǒng)的開發(fā)、調試。在系統(tǒng)的初始狀態(tài)，EEPROM和Flash存儲器均為空，此時需要設置系統(tǒng)啟動配置模式為16位串行啟動，以把初始化代碼寫到Flash中。

JTAG調試接口 可對芯片內部的所有部件進行訪問，通過該接口對系統(tǒng)進行軟、硬件調試和編程，進行應用程序的開發(fā)、調試。

Flash存儲器 用于存放用戶應用程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數據等。

SDRAM存儲器 為系統(tǒng)程序的運行空間，系統(tǒng)及用戶數據、堆棧均位于SDRAM存儲器中。

EIDE接口 用于實現IDE硬盤的接入。

1/10/100 Mbps以太網物理層接口 為系統(tǒng)提供以太網接入的物理通道。本系統(tǒng)通過該接口接上以太網物理層接口芯片KS8721BL，來實現高速的以太網接入，大大簡化了系統(tǒng)的硬件電路設計。

3 NAS系統(tǒng)的軟件設計

當完成系統(tǒng)的硬件設計與調試以后，接下來的就是嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植以及NAS應用程序的開發(fā)。NAS系統(tǒng)的軟件主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設備驅動程序、文件共享協議及應用程序。NAS系統(tǒng)軟件的體系結構如圖4所示。

作為一個NAS系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中必須有一個核心操作系統(tǒng)，作為對硬件的管理，軟件的協調執(zhí)行，并對外部調用提供 API。在核心操作系統(tǒng)之上是外部硬件設備驅動程序，使硬件能正常工作，為系統(tǒng)的正常運行提供基本條件。因為 NAS主要是實現網絡存儲，所以要更多地考慮對網絡和存儲兩方面功能的支持，在設備驅動之上是對一些基本網絡協議的支持和對專用網絡存儲服務器進行網絡數據訪問的文件共享協議（SMB）的支持，使Windows、Linux用戶都能對NAS設備進行訪問。最上層是應用程序模塊，提供UI（User Interface），實現對NAS的配置和管理。

3.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

3.1.1 嵌入式系統(tǒng)的Bootloader

上面的軟件體系結構圖沒有單獨列出初始化代碼Bootloader，但它是嵌入式系統(tǒng)重要的一部分。對任何計算機系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的啟動都有一個初始化的過程，嵌入式系統(tǒng)也不例外。本嵌入式系統(tǒng)采用Redboot作為系統(tǒng)的Bootloader。Redboot是一個采用eCos開發(fā)的程序，是目前比較流行的一個功能強大、可移植性強的Bootloader。

移植到本系統(tǒng)的Redboot除了具有一般Bootloader的硬件初始化和引導內核功能外，還具有以下功能：引導腳本以方便啟動Linux操作系統(tǒng)，命令行接口，串行和網絡通信協議，內嵌GDB stub以支持GDB調試，支持Flash映像文件系統(tǒng)，通過BOOTP協議支持網絡引導，也可配置靜態(tài)IP。Redboot是建立在eCos系統(tǒng)上的一個獨立的最小系統(tǒng)，可通過eCos系統(tǒng)提供的配置工具（比如圖形化的Configtool）對Redboot進行源代碼級別的裁剪配置。

3.1.2 嵌入式Linux的移植

由于嵌入式設備沒有足夠的內存和存儲資源來完成編譯過程，通常的方法是在主機上完成針對目標機的代碼編譯。這樣的工具就是交叉編譯工具，交叉編譯工具集有專門的網站可以下載，并下載針對不同ARM處理器的Linux內核移植補丁。本系統(tǒng)采用Linux2.4.21的內核，采用的交叉編譯工具集合為cross2.95.3。

嵌入式Linux是在標準的Linux基礎上，經過適當的簡化、裁剪，加入一些特定的功能，形成一個精巧、高效、滿足特定應用需求的專用（定制）操作系統(tǒng)。它具有用戶可裁剪、可配置的特點。NAS系統(tǒng)最重要的是存儲，通過對Linux的裁剪，去掉許多通用的功能，使其成為一個專用于存儲、精簡、高 效的操作系統(tǒng)。

