【正文】 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 6 頁 2 需求分析 任務(wù)概述 論文的主要工作，是 選擇適當(dāng)?shù)?嵌入式開發(fā) 平臺 和文件 系統(tǒng) ， 建立交叉的編譯環(huán)境 ， 構(gòu)建 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)體系，實 現(xiàn) 客戶端和 服務(wù)器端的 socket 通信。通過網(wǎng)絡(luò) ，可以進行遠 程的家庭監(jiān)控，我們經(jīng)常使用的家用電器 。 （ 1） 嵌入式 網(wǎng)絡(luò) 為 終端 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化 提供了保障 如果將我們所有的 終端設(shè)備 進 行網(wǎng)絡(luò)連接，可以 方便有效地 進行信息溝通 和 數(shù)據(jù)共 享， 同時 也 為管理者提 供了 一種有效 的管理方式。它以應(yīng) 用為中心 、以計算機 技術(shù)為基礎(chǔ) ，而且軟硬 件可以裁剪，因而能滿足應(yīng) 用系統(tǒng)對功 能、可靠性、成 本、體積和功 耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 選題必要性 當(dāng)前 ，計 算機 技術(shù) 和 微 電子 技 術(shù) 發(fā) 展迅 猛， 特別 是納 米 技術(shù)取得了重大進展，嵌入 式芯片的設(shè) 計和開發(fā)也 越來越迅速。 （ 4） 精簡系統(tǒng)內(nèi) 核、算法， 降低功耗和 軟硬件成本。當(dāng)然，這也是市場競爭的結(jié)果 。在可靠性 方面，要 求嵌入式系統(tǒng)的代碼執(zhí)行效率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，也別是在工業(yè)控制領(lǐng)域。每 一個嵌入式 產(chǎn)品是不同的 ，使用不 同的硬件和軟件，搭建自 己的嵌入式 操作系統(tǒng) ， 但是核心技 術(shù)都是一樣 的。 論文選擇了 ARM 體系結(jié)構(gòu)的嵌入式 LPC2200 處理器 ,根據(jù)系統(tǒng)的需求， 在綜合各種設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，選擇移植帶有 TCP/IP 協(xié)議的ucLinux 嵌入式操作系統(tǒng) 。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 西南科技大學(xué) 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 西 南 科 技 大 學(xué) 工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 題 目 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的 Socket 通信設(shè)計 Classified index: : Southwest university of the master degree of engineering thesis The Design of Socket Communication based on ARM embedded system Candidate: Xu Peng Department： School of Computer Science and Technology Speciality： Computer Application Technology Supervisor 1: Song Hui Supervisor 2: Zhang Ge Xiang Date: Nov. 4, 20xx 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 聲 明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文《 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的 Socket 通信設(shè)計 》，是本人在 西南科技 大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果。 SOCKET 是一個通信鏈的句柄 ， 通過套接字 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求 ，用于 TCP/IP 協(xié)議的應(yīng)用程序之間 的 相互通信 。嵌入式系統(tǒng)是可裁剪的，根據(jù)應(yīng)用的具體場合和需求，選擇相應(yīng)的模塊，把系統(tǒng)中不需要的部分去掉，這樣做的主要目的是節(jié)約資源，降低 功耗。 （ 3）較 小的 體積 和可 靠性： 嵌入 式產(chǎn) 品一 般都 要求 體積較 小，較小的體積，主 要是可以滿 足便攜功能 。比如三星在推廣 Arm7， Arm9 芯片的同時還提供開發(fā)板和 版及支持 包 (BSP)，而 WindowCE 在主推系統(tǒng)時 也提供Embedded VC++作為開發(fā)工具，還有 Vxworks 的 Tonado 開發(fā)環(huán)境，DeltaOS 的 Limda 編譯環(huán)境等等都是這一趨勢的典型體現(xiàn)。 軟件 方面 系 統(tǒng)系 統(tǒng)內(nèi) 核支 持 網(wǎng)絡(luò) 模塊 ，甚 至 可以 在設(shè) 備上 嵌入Web 瀏覽器，真 正實現(xiàn)隨時隨 地用各種設(shè) 備上網(wǎng) [3]。