基于Linux的嵌入式网络打印服务器
2010-12-17 16:55:17
来源：《半导体器件应用》2010年7月刊
0 引言
目前常用的打印机有两种接口形式：USB口和Ethernet网口。由于价格相对较低，USB口的打印机更为普遍。USB口打印机不能独立工作，必须依附于一台主机。为了在一个局域网环境中共享使用一台USB口打印机，需要为该打印机配备一台服务器，然后通过共享设置实现打印机的网络共享。这种方式有几个方面的缺陷：需要占用一台服务器资源；耗电；容易中毒导致无法正常打印；由于长时间不间断运行，出现故障的概率高，导致无法打印；占用办公空间。
随着嵌入式处理器主频的不断提高，设计专门的嵌入式网络打印服务器已经成为共识。HP等很少的几家打印机公司在几年以前就推出了这样的嵌人式设备，但基本上都只针对本公司特定的几种打印机，无法做到通用。很多文献，如参考文献[1]、[2]中提到的设计方案不够具体。基于这些情况，设计并实现了一款基于Linux的嵌入式网络打印服务器，硬件设计简单，软件完全开源，只要有Linux下的打印驱动，就可以支持。
1 总体方案设计
要把USB口打印机连入网络，有两种设计方案，一种是使用USB/以太网协议转换器，另一种是设计一个带有USB口和以太网网口（包含操作系统）的嵌人式设备。尽管协议转换器软硬件简单，但不支持多用户同时并发打印，也就无法实现共享打印的要求。
1.1 硬件设计
笔者是在中科院计算所自主研制的基于龙芯1号核的“聚芯SoC”1000C上做的实验，主频266MHz。作为产品，只需要提供电源接口、USB口和以太网口。调试阶段，增加串口和JTAG调试接口。考虑到多用户并发打印的负载和实际测试效果，因为移植的开源软件有很多依赖库，所占空间较大，故选用的是1 GB容量的Flash。打印过程中，打印文件在内存中缓存，为了应对较大的打印文件和提高运行速度，建议选择256MB以上的SDRAM。
嵌入式网络打印服务器硬件结构框图如图1所示。
1.2 软件设计
软件设计是整个系统设计的重点，也是难点。在设计思想上，强调尽可能使用开源软件，主要是为了缩短研发周期并能保证打印系统的可靠性和稳定性。操作系统选择目前主流的Linux操作系统。Linux操作系统下的打印控制系统根据打印机的命令方式，分为文本打印机、Post-Script打印机和其他种类。文本打印机不需要驱动程序，就可以直接用cat命令驱动打印机，但只能打印英文，已很少使用。PostScript（简称PS）是一种绘图能力很强的解释性脚本语言，由Adobe公司制定。它因占用系统资源少，处理过程标准化与设备无关而被广泛应用。直接支持PostScript的打印机通常都是比较高级的办公打印机，对于这类打印机来说，PS语言是它们和计算机之间沟通的最简便的方式，应用程序可以将生成的PS文档直接发给打印机打印。但大多数情况下使用的是各种比较低档的，不能直接支持PostScript的打印机，这类打印机只能识别各厂家自己的指令集。
因此，必须采取一种机制，把PostScript格式转换成打印机能够识别的命令格式，而GhostScript程序就是用来完成这个工作的。Ghostscript将PostScript转换成各种打印机能够识别的格式。
打印机驱动程序是应用软件与打印机之间交流的桥梁，它可以将转化好的打印文件，按照各种打印机不同的格式发送给打印机，因此不同的打印机都有自己特有的打印驱动程序。另外，随驱动程序一起发布的还有PPD文档，PPD(PostScript Printer Description)是用来描述打印机功能的文件，里面包含了字体、打印页面等一些描述。在使用一款打印机之前，必须找到其相应的PPD文件，并正确地安装到打印管理器程序上。笔者所用打印机为HP 1020plus激光打印机，CUPS不附带此驱动，只能另行安装。
为了让不同的作业在打印的时候不产生冲突，就需要一个打印管理程序。这类管理程序很多，使用最为广泛的莫过于CUPS。CUPS接收要打印的文件；通过文件的类型判断是否需要将其转换为PostScript，如果需要，则调用相应的应用程序进行转换；通过PPD文件来判断Ghost-Script应使用何种驱动处理此PostScript文件；把Ghost-Script处理的结果输出到打印设备上。
在打印管理程序和Ghostscript之间，通常还安装一种统一的打印过滤器程序foomatic-rip。它是用perl编写的脚本程序，打印管理程序通过它调用Ghostscript程序，从而把PostScript作业转换成PPD文件描述的打印机自身能够识别的格式。
2 几个关键问题
2.1 软件的交叉编译
由前面的分析可知，打印服务器需要的开源软件支持，为了运行于嵌入式Linux环境，需要对它们一一进行交叉编译。通常的编译方法是在宿主机上进行，笔者在反复实验后不得不放弃，原因在于这些开源软件还依赖于很多的其他软件包。建议编译安装直接在开发板上进行，虽然速度较慢，但可以及时发现缺少的包。此编译过程大约需要一周的时间。
① CUPS的编译与安装：
patch-Npl-i../cups-1.2.12-security_fixes-2.patch &&
./configure &&
