基于web的嵌入式远程监控系统
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基于web的嵌入式远程监控系统
学生：刘 仁
指导老师：蔡 硕
摘要： 随针对当前国内国外嵌入式服务器技术研究和发展情况的分析，本报告提出了将 WEB 服务器、嵌入式系统以及当前的一些嵌入式实验板板载功能进行融合的设计思想。设计了结合 WEB 服务器技术的嵌入式监控系统。该系统具有浏览交互式网页，对嵌入式平台进行监视和控制等功能。通过本套嵌入式WEB 服务器系统，用户可以通过 HTTP 协议方便的访问相应的嵌入式平台进行有效监视的同时还可以进行实时的有效控制。该系统对硬件要求极低、响应速度快、安全性好、可扩展性强等优点，具有较高的实际应用价值。该系统在智能家居、嵌入式组网等方面的应用将有较广阔的发展前途。
关键词：ARM 嵌入式系统；嵌入式 web 监控；boa 服务器；CGI 编程；Linux 操作系统
关键词：自动化、奏乐器、VHDL、数字电路
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Abstract: According to the analysis of the researches about the status of the mbeddedserver of the world.We rise a design of a embedded internet control system basedon the Web service which integrates the web server,embedded technology and thefunctions on the embedded experiment Board.This system has the function of browsing the web pages，monitoring theembedded Board and so on.With this embedded WEB server,the users can watchthe embedded system conveniently according the HTTP protocol.At the sametime the users can also monitor the ystem.This system have a lot of longtageslike a low request of the hardware,limited time of response and a stable status.Wewill see that this kind of system used in the application of intelligent familyelectronics,embedded neting and so on would have a good development.Keywords: ARM Embedded System;Embedded Web Server System;Boa Server;CGI Programing;Linux Operating System
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1 引 言
嵌入式系统课程设计是本专业在学习完 C 语言、LINUX 操作系统、嵌入式系统原理与接口设计、嵌入式操作系统原理之后的专业课程设计，属于专业课内容。通过课程设计建立嵌入式系统主体环节，嵌入式系统的最小结构和系统应用设计基本技能，培养分析和解决一些简单的实际问题的能力，为今后毕业设计奠定基础。随着嵌入式技术的发展和高速宽带网络的普及, 利用网络实现远程监控已为人们广泛接受, 嵌入式网络监控技术正是在此条件下逐步发展成熟起来的。 用户使用 Web 浏览器, 通过以太网远程访问内置 Web 服务器的监控摄像机, 不但可以实现对现场的远程视频监控, 而且可以向监控现场发送指令。 在整个系统的实现过程中, 嵌入式 Web 服务器起着十分重要的作用。本课题就是基于该项技术，最终编程实现通过网络控制下位机嵌入式控制器的电机启动和停止。
1.1研究目的和意义
1、通过嵌入式课程设计，熟练掌握 C 语言的编程方法。基于 WEB 的远程监控的实现，CGI 的编写和使用，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力。