Cirrus Logic公司已為內核寫好了針對EP9315微處理器的補丁，加上這個補丁的內核就是一個能運行在基于EP9315微處理器系統(tǒng)上的版本，接下來就可以在此基礎上進行內核的配置與編譯。通過不斷的配置、編譯，產生合適的嵌入式Linux內核，使之在功能和大小之間取得優(yōu)化的結果，以滿足本系統(tǒng)的需要。

3.2 Linux設備驅動程序開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)的差異性決定了系統(tǒng)開發(fā)者不但需要進行特定硬件的設計，同時需要編寫相關的設備驅動程序，它是內核用于完成對物理設備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內存以及其他很少的幾個部分之外，所有的設備控制操作都必須由被控設備相關的代碼，也就是驅動程序來完成。

在Linux中，將各種設備大致分為3種基本類型：字符設備、塊設備及網絡設備。其中，字符設備是指采用字符流方式訪問的設備，如字符終端、串口。對應的字符設備驅動的接口是標準的文件系統(tǒng)調用接口。

塊設備是采用數據塊方式訪問的設備，如IDE硬盤等。由于塊設備通常都提供文件系統(tǒng)支持，因此常用的設備訪問方式是通過文件來進行的。字符設備和塊設備在Linux中都被看成是一種特殊的文件，稱為“設備文件”。由于每個設備都至少由文件系統(tǒng)中的一個文件來代表，這樣的設備文件在系統(tǒng)中就唯一確定了對應的設備。網絡設備是采用數據包傳輸方式訪問的設備。與前兩者不同，Linux采用的方法是給它們分配一個唯一的名字（比如eth0）；同時，內核和網絡設備驅動間的通信采用了一套與數據包傳輸相關的函數，如最常見的套接字（socket）接口。網絡設備通過ifconfig系統(tǒng)調用來創(chuàng)建和配置。

其他的還有一些驅動程序不屬于以上3類，比如USB等總線驅動。它們一般是作為內核提供的公共服務，和其他驅動聯合起來使用。

3.3 文件共享協議

由于NAS服務器采用Linux操作系統(tǒng)，客戶機PC一般都是Windows系統(tǒng)，而Windows和Linux平臺之間的文件格式是完全不同的，因此Linux不能對Windows用戶直接提供基本服務。本系統(tǒng)通過應用SMB協議實現這種功能［6］。Samba是一套使用SMB（Server Message Block）協議的應用程序，通過支持這個協議，Samba允許Linux服務器與Windows PC機之間進行通信。本系統(tǒng)采用的Samba的版本為samba3.0.20b。

在開發(fā)過程中，需要在Linux服務器上進行所有的軟件開發(fā)。本系統(tǒng)通過建立網絡文件系統(tǒng)（Network File System，NFS），把Linux服務器上的特定分區(qū)共享到目標系統(tǒng)上，實現在目標系統(tǒng)上操作Linux服務器和在線對程序進行調試和修改。

3.4 NAS系統(tǒng)應用程序設計

NAS設備本身一般沒有顯示器、鍵盤、鼠標等這些與交互的外設，那么通過什么途徑使系統(tǒng)管理員完成對這樣一個“黑箱”的配置和管理呢？NAS系統(tǒng)應用程序的設計主要就是要實現對“黑箱”的配置和管理。基于 Web（Webbased）的管理是目前在 NAS系統(tǒng)管理中用得最多、最方便的方式之一。本系統(tǒng)實現的功能如下：

① 硬盤管理。系統(tǒng)可掛載IDE、USB硬盤，支持VFAT/EXT2/EXT3文件系統(tǒng)，每個分區(qū)能有獨立的文件系統(tǒng)。

② 用戶和組管理。支持用戶和組的增加、修改、刪除。一個用戶可以是幾個不同組的成員。

③ 網絡配置。局域網中如果有DHCP服務器就無需設置IP地址，否則，通過超級終端，在串口控制命令行設置IP、DNS等。

④ 系統(tǒng)時間設置。系統(tǒng)時間可以手動設置，也可以通過NTP服務自動同步。

⑤ 網絡共享管理。包括共享名設置、屬性、共享路徑、有效用戶設置，是否可寫操作等。

本項目基于EP9315實現了一個基本的NAS系統(tǒng)，加以完善就可以作為中小型用戶的存儲系統(tǒng)方案。通過本項目，便于開發(fā)者對ARM9微處理器和嵌入式開發(fā)作更深入的實踐研究，推廣了ARM微處理器更廣泛的應用。

責任編輯：gt