【正文】 者 只需要很少 的改動就可 以適用于新 的平臺。通常的 Linux 系統(tǒng)，都需要 占用 上百兆 的空間 。在 ARM7TDMI 嵌入式處理器 沒有 MMU 模塊 。 圖 uClinux 的 交 叉 編 譯 環(huán) 境 目標(biāo) 機(jī) 主要用于運(yùn) 行操作系統(tǒng) 和系統(tǒng)應(yīng)用 軟件，而操作 系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的 開發(fā)和調(diào)試 則需要通過 宿主 PC 機(jī)來完成。目前，采用 ARM 技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（ IP）核的微處 理器，即人們 通常所說的 ARM 微處理器，已遍及工業(yè) 控制、消費(fèi)類 電子產(chǎn)品、 通 信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等 各類產(chǎn)品市 場，基于 ARM 技術(shù)的微處理 器應(yīng)用約 第 13 頁 占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場 份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到人們生活的各 個(gè)方面。尋址方式是根據(jù) 指令中給出 的地址碼字段 來實(shí)現(xiàn)尋找 真實(shí)操作數(shù)地址的方式。 模塊化的設(shè)計(jì)與分析 開發(fā)板上完成的設(shè)計(jì) 從項(xiàng)目 的整 體出發(fā) ，開 發(fā)板 上應(yīng)完 成的 工作 包括 ， 移植 uCl i nux到 Sma rtAR M2 2 00 開發(fā)板，移 植過程中應(yīng)配 置 uCli nux，其中包含大部分系統(tǒng)配置，如： Nons ta nda rd s e rial port s uppor（非標(biāo)準(zhǔn)串口支持）、 f tp（文件傳輸協(xié)議 ）、 （超文本傳輸協(xié)議）、 tel ne t（遠(yuǎn)程登 第 16 頁 陸協(xié)議）、 pi ng （網(wǎng)絡(luò)探測回 應(yīng)工具 ）、 if c onfig （網(wǎng)絡(luò)配置模 塊）、 ls（文件目錄顯示模塊）、 mount（設(shè)備掛載 模塊）、 cp（文件拷 貝模塊 ），uCl i nux 文件系統(tǒng)的劃 分中還應(yīng)為 用戶留出可以 讀寫操作的 區(qū)域，幫助用戶輕松的寫入程序和修改程序 ， 最后開發(fā)板 上載入編譯 好的網(wǎng)絡(luò)socket 通信程序 [2 0 ]。 面向連接 的數(shù)據(jù)流通信的 s oc ke t 編程詳細(xì)過程如圖 3. 4 所示。 如果 liste n( )一直沒有偵聽到連接請求，那么服務(wù)器就會在 a cc e pt( )處阻塞，一直到有連接請求到來。 uCli nux 主要應(yīng)用于沒有 MMU 單元的 嵌入式芯片， 主要的 目的是 節(jié)約 內(nèi)存和 FL ASH。 第 20 頁 應(yīng)用程序庫 uCl i nux 運(yùn)行效率高，是一個(gè) 小型化 的嵌入式 L i nux 系統(tǒng)，這就要求相應(yīng)的應(yīng)用程序庫具有較高的運(yùn)行效率。同時(shí)，嵌入式芯片的資源有限，內(nèi)存一般都比較小，裁剪后，內(nèi)核 往 往會更加簡練，所占用的存貯 空間也會很 小。為了使得 配置 具有更 強(qiáng)的 直觀性， 系 統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了 文本菜單這種配 置方式。 第 23 頁 圖 內(nèi)核 資 源 界 面 配置完畢后選擇 E x i t，然后在提示下是否保存的時(shí)候選擇保存， 配置完畢后，選擇 Exi t， 在對話提示 選擇保存。 uCli nux 系統(tǒng)的文件系統(tǒng) ，在組織上按照樹狀結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行組織，也就是 頂部 是根目錄， 從 根向下 進(jìn) 第 24 頁 行 分支 ，通常把文 件系統(tǒng)的最 頂端成為根 目錄。 從 后 面的 第 16 字節(jié) 開始 ，顯示的 是 文件名和 相 關(guān) 其數(shù)據(jù) [2 6 ]。