2、通过基于 WEB 的嵌入式远程监控系统的设计，掌握 S3C2410 实验箱,直流电机的工作原理，BOA 服务器的使用，CGI 的使用和简单程序的编写及调试方法，最终提高我们的动手实践能力。
3、本课题的研究目的是用 BOA 服务器、CGI、IE 浏览器设计一个通过 IE 浏览器监控电机的系统，能够通过两个简单的按键对电机进行启动和停止的控 3
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制，并能够在 IE 浏览器上看到电机的当前状态。
4、由于基于 WEB 的嵌入式远程监控系统将成为今后远程监控技术发展的主流方向，所以需要设计出简单实用，让人们更满意的产品。
1.2 本设计任务和主要内容
1．基本要求
本课题主要设计和研究基于WEB的嵌入式远程监控系统，要求在保证可靠运行的前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减小成本、提高系统的效率和安全性。
2．应解决的问题 1）设计系统网络方案
2）分析网络程序结构和应用程序的使用方法 3）编程实现嵌入式系统服务器功能 4）编程实现嵌入式系统联网功能
5）编程实现通过网络控制下位机嵌入式控制器的电机启动和停止
3．扩展功能
演奏时可以通过按键选择是手动演奏还是自动演奏，手动演奏是通过按键进行简易乐曲的演奏。
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2 总体方案设计
2.1 整体方案设计
系统总体设计是基于嵌入式系统和 WEB 服务器结合的思想开发的，其网络拓扑结构如图 2.1 所示
图 2.1 系统网络拓扑图
针对本次课程设计提出的系统设计如图 2.2 所示
图 2.2 系统方案框图
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2.2 硬件系统设计
2.3.1 核心处理器的选择
核心处理芯片需要完成处理和支持整个系统的功能需求，通过运行 BOA 服务器要实施的接收来自各个客户端的请求和信息，并根据获得的请求和信息进行相应的后台处理以及信息的反馈。为完成上述功能，实现服务器正常运行，对处理芯片进行选型，对比现有处理芯片的优缺点，选择 ARM9 S3C2410X 芯片作为设计开发嵌入式服务器系统的核心处理芯片。S3C2410X 微处理器是一款由 Samsung 公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T 核的微处理器，为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片还集成了以下部件：16KB 指令 Cache、16KB 数据 Cache、MMU、外部存储器控制器、LCD 控制器、NAND FLASH 控制器、4 个 DMA 通道、3 个 UART 通道、1 个 IIC 总线控制器、1 个 IIS总线控制器、4 个 PWM 定时器、1 个内部定时器、通用 IO 口、实时时钟、8 通道 10 位ADC 和触摸屏接口、USB 主、USB 从、SD/MMC 卡接口等。
2.3 软件环境选择
2.3.1 操作系统的选择
当选定了硬件系统后，为了配合硬件达到系统的最优控制要求，对市面上常用的嵌入式系统进行分析比较。
(1) 价格比较：Linux 是完全免费的操作系统，只需遵循 GPL 声明，不需支付任何费用；WinCE 是微软的商用嵌入式操作系统，使用它需要支付 WinCE 及其开发环境的费用，开发出来的每套产品也需交纳一定费用。uc/os—II 系统，可以免费用于学习或科研，但开发商使用产品或销售都是收费的。
(2) 开放性比较：Linux 是源代码完全开放的操作系统，可以自由下载，并且
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在遵循GPL 声明的前提下可以自由地修改、移植，为系统的开发和调试带来极大的便利；winCE是部分源码开放的商用操作系统，如果要修改其中的代码，需获得微软公司的授权；uc/os—II 也是开放的实时操作系统。
(3) 文件系统的比较：Linux 支持绝大部分文件系统，只需选择相应的文件系统即可；
WinCE 仅支持 Windows 系列的 FAT
16、有限文件系统；uc/os—II 本身没有包括文件系统，需购买或移植。Linux 与 ARM 处理器从以上可以看出，Linux 系统在诸多方面都存在优势，而且本身的 ARM 处理器与 Linux 也有着紧密的联系。因此采用 Linux 操作系统。 2.3.2 服务器的选择