目前一些先進的 PDA 在顯示屏幕上已實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，但一般的嵌入式 設(shè)備距離這 個要求還有 很長的路要走 。 嵌入式系統(tǒng)是指將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。 因 此，基于嵌入式系統(tǒng)，設(shè) 計開發(fā)網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用產(chǎn)品具 有重要的意思 。 （ 3） 嵌入式 網(wǎng)絡(luò) 為 家庭 生活的智能 化提供了技術(shù) 支持 現(xiàn) 在的家庭都已經(jīng) 離不開網(wǎng)絡(luò) 。 因此，設(shè)計 中 要解決 以下 問題： （ 1） 如果要 移植操作系統(tǒng) ，選擇什么 操作系統(tǒng)， 才最適合 ； （ 2） 如何使 開發(fā)板驅(qū)動網(wǎng) 絡(luò)芯片工作 ； （ 3） 如何建 立交叉的編譯 環(huán)境 ； （ 4） 如何使 ARM 芯片上具 有 TCP/IP 協(xié)議的 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 ； （ 5） 如何用 Socket 來建立網(wǎng)絡(luò) 的通信 。 系統(tǒng)分為宿主部分和開發(fā)板部分，每個部分獨立成塊，用網(wǎng)絡(luò)相互連接，宿 主機上運行的 Linux 操作系統(tǒng)，開發(fā)板 上運行的是 uClinux嵌入式操作系統(tǒng) [7]。 系統(tǒng)設(shè)計方案分析 采用 TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)確定了， 如何在 開發(fā)板上移 植入 TCP/IP 協(xié)議成了一個最主要的解決問題，開發(fā)板上 雖然有 網(wǎng)絡(luò) 通信芯 片和足夠的存儲空間，但 沒有 任何的網(wǎng)絡(luò) 通信協(xié)議， 有以 下幾種方案 可以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求，具體的 設(shè)計方案是 ： （ 1）方案 1 無操作系統(tǒng)，自己 構(gòu)建 TCP/IP 協(xié)議族，編寫上層 socket 通信模塊完成程序的通信。 處于成 本和體積等各方面的 考慮， 要求 操作系統(tǒng) 盡可能節(jié)約 資源 。 通過對 uClinux 和 Linux 的詳細比較，因為 uClinux 和 Linux具有同樣的內(nèi)核 ，所以在處 理器的支持 ，軟件資源 豐富程度 ，操作系統(tǒng)的功能，操作系統(tǒng) 執(zhí)行性能和 可靠性上基 本上一致， Linux 相對于uClinux 在嵌入 式應(yīng)用相對不 足，主要體 現(xiàn)在以下幾 點 [16]： （ 1） 空間占 用大 Linux 操作系統(tǒng) 功能完善 ，但是占 用空間大 。 （ 3） 內(nèi)存管 理 Linux 系統(tǒng)帶有 MMU 內(nèi)存管理單元 ，具 有相應(yīng)的 內(nèi) 存管理機制 。 嵌入式系統(tǒng)主要是面向應(yīng)用的，是一個片上系統(tǒng)，因此它的體積 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 12 頁 是很小的，包括它的 RAM 和 ROM 都是有限的，這 就決定了嵌 入式系統(tǒng)的調(diào)試不能直接在嵌入 式系統(tǒng) 上調(diào)試，而要采取 一種交叉編 譯環(huán)境的方式，也就是“目標(biāo)機和 宿主機”交叉編 譯的方式， 如圖 所示 [19]。 ARM 開發(fā) 環(huán)境 的建立 1991 年 ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。 ARM 和 Thumb 程序可以相 互調(diào)用，相 互之間狀態(tài)切 換開銷幾乎為零。 從網(wǎng)站 ： // 上 下載最新的 armelfgcc 工具，即腳本文件 ，在宿主機上 安裝該工具鏈，在該文件所在 目錄下，鍵 入 一下指令 ： lsl 等待 指令的執(zhí)行 ，完成后 在路徑： //usr/local/bin/下有： gcc, armelfgcc,binudls, genromfs,flthdr 和 elflflt 等各種應(yīng)用 工具 。 Soc ke t類 為網(wǎng)絡(luò)通訊提供 了一種方式 。在acc ept()處理了 連接請 求后，將 會生成 一個新 的描述這 個連接 端口的套接字，利用 這個套接 字就可以 發(fā)送和接收 數(shù)據(jù)了。 根文件系統(tǒng)的建立 內(nèi)核移植完成后， 需 要建立嵌入 式的根文件 系統(tǒng)，根文件是 嵌入式系統(tǒng)重要組成部分。當(dāng)然，為了支持它， 在內(nèi)核的配置中 需要內(nèi) 核支持 romfs 文件系統(tǒng) ，并且 在內(nèi)核 配置完 畢后建立虛擬 ra m 盤，提供用 戶接口。 uCl i nux 可以通過裁剪，把不 需要的功能 模塊剪掉，留下 應(yīng)用需要的模塊，減少系統(tǒng) 運行的復(fù)雜 想，讓系統(tǒng)更 加健壯和安全 。 表 uClinux 的配 置方式 make config 命令行方式，適用于 控制臺和圖 形終端 make menuconf ig 文本菜中方式，適用于控制臺 和圖形終端 make xconfig X 窗口圖形界面方 式，僅適用 于圖形終端 文本菜單 這種 配置 方式， 可以 在 終端控制臺 上來 使用， 也可以通過 圖形終端 進行使 用。 