如果設(shè)計(jì)中需要一種 可寫的文件 系統(tǒng)， 那么，就需要尋找一種可以 在 R AM 上使 用 的可寫 文件 系統(tǒng) 。 uC li nux 根目錄下可以見到以下結(jié)構(gòu)： /bin /home /etc /mnt /lost+found /tmp /dev /sbin /var /boot /root /lib /proc /usr 設(shè)計(jì)中選擇的 RO MFS 文件系統(tǒng) ， 主要是 考慮到系統(tǒng) 的存貯結(jié)構(gòu)。執(zhí)行結(jié)束后，會得到我們需要的兩個(gè)目錄： RO Mfs 文件 和 i mage s 內(nèi)核文件。如果是第一次編譯則可省略。 uClinux 的安裝 在 nux. 上下載版本為 2 .4 的 uCl i nux 源碼包uCl i nux dis t 20 0 4 04 0 8. ta z，將它復(fù)制到系 統(tǒng)的目錄盤下，并進(jìn)行相應(yīng)的解壓縮： 輸入 指令，并運(yùn)行： ta r uClinuxdist 20 0 4 04 0 8. ta z 就會看到，在系統(tǒng)的目錄盤下，會出現(xiàn) uCl i nux 的 源代碼目錄 ，也就是 uCli nux dist 這個(gè) 文件夾 。因此需要進(jìn)行相應(yīng)的簡化，這就是 uCl i bc 應(yīng) 用程序庫。在目前的嵌入式開發(fā)過程中， RO Mfs 是使用最多的文件系統(tǒng) 。 第 19 頁 4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) . uClinux 的移植 uClinux 嵌入式系統(tǒng)的下載 嵌入式系統(tǒng) 交叉編 譯完成后，需要 將編譯好的嵌 入式內(nèi)核下 載到嵌入式開發(fā)板上， 然 后嵌入式開 發(fā)板才可 以 運(yùn)行嵌入式內(nèi) 核。網(wǎng)絡(luò)的 Soc ket 數(shù)據(jù)傳輸是一 種特殊的 I /O， Soc ke t 也是一種文件描述符 ， 具有一個(gè) 打開文件的函 數(shù)調(diào)用 Soc ke t( )，該函數(shù)返回一 個(gè)整型的Soc ke t 描述符，隨后 的連接建立 、數(shù)據(jù) 傳輸?shù)炔僮鞫?是通過該 Soc ke t實(shí)現(xiàn)的。 TCP 的客戶端可以顯示當(dāng)前自己的工作狀態(tài)，如連接的建立，啟動的成功和數(shù)據(jù)包通信的個(gè)數(shù)等 [2 1 ]。 設(shè)計(jì)采用 SmartARM2200 開 發(fā)板 ， 使用 NXP 公司的 LPC2210 微處 第 14 頁 理器。 采用 RISC 架構(gòu)的 ARM 微處 理器一般具 有如下特點(diǎn) ： （ 1） 體積小 、低功耗、低 成本、高性 能 ； （ 2） 支持 Thumb（ 16 位） /ARM（ 32 位）雙指令集， 能很好的兼容 8 位 /16 位器 件 ； （ 3） 大量使 用寄存器，指 令執(zhí)行速度 更快 ； （ 4） 大多數(shù) 數(shù)據(jù)操作都在 寄存器中完 成 ； （ 5） 尋址方 式靈活簡單， 執(zhí)行效率高 ； （ 6） 指令長 度固定。 目標(biāo)機(jī) 運(yùn)行 uClinux 系統(tǒng)，并在系統(tǒng)上運(yùn)行嵌入式應(yīng)用軟件 。 uClinux 管理內(nèi)存的方法是 采用 實(shí)存儲器管理 ， 通過地址總線 對物理內(nèi)存 進(jìn)行直接訪 問 ， 程序中訪問 的地址都是實(shí)際的物理地址，所有的進(jìn)程都在一個(gè)運(yùn)行空間中運(yùn)行 。 uClinux 系統(tǒng) 一般 采用 Romfs 文件系統(tǒng) ，這種文件系統(tǒng) 相對簡單 、占用空間較少 。操作系統(tǒng)的穩(wěn)定 性在操作系 統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，就 已經(jīng)由系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)構(gòu)想和 編碼 質(zhì)量 決 定了 。 不帶 TCP/IP 協(xié)議族的 uCOSII 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。 