基于LINUX的嵌入式网络存储器设计

       1、硬件设计
       硬件设计方框图如图1所示。   

       从图1可看到，除CPU单元以外，网络存储器的实现主要包括两个部分：I/O接口和存储器接口。下面以CPU为中心，说明这两个接口的主要功能。
       ①I/O接口。这里指CPU与Ethernet的接口（以太网接口）。它采用PCI的方式与以太网相连，是进入LAN（Local Area Network）的通道，在整个系统中负责发送或接收网络上的数据包。
       ②存储器接口。包括两个方面：一是RAM接口，主要存储数据，采用PCI接口方式；二是Flash接口，主要存储操作系统及应用软件，采用并口形式与CPU相连。
       ③磁盘冗余阵列卡（RAID）接口。包括与CPU的接口和与磁盘阵列的接口。磁盘阵列主要用来存储网络用户资料，CPU通过磁盘阵列卡对磁盘阵列进行管理操作，允许一定的冗余来保证用户数据的安全。
       2、软件设计

       在整个软件设计中，应选择一个合适的操作系统。整个操作系统要求体积比较小、网络功能比较强、适于裁减、能被嵌入到Flash中，并且有网络管理和磁盘管理功能。针对这些要求，我们选择Linux操作系统作为软件平台，对其内核进行裁减，从而实现嵌入式网络存储器的功能。整个软件实现可分为以下几个部分。
        2.1 Linux内核的裁减
       （1）Linux内核简介   

       Linux内核主要由五部分构成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口以及进程间通信。进程调度负责控制进程对CPU的访问，调度程序使用一种策略确保所有的进程都能公平地访问CPU，并且确保内核在任意时刻能执行必要的硬件操作。内存管理负责管理系统的物理内存，实现多进程安全地共享计算机的内存；另外内存管理支持虚拟内存，使进程可以使用大于实际物理内存的内存地址空间，不用的内存址空间被导出到文件系统中，并在需要使用时再导回到物理内存中。虚拟文件系统通过将各种设备抽象为一种公共接口，屏蔽了各种硬件设备的细节。网络接口实现了对各种网络标准网络硬件的访问。进程间通信子系统实现了系统内进程间的多种通信机制。
       （2）Linux内核的配置   

       Linux系统的内核采用单块结构，可以动态地加载和卸载模块。系统利用内核模块的可动态装载和卸载功能，可灵活地在内核中添加新的组件或卸载不再需要的内核组件。因此在具体实现过程中，可以针对要实现的功能对其内核进行裁减，以缩小体积。根据网络存储器的硬件实现框图可以知道，整个系统的硬件接口只包括PCI和IDE两种接口。在对Linux内核进行配置时，可把Floppy、SMP、MTRR、SCSI及所有的Block Device和Character Device移除，只留下old IDE Device、PCI。另外，文件系统在内核中占了相当大的比例，VFS简化了档案系统的设计，Buffer cache、Directory cache增加了系统的效率；但这些对嵌入式系统用处不大，可以移除，内核会减小20KB左右，或者跳过整个VFS，直接将文件系统写成一个Driver的形式，这样文件系统可由230KB缩减至50KB左右。在配置Linux内核时，网络协议的支持是必不可少的。现在，大多数网络都是以TCP/IP协议为基础的，并且一般的工作站所选用的操作系统为Windows或Linux系统，因此，要实现其网络功能，并能够在不同平台下实现文件共享，应该选择对TCP/IP协议、NFS以及Samba协议的支持。
       2.2 不同平台下文件共享的实现   

       现代PC机中广为流行的操作系统有两种：Windows和Linux。这两种操作系统是依赖于完全不同的技术来提供网络服务的：Linux操作系统是以传输控制协议/网络协议（TCP/IP）、网络文件系统（NFS）以及网络信息服务（NIS）为基础，提供网络服务的；而Microsoft则依赖于NetBIOS和服务信息块（SMB）来提供把数据从服务器传输至客户机的服务。因此，我们选用Samba工具来实现这两种不同平台下的文件共享。
       (1）Samba简介   
       Samba从根本上消除了Windows与Linux之间的屏障，可以提供以下4个方面的服务：共享资源和打印机、名字解析、浏览、用户身份。通过让NetBIOS(Windows网络邻居的通信协议)和SMB（Server Messege Block）两个协议运行于TCP/IP通信协议之上实现文件共享，并且使用NetBEUI协议，可以让Windows通过网络邻居看到Linux服务器。

参考文献:

[1]. PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[2]. SMB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SMB_2443303.html.