進入 L i nux內(nèi)核配內(nèi)核資源的界 面，如圖 4 .2 所示。 執(zhí)行命令： ma ke distclean （ 3） 通過文 本菜單方式 配置 uCli nux 執(zhí)行命令： ma ke menuconf ig 執(zhí)行了 ma ke me nuc onfig 語句后，將會出現(xiàn)如圖 4 . 1 配置內(nèi)核界面。 由于本系統(tǒng)所 用 Sma rtAR M22 0 0 開發(fā)板 ，這個開 發(fā)板為 AR M7 的LPC 2 20 0 芯片 ，是 phi li ps 公司設(shè)計制造的 。在 uC li nux 中，采取 靜態(tài)連接 ，目的 是為了節(jié)約 內(nèi)存和片上 資源，滿足嵌入 式系統(tǒng)的設(shè)計需要。 RO Mfs 文件系統(tǒng)比較簡單，文 功能 緊湊 ，并 且是 只 讀的 。嵌入式開發(fā)板按照以下 兩種 方式進行加 載： （ 1）直接將編譯 好的內(nèi)核下 載到嵌入 式存貯器中 。 常用的 Soc ket 類型有兩種 [ 22]：流式 Soc ke t（ SOC K_ STR EAM）和數(shù)據(jù)報式 Soc ke t（ SOC K_D GR AM）。 （ 2） TCP 的服務(wù)器端程序設(shè)計 TCP 的服務(wù)器端可以輕松的完成對客戶端數(shù)據(jù)的發(fā)送，服務(wù)器端可 以快速 的做出客 戶端的連接 請求反映，并且在 服務(wù)器端可 以輕松的反映 來自客戶端的 連接情況，如 連接的 IP、連接時間、連接 的當(dāng)前狀態(tài)等。 LPC2210 基于 ARM7TDMI 內(nèi)核 ，系統(tǒng)時鐘 頻率達 60 MHz，總線對外開放，寬 度可配置為 8／ 16／ 32 位。 ARM7TDMI 具有 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 運 行操作系統(tǒng) 時，首先要 將定 制的操作系 統(tǒng)進行編譯，這是一個繁 瑣復(fù)雜的過 程，編譯 通過后， 進 行應(yīng)用程序 的設(shè)計開發(fā)。 系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進 行分頁，在 加載應(yīng)用程 序時程序分頁 加載 [18]。主 要是由于 內(nèi) 核支持 Romfs 文件系統(tǒng)比支 持 ext2 文件系統(tǒng)需要更少的代碼 ，還有就是 romfs 文件系統(tǒng)相對簡 單，在建立 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 11 頁 文件系統(tǒng)超級塊需要 更少的存儲 空間。 嵌 入式 系 統(tǒng)可 靠性 要求 要 比一 般桌 面系 統(tǒng)要高 ，設(shè)計中有可能 無法 確定 出現(xiàn)的 問題是 程序的 問題還是操 作系統(tǒng)的性能問題。 在 選擇什么樣的操 作系統(tǒng) 這個 問題上，主要 歸結(jié)于 嵌入 式系統(tǒng)的性能，主要有以下 幾點 [1315]： 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 10 頁 （ 1） 微 處理 器 是否 支持 微 處理器 是否 支持 是選用操作 系統(tǒng)的核心 因素。 圖 系 統(tǒng) 的 原 理 示 意 圖 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 9 頁 3 系統(tǒng)概要設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 無論采用什么 設(shè)計 開發(fā) 方式， 最終的目的 是 驅(qū)動開發(fā)板 完成網(wǎng)絡(luò)的通信 。 系統(tǒng)的性能需求 在系統(tǒng)的設(shè)計上，要 求系統(tǒng)具有 以下性能： （ 1） 實時性： 嵌入 式設(shè)備具有 足夠的反映 速度，能快 速的接收來自網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)，并 作出快速的 反應(yīng) ； （ 2） 穩(wěn)定性： 系統(tǒng)在 異常情況下 不發(fā)生死循 環(huán)， 設(shè)備系 統(tǒng) 不會 崩潰 和 癱瘓 ； （ 3） 可擴充性： 系統(tǒng) 可以根據(jù)需 要進行擴充 ，能夠新的 通信技術(shù)或新的通訊協(xié) 議方案（程 序），可以在 不 改動 系統(tǒng) 大部分硬 件的情況下，其實現(xiàn)新的功能 ； （ 4） 易維護性：在 設(shè)備 發(fā)生數(shù)據(jù)災(zāi) 難的時候使 系統(tǒng)及時的恢 復(fù)，達到以前 的狀態(tài) ； （ 5） 持久性： 嵌入式 系統(tǒng)工作的 特殊性，以 及各種特定 工作環(huán)境的具體要求， 系統(tǒng)必 須能夠穩(wěn)定 地長 時間工 作， 適應(yīng)各種不 同的工作環(huán)境 。 基于 嵌入式 系統(tǒng)的網(wǎng) 絡(luò)通訊，一 般具有 以下 功能 ： 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 5 頁 （ 1）嵌入式網(wǎng)絡(luò)以 Inter 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通 過協(xié)議的轉(zhuǎn)換 ，把相關(guān)的信息傳輸?shù)侥?的地，大大 節(jié)約了資源 ； （