要 完成通信，就要完成系統(tǒng) 底層硬件的 驅(qū)動等一系 列的工作，首先 啟動宿主 第 8 頁 機(jī)和客戶機(jī)的操作系統(tǒng) Linux 和 uClinux，然后每個(gè)模塊加 載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序 ，最后通過 TCP/IP 協(xié)議建立雙方的通信鏈路，完成 Socket通信，詳細(xì)情況如圖 所示 [8]。嵌入式 設(shè)備還 具有 網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備標(biāo)識，也就是 嵌 入 式 設(shè) 備 有 自 己 唯一的 IP 地址 ， 只 有 這 樣 ， 才 能 完 成Inter 上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 之間 的通信。這種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和開發(fā)基本都 是基于嵌入 式技術(shù)的。 （ 2） 嵌入式 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為 工業(yè)控制領(lǐng) 域設(shè)備的發(fā)展 提供動力 基于嵌入式系統(tǒng) 的 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) ，隨著嵌入式技 術(shù)的迅猛發(fā) 展，也 得到 了廣泛的應(yīng)用。 第 4 頁 選題的目的和意義 傳統(tǒng)的 數(shù)據(jù)傳輸和 通訊，需要鋪 設(shè)專用的介 質(zhì)和電纜。 在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，嵌入式系統(tǒng)的 發(fā)展 增強(qiáng) 了 網(wǎng)絡(luò)的智能 化與靈活性，從而實(shí)現(xiàn)各種通 信系統(tǒng)之間 的互聯(lián)互通。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如 Java、 Web和 WAP 等。這 就要求芯片設(shè) 計(jì)廠商在芯 片上集成更多的功能，為了滿 足應(yīng)用功能 的升 級，設(shè)計(jì)師 們一方面采 用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信號處理器 DSP 增強(qiáng)處理能力，同時(shí)增加功能接口，如 USB，擴(kuò)展總線類型，如 CAN BUS，加強(qiáng)對多媒體 、圖形等 的處理，逐 步實(shí)施片 上系統(tǒng) (SOC)的概念。 嵌入系統(tǒng)是一個(gè)片上系統(tǒng)，應(yīng)用空 間巨大 ，在各個(gè)方 面都可以應(yīng) 用，比如工業(yè)控制領(lǐng)域、消 費(fèi)電子、移 動通訊 等， 都得到了廣泛 的使用 。比如我們使 用的手機(jī)產(chǎn) 品，用戶有各種各樣的需求，有的看重的是移動功能，有的看中的是娛樂功能，還有的看中 的是導(dǎo)航功 能。 在此基礎(chǔ)上，編寫應(yīng)用程序，調(diào)用 系統(tǒng)的 Socket 通信函數(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的通信。 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)和生活中廣泛要求嵌入式系統(tǒng)終端能夠完成網(wǎng)絡(luò)通訊功能。嵌入式產(chǎn)品 是 面向應(yīng)用的，應(yīng)用的需求推動了嵌入式技術(shù) 的發(fā)展。 （ 2）運(yùn) 行高 效， 節(jié)約 資源： 嵌入 式系 統(tǒng)要 求運(yùn) 行速 度快， 具有很高的執(zhí)行效率 。 （ 1） 嵌入式開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。 未來的嵌入式 設(shè)備為了適 應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 的要求，必然要求 硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。這方面的要求使得嵌入式軟件設(shè)計(jì)者要在圖形界面，多媒體技術(shù) 上痛下苦功 。由于嵌入式系統(tǒng)低功耗、面向應(yīng)用等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)通訊方面得到了廣泛的應(yīng)用。 