make &&
make install
② foomatic的编译与安装：
./configure--prefix=/usr--sysconfdir=/etc &&
make &&
make install
③ Ghostscript的编译与安装：
patch-Npl-i../espgs-8.15.4-bov_fix-1.patch
sed-i"s/bbox.dev$/x11.dev/" Makefile.in
./configure--prefix=/usr--enable-thread--without-omni
make
make so
make install
make soinstall
④ 安装HP Laserjet 1020 plus驱动：
下载源码：http://www.linuxprinting.org/ijs/download/ijs-0.35.tar.bz2
./configure--prefix=/usr--enable-shared &&
make &&
make install
2.2 CGI程序的编写
嵌入式网络设备通常都提供web管理方式，用以修改配置等。以修改IP地址为例，需要修改源码目录下的cgi-bin子目录下的admin.C文件，参照do_am_printer()函数新增函数do_modify_ip，此函数的功能为读取IP地址所在的配置文件，将IP地址、子网掩码、默认网关等显示在页面文本框中，允许修改，提交修改时该函数将新的参数覆盖原配置文件中旧的参数。为实现这一功能，主要用到CUPS提供的文件操作函数cupsFileGets、cupsFileOpen、cupsFilePrintf，和有关CGI变量的读写函数cgiGetVariable、cgiSetVariable和界面的显示函数cgiStartHTM如IP地址L(title)、cgiCopyTemplateLang(“error_ip.tmpl”)、cgiEndHTML()。有关文件的读写操作，可参照CUPS目录下的testfile.c文件。
2.3 界面和提示语言汉化
CUPS支持多国语言版本，如果汉化，需要对界面标识、提示、按钮等全面进行汉化，工作量较大，需要修改doc/index.html，需要把templates语言版本挪到最外层，需要在locale/cups_zh.po修改或增加新的中英文对照信息。更详细的信息可参考CUPS运行后通过浏览器访问http：//localhost：631/help下的Translating and Customizing CUPS文档。
目前常用的打印机有两种接口形式：USB口和Ethernet网口。由于价格相对较低，USB口的打印机更为普遍。USB口打印机不能独立工作，必须依附于一台主机。为了在一个局域网环境中共享使用一台USB口打印机，需要为该打印机配备一台服务器，然后通过共享设置实现打印机的网络共享。这种方式有几个方面的缺陷：需要占用一台服务器资源；耗电；容易中毒导致无法正常打印；由于长时间不间断运行，出现故障的概率高，导致无法打印；占用办公空间。
随着嵌入式处理器主频的不断提高，设计专门的嵌入式网络打印服务器已经成为共识。HP等很少的几家打印机公司在几年以前就推出了这样的嵌人式设备，但基本上都只针对本公司特定的几种打印机，无法做到通用。很多文献，如参考文献[1]、[2]中提到的设计方案不够具体。基于这些情况，设计并实现了一款基于Linux的嵌入式网络打印服务器，硬件设计简单，软件完全开源，只要有Linux下的打印驱动，就可以支持。
1 总体方案设计
要把USB口打印机连入网络，有两种设计方案，一种是使用USB/以太网协议转换器，另一种是设计一个带有USB口和以太网网口（包含操作系统）的嵌人式设备。尽管协议转换器软硬件简单，但不支持多用户同时并发打印，也就无法实现共享打印的要求。
1.1 硬件设计
笔者是在中科院计算所自主研制的基于龙芯1号核的“聚芯SoC”1000C上做的实验，主频266MHz。作为产品，只需要提供电源接口、USB口和以太网口。调试阶段，增加串口和JTAG调试接口。考虑到多用户并发打印的负载和实际测试效果，因为移植的开源软件有很多依赖库，所占空间较大，故选用的是1 GB容量的Flash。打印过程中，打印文件在内存中缓存，为了应对较大的打印文件和提高运行速度，建议选择256MB以上的SDRAM。
嵌入式网络打印服务器硬件结构框图如图1所示。
1.2 软件设计
软件设计是整个系统设计的重点，也是难点。在设计思想上，强调尽可能使用开源软件，主要是为了缩短研发周期并能保证打印系统的可靠性和稳定性。操作系统选择目前主流的Linux操作系统。Linux操作系统下的打印控制系统根据打印机的命令方式，分为文本打印机、Post-Script打印机和其他种类。文本打印机不需要驱动程序，就可以直接用cat命令驱动打印机，但只能打印英文，已很少使用。PostScript（简称PS）是一种绘图能力很强的解释性脚本语言，由Adobe公司制定。它因占用系统资源少，处理过程标准化与设备无关而被广泛应用。直接支持PostScript的打印机通常都是比较高级的办公打印机，对于这类打印机来说，PS语言是它们和计算机之间沟通的最简便的方式，应用程序可以将生成的PS文档直接发给打印机打印。但大多数情况下使用的是各种比较低档的，不能直接支持PostScript的打印机，这类打印机只能识别各厂家自己的指令集。