典型的嵌入式 Web 服务器有 Boa 和 thttpd 两种，它们和 Apache 等高性能的 Web 服务器主要的区别在于它们一般是单进程服务器，只有在完成一个用户请求后才能响应另一个用户的请求，而无法并发响应，但这在嵌入式设备的应用场合里已经足够了。Boa 是一个非常小巧的 Web 服务器，可执行代码只有约 60KB。它是一个单任务 Web服务器，只能依次完成用户的请求，而不会 fork 出新的进程来处理并发连接请求。但 Boa支持 CGI，能够为 CGI 程序 fork 出一个进程来执行。Boa 的设计目标是速度和安全，在其站点公布的性能测验中，Boa 的性能要好于 Apache 服务器。经过上述的对比和判断，选择Boa 作为系统的嵌 入式服务器。
综合以上的讨论以及选择，根据系统的实际需求，最终确定了采用 S3C2410X 为核心处理器，Linux 为嵌入式操作系统，boa 为服务器以及相应的 http 浏览器的系统设计方案。
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3 硬件设计
3.1 系统硬件平台介绍
我们所介绍的硬件平台是基于 ARM 体系结构，由北京博创兴业科技有限公司开发的UP-NetARM2410-S 实验仪器。 UP-NetARM2410-S 的 CPU 为 ARM920T 内核的三星S3c2410 芯片，由于有 MMU（内存管理单元）可以运行标准的 ARM-LINUX 内核。通过这个平台，我们可以实现嵌入式 LINUX 中的针对无 MMU 的开发过程。
3.2 s3c2410 芯片介绍
图 3.1 芯片结构图
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3.3 ARM 处理器的外围设备
3.3.1 电源电路
设备提供 12v 的电源，经 LM1085-3.3V 和 AS1117-1.8V 分别得到 3.3V 和 1.8V 的工作电压。开发板上的芯片多数使用了 3.3V 电压，而 1.8V 是供给 S3C2410 内核使用的。5V 电压供给 LCD、电机、总线等电路使用。
图 3.2 电源电路
3.3.2 硬件复位电路
硬件复位电路由IMP811T构成，实现对电源电压的监控和手动复位操作。2410-S主板复位电路设置专用逻辑：IMP811T 的复位电平可以使CPU JTAG（nTRST和板级系统（nRESET）全部复位；来自仿真器的ICE_nSRST 信号只能使板级复位；来自仿真器的ICE_nTRST 可以使JTAG（nTRST）复位，通过跳线选择是否使板级nRESET复位。nRESET反相后得到RESET 信号。硬件复位电路如图3.3所示
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图3.3 硬件复位
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4 软件设计
4.1 设计思想
基于 web 的嵌入式监控系统设计主要的功能有简单的网页浏览，实现简单应用功能（客户端与服务器的交互）以及服务器端的控制功能。因此软件的设计分为三个部分：boa 服务器的搭建、应用程序设计和驱动程序的加载。
4.2 BOA 服务器的简介与搭建
4.2.1 嵌入式 Web 服务器 Boa 的特点
Boa 是一款单任务的 HTTP 服务器, 与其他传统的 Web 服务器不同的是当有连接请求到来时, 它并不为每个连接单独创建进程, 也不通过复制自身进程来处理多链接, 而是通过建立 HTTP 请求列表来处理多路 HTTP 连接请求, 同时它只为 CGI 程序创建新的进程,这样就在最大程度上节省了系统资源, 这对嵌入式系统来说至关重要。同时它还具有自动生成目录、自动解压文件等功能, 因此 Boa 具有很高的 HTTP 请求处理速度和效率, 在嵌入式系统中具有很高的应用价值。 4.2.2 Boa 的功能实现
嵌入式 Web 服务器 Boa 和普通 Web 服务器一样, 能够完成接收客户端请求、分析请求、响应请求、向客 户端返回请求结果等任务。 它的工作过程主要包括：
( a) 完成 Web 服务器的初始化工作, 如创建环境变量、创建 TCP 套接字、绑定端口、开始侦听、进入循环结构, 以及等待接收客户浏览器的连接请求；
( b) 当有客户端连接请求时,Web 服务器负责接收客户端请求, 并保存相关请求信息；
( c) 在接收到客户端的连接请求之后,分析客户端请求, 解析出请求的方法、
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URL 目标、可选的查询信息及表单信息, 同时根据请求做出相应的处理；
( d)Web 服务器完成相应处理后, 向客户端浏览器发送响应信息, 关闭与客户机的TCP 连接。嵌入式 Web 服务器 Boa 根据请求方法的不同，做出不同的响应。如果请求方法为HEAD， 则直接向浏览器返回响应首部；如果请求方法为 GET， 则在返回响应首部的同时， 将客户端请求的 URL 目标文件从服务器上读出， 并且发送给客户端浏览器；如果请求方法为 POST， 则将客户发送过来的表单信息传送给相应的 CGI 程序， 作为 CGI 的参数来执行 CGI 程序， 并将执行结果发送给客户端浏览器。 Boa 的功能实现也是通过建立连接、绑定端口、进行侦听、请求处理等来实现的。 4.2.3 BOA 的搭建与移植
（1）准备源代码、解压软件包，安装源代码到 boa 网站 http://www.daodoc.com 下载 boa-0.94.13.tar.gz 源代码，或者使用光盘的boa-0.94.13.tar.gz 软件包。$ tar xzvf boa-0.94-13.tar.gz （2）进入 src 目录，编译源代码。
解压后 src 目录下有 Makefile.in 文件，但没有 Makefile 文件，为了编译源代码，需要先生成 Makefile 文件，在 src 目录下运行 configure 命令$ ./configure 生成的 Makefile 文件是针对 X86平台的，为了生成能够在 ARM 上运行的 boa，需要修改 Makefile 文件。将 Makefile 的 31~32 行内容：
CC = gcc CPP = gcc –E 应用（在交叉编译时使用）：
然后输入 make 命令进行编译，在 src 目录下就会生成 boa 文件。$ make然后将该文件添加到文件系统中，重新下载文件系统。如果不幸出现―icky Linux
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kernelbug!‖的错误，请将 src 下 boa.c 的第 226 行注释掉，重新编译下载即可。 （3）安装 boa 服务器
主要是配置 boa 服务器。boa 启动时需要一个配置文件 boa.conf，该文件的缺省目录由src/defines.h 文件的 SERVER_ROOT 定义，或者在启动 boa 的时候通过参数―-c‖指定。其中指定的默认目录是：/etc/boa/ （4）登录 boa 服务器
在 PC 机浏览器地址栏输入目标系统的 IP 地址（http://172.31.55.91），访问存在于目标系统中的网页。
4.3 应用程序设计
4.3.1 程序设计依赖关系
通过对系统的分析以及对服务器的了解，系统确定了以下的软件开发系统方案，如图4.1 所示
图 4.1 软件依赖关系
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4.3.2 应用程序流程图 乘法功能
图 4.2 乘法功能实现流程图
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程序段电机程序的流程图
图 4.3 电机部分流程图
4.4 驱动程序设计
驱动部分主要有两部分组成：电机驱动和网卡驱动，其中以电机驱动为主。由于在本套系统设计中，不可能每次开机都要由操作人员将驱动加入内核，这样既不方便又费时费力，所以系统采用将驱动编译进内核的模式。 4.4.1 电机驱动 电机驱动程序流程
1、开启设备时，配置 IO 口为定时器工作方式
2、配置定时器的各控制寄存器
3、在 s3c2410_dcm_ioctl 中提供调速功能接口
4、应用程序 dcm_main.c 中调用
5、实现直流电机速度的调整
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4.4.2 驱动加载过程
以电机驱动为例：编译直流电机cd /arm2410s/kernel-2410smake menuconfig进入 Main Menu / Character devices 菜单，选择 DC MOTOR 模块加载： 编译内核模块：
make dep make make modules 直流电机模块的编译结果为：/arm2410s/kernel-2410s/drivers/char/s3c2410-dc-motor.o
2、加载模块
在超级终端中，通过加载 NFS 运行编译结果： mount –t nfs 192.168.0.121:/arm2410s /host Insmod /host/kernel-2410s/drivers/char/s3c2410-dc-motor.o