因此，必须采取一种机制，把PostScript格式转换成打印机能够识别的命令格式，而GhostScript程序就是用来完成这个工作的。Ghostscript将PostScript转换成各种打印机能够识别的格式。
打印机驱动程序是应用软件与打印机之间交流的桥梁，它可以将转化好的打印文件，按照各种打印机不同的格式发送给打印机，因此不同的打印机都有自己特有的打印驱动程序。另外，随驱动程序一起发布的还有PPD文档，PPD(PostScript Printer Description)是用来描述打印机功能的文件，里面包含了字体、打印页面等一些描述。在使用一款打印机之前，必须找到其相应的PPD文件，并正确地安装到打印管理器程序上。笔者所用打印机为HP 1020plus激光打印机，CUPS不附带此驱动，只能另行安装。
为了让不同的作业在打印的时候不产生冲突，就需要一个打印管理程序。这类管理程序很多，使用最为广泛的莫过于CUPS。CUPS接收要打印的文件；通过文件的类型判断是否需要将其转换为PostScript，如果需要，则调用相应的应用程序进行转换；通过PPD文件来判断Ghost-Script应使用何种驱动处理此PostScript文件；把Ghost-Script处理的结果输出到打印设备上。
在打印管理程序和Ghostscript之间，通常还安装一种统一的打印过滤器程序foomatic-rip。它是用perl编写的脚本程序，打印管理程序通过它调用Ghostscript程序，从而把PostScript作业转换成PPD文件描述的打印机自身能够识别的格式。
2 几个关键问题
2.1 软件的交叉编译
由前面的分析可知，打印服务器需要的开源软件支持，为了运行于嵌入式Linux环境，需要对它们一一进行交叉编译。通常的编译方法是在宿主机上进行，笔者在反复实验后不得不放弃，原因在于这些开源软件还依赖于很多的其他软件包。建议编译安装直接在开发板上进行，虽然速度较慢，但可以及时发现缺少的包。此编译过程大约需要一周的时间。
① CUPS的编译与安装：
patch-Npl-i../cups-1.2.12-security_fixes-2.patch &&
./configure &&
make &&
make install
② foomatic的编译与安装：
./configure--prefix=/usr--sysconfdir=/etc &&
make &&
make install
③ Ghostscript的编译与安装：
patch-Npl-i../espgs-8.15.4-bov_fix-1.patch
sed-i"s/bbox.dev$/x11.dev/" Makefile.in
./configure--prefix=/usr--enable-thread--without-omni
make
make so
make install
make soinstall
④ 安装HP Laserjet 1020 plus驱动：
下载源码：http://www.linuxprinting.org/ijs/download/ijs-0.35.tar.bz2
./configure--prefix=/usr--enable-shared &&
make &&
make install
2.2 CGI程序的编写
嵌入式网络设备通常都提供web管理方式，用以修改配置等。以修改IP地址为例，需要修改源码目录下的cgi-bin子目录下的admin.C文件，参照do_am_printer()函数新增函数do_modify_ip，此函数的功能为读取IP地址所在的配置文件，将IP地址、子网掩码、默认网关等显示在页面文本框中，允许修改，提交修改时该函数将新的参数覆盖原配置文件中旧的参数。为实现这一功能，主要用到CUPS提供的文件操作函数cupsFileGets、cupsFileOpen、cupsFilePrintf，和有关CGI变量的读写函数cgiGetVariable、cgiSetVariable和界面的显示函数cgiStartHTM如IP地址L(title)、cgiCopyTemplateLang(“error_ip.tmpl”)、cgiEndHTML()。有关文件的读写操作，可参照CUPS目录下的testfile.c文件。
2.3 界面和提示语言汉化
CUPS支持多国语言版本，如果汉化，需要对界面标识、提示、按钮等全面进行汉化，工作量较大，需要修改doc/index.html，需要把templates语言版本挪到最外层，需要在locale/cups_zh.po修改或增加新的中英文对照信息。更详细的信息可参考CUPS运行后通过浏览器访问http：//localhost：631/help下的Translating and Customizing CUPS文档。
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