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5 系统整体调试与分析
系统的调试分了 x86 和 arm 架构下的调试，其中以进阶方式进行开发测试，根据实现难度分为三步：第一步先实现简单的网页浏览，然后通过乘法操作的简单设计来实现人机交互最后通过电机控制的设计完成整个服务器监控系统的设计。
5.1 linux平台下的调试
5.1.1 简单网页浏览的调试与分析
结果：网页正常显示
分析：遇到的问题主要集中在 BOA 服务器的搭建上，经过仔细学习参考资料成功解决了问题。
5.1.2 基于 web 的乘法操作的调试与分析
结果：网页可以正常显示但在调试的开始阶段遇到了程序不能正常运行的问题，但经过同一起努力在两天后解决了问题。
分析：存在的问题主要是服务器调用结构不理解导致的 cgi 程序无法正常调用，结果显示为乱码等问题，在正确理解了服务器、cgi-c 编程的原理后，使网页能够正确运作。
5.1.3 电机控制的调试与分析
由于牵涉到硬件设备的调试所以在 X86 环境下只进行了程序的编写和编译，而没有实际的进行调试。
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5.2 嵌入式平台下的调试
5.2.1 客户端与服务器交互的调试与分析
由于/etc 目录只允许读不允许写，但我们搭建的 BOA 服务器的运行要求在/etc 目录下有 mime.types(用来指明不同文件的扩展名对应的 MIME 类型)并且还要在/etc/boa/下有相应的配置文件 BOA.conf，则需要我们重新生成根文件系统等，将我们需要的文件填到相应的位置，然后再重新生成镜像文件并烧写文件系统。
将编写好的 html 程序(名称改为 index.html,因为这是输入地址后默认的访问文件) 放到目录 var/www 下。需要的 c 语言程序用 arm-linux-gcc 编译生成相应的 cgi 程序，到目录/var/www/cgi-bin 下。启动 boa 服务器，在根目录下输入 ifconfig 命令可以查找到服务器的 ip 地址，在客户端的地址栏输入该地址，就可以访问到相应的网页，通过该网页用户可以监控电机。 5.2.2 电机控制的调试与分析
Linux 下的直流电机程序包括模块驱动程序和应用程序两部分。Module 驱动程序实现了以下方法：
static struct file_operations s3c2410_dcm_fops = { owner:THIS_MODULE, open: s3c2410_dcm_open, ioctl: s3c2410_dcm_ioctl, release: s3c2410_dcm_release, };
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开启设备时，配置 IO 口为定时器工作方式： ({ GPBCON &=~ 0xf; GPBCON |= 0xa; } 配置定时器的各控制寄存器：
({ TCFG0 &= ~(0x00ff0000); TCFG0 |= (DCM_TCFG0); TCFG1 &= ~(0xf); TCNTB0 = DCM_TCNTB0; /* le than 10ms */ TCMPB0 = DCM_TCNTB0/2; TCON &=~(0xf); TCON |= (0x2); TCON &=~(0xf); TCON |= (0x19); }) 在 s3c2410_dcm_ioctl 中提供调速功能接口： case DCM_IOCTRL_SETPWM: return dcm_setpwm((int)arg); 应用程序 dcm_main.c 中调用：
ioctl(dcm_fd, DCM_IOCTRL_SETPWM, (setpwm * factor)); 实现直流电机速度的调整。 a.编译直流电机模块 cd /arm2410s/kernel-2410s
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make menuconfig 进入 Main Menu / Character devices 菜单，选择 DC MOTOR 为模块加载： b.编译内核模块： make dep make make modules 直流电机模块的编译结果为：
/arm2410s/kernel-2410s/drivers/char/s3c2410-dc-motor.o c.编译应用程序
cd /arm2410s/exp/basic/10_dcmotor/ make 生成 dcm_main d.挂载驱动模块
insmod /host/kernel-2410s/drivers/char/s3c2410-dc-motor.o e.运行程序
mount –t nfs 192.168.0.xxx:/arm2410s /host insmod /host/kernel-2410s/drivers/char/s3c2410-dc-motor.o cd /host/exp/basic/10_dcmotor/ ./dcm_main 程序运行结果：直流电机转动 1 秒，停转 1 秒。由于是根据原有变速程序稍做改动完成的程序，所以遇到的问题不是很多，经过几次尝试就得到了期望的结果。
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5.3 调试结果分析
5.3.1 调试结果
1、静态网页
图 5.1 静态网页
2、乘法网页
图 5.2 乘法网页
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3、电机控制网页
图 5.3 电机控制网页
图 5.4 返回结果
5.3.2 结果分析
经过 x86 下的调试和基于 ARM 的下载与调试后，系统能够实现静态网页浏览，简单人机交互以及电机控制的功能，系统工作稳定，响应速度快，组网方便快捷，如果与 DNS 服务器或者 WINS 服务器相结合即可实现用主机名就能登录相应平台的功能。
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6 设计总结
经过三个周的学习与努力，经过系统分析、方案论证、硬件和软件设计、调试 等阶段完成了基于 web 的嵌入式远程监控系统的设计制作。在这三个周的课程设计中，我得到了老师和同学很大的帮助，有时候觉得进行不下去了，老师或同学一句话就能让我茅塞顿开。即使听不懂，他们也会耐心的讲解。
在系统的设计制作过程中，确实遇到了各种各样的问题，如调试思路正确但是没有能够进行找到合适的方法进行进一步的实验，设计中对于程序的编写以及目录结构的认知上存在偏差，其主要原因还是基础功不扎实，把握系统的能力不足，这为我们以后的学习和工作提了一个醒。在问题的解决过程中，也提高了组员的动手动脑能力，学到了许多在书本上学不到的知识。在具体的设计当中解决了诸如 boa 服务器的搭建，C 程序的修改及 CGI编程的理解，程序的调试和系统的整体认识等问题，小组成员收获很大。
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致谢
在这次课程设计中，学校和学院给予了大力的支持，提供了与设计有关的环境，方便了课程设计的顺利进行。在这其中我确实学到了很多知识，在此仅代表个人衷心的感谢学校和学院的大力支持。本论文是在指导老师蔡烁的悉心指导和严格要求下完成的。在整个课程设计过程中，蔡烁老师时时督促和引导，并在设计过程中进行了方向指导，在总体方向不出错的基础上，施展自己的所学，发挥个人的所长。他不仅在学习上和生活上给予了我们多方面的指导和无微不至的关怀，而且他渊博的学识、严谨的治学态度、孜孜不倦的工作作风和宽以待人的处事风格使我终身受益，并且还从中学会了分析问题和解决问题的方法此外，在本次设计过程中，还得到了其他老师和的热情关心和帮助，值此论文完成之际，谨向老师表示崇高的敬意和最诚挚的谢意。
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参考文献
[1]郑灵翔编著 《嵌入式 LINUX 系统设计》 北京航空航天大学 2008 年 [2]孙纪坤、张小全编著 《嵌入式 LINUX 系统开发技术详解-基于 ARM》人民邮电出版社 2007.9、
[3]王进德 编著 《嵌入式 LINUX 程序设计与应用案例》 中国电力出版社 2007.5 [4]郑慕德 编著 《嵌入式微型计算机系统实例教程-ARM 与 LINUX》 科学出版社2006.7 [5]刘淼 编著 《嵌入式系统接口设计与 LINUX 驱动程序开发》 北京航空航天大学出版社，2006.5 [6]魏洪兴等编著 《嵌入式系统设计与实例开发 II-基于 ARM9 微处理器与 LINUX 操作系统》 清华大学出版社 2005.12 [7]魏洪兴等编著 《嵌入式系统设计与实例开发实验教材 II-基于 ARM9 微处理器与LINUX 操作系统》清华大学出版社 2005.12 [8]金敏等编著 《嵌入式组成、原理与设计编程》 人民邮电出版社 2007.6
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附录 1 主要程序清单
乘法网页的HTML表单： 测试 测试 请在下面填入乘数和被乘数，按下确定后可以看到结果