這些總線和 協(xié)議 需要自 己定制，硬件設(shè)備需要自己設(shè)計(jì)開發(fā) ，面向的對象 不同， 解決的 設(shè)計(jì)問題不 同 ，主要面向?qū)I(yè) 設(shè)計(jì) 開發(fā) ，由于技 術(shù)上的門檻，普 通人員很難 理解和使用。真不敢相信，離開了網(wǎng)絡(luò)，我們的生活會是怎么樣。課 題設(shè)計(jì)后應(yīng) 該實(shí)現(xiàn)在特定的 ARM7 平臺上運(yùn)行 嵌入 式 uClinux 操作系統(tǒng)，順利的驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行，完成在 ARM7 開發(fā)板和 PC 機(jī)的通信， 方便的 進(jìn)行 數(shù)據(jù) 收發(fā) 。 考慮到在 ARM 開發(fā)板上需要運(yùn)行特定格式的程序文件，所以設(shè)計(jì) 采用 Linux 下的 gcc 開發(fā)工具 ， 使用 armelftools 交叉編譯工具生成在 ARM 開發(fā)板 上的可以直 接運(yùn)行的程 序。目前， Inter 上用 應(yīng)用 最多 相對開放的協(xié) 議就是 TCP/IP協(xié)議， 它 能使不同網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備以及不 同類型的網(wǎng)絡(luò) 按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié) 議 互相連接，輕松的實(shí)現(xiàn)上 層的通信 。 （ 2）資源 占 用情況 的多少 嵌入式系統(tǒng)的資源是有限的，資源占用是另外一個(gè)重要的指標(biāo)。操作 系 統(tǒng)的執(zhí)行效 率 可能 直接 影響操作系統(tǒng)的處理能力 ，還有一個(gè)重 要的 指標(biāo)是這 個(gè)操作系 統(tǒng) 的實(shí)時(shí)性到底如何。 因此， 高效 的中斷處理 能力與高速的 輸入輸出能 力是實(shí)時(shí)系統(tǒng)所必備的基本特 征。 通過更深入的分析， uClinux 比 Linux 有更多的優(yōu)勢， 本次設(shè)計(jì)采用的是 SmartARM 開發(fā)平臺，主 要的處理器為 ARM7TDMI，所以在應(yīng)用于嵌入式設(shè) 備的時(shí)候， 有一些不 合適的因 素 (主要集中在 資源消耗太大以及內(nèi)存管理方面 )，所以最終 選用了 uClinux 作為嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的 開發(fā)。目標(biāo)機(jī)需要安裝 LINUX 系統(tǒng)，為 了在 Windows 下開發(fā)嵌入式操作系 統(tǒng)應(yīng)用程序 ，可以在 Windows 環(huán)境下 裝上 Cygwin 軟件。 Thumb 指令集具有較高的代碼密度，卻仍然保持著 ARM 大多數(shù)性能上 的優(yōu)勢，它是 ARM 的子集。 圖 SmartARM 開 發(fā) 板 論文的設(shè)計(jì)以 Sma rtAR M 進(jìn)行， 如圖 3 . 2 所示。 最后， 要保證 開發(fā)板和宿 主機(jī)的網(wǎng)絡(luò) 連通，即可以 用 pi ng 程序來測試雙方的活躍， 這樣 就可以 同時(shí)運(yùn)行服 務(wù)器和客戶端 的程序。 使用 s oc ke t 的數(shù)據(jù)流進(jìn)行通信。設(shè) 計(jì)中 采用這種方式 [2 3 ]。 uCli nux 系統(tǒng)可以直接運(yùn) 行，這樣做的最大的優(yōu)勢是節(jié)約 R AM 空間 ，提高運(yùn)行速 度。 隨 著uCl i nux 內(nèi)核版本的升 級，內(nèi)核功 能越來越強(qiáng)大 ，體系結(jié)構(gòu) 也越來越復(fù)雜。 配置 uClinux 安裝完成后，可以通過 ma ke c onfig ， ma ke xc onfig 來配置 uC li nux，也可以通過 ma ke menuc onfig 來配 置。 第一 項(xiàng)可 進(jìn)行 廠商 / 產(chǎn)品 設(shè)置 ， 選擇 第二 項(xiàng)則 進(jìn)行 內(nèi)核 版本 和函數(shù)庫設(shè)置，各選 項(xiàng)的 含義以及設(shè) 置如表 4. 2 所示。 經(jīng)過以上程序， uC li nux 的內(nèi) 核編譯全部 完成。 RO MFS 文件系統(tǒng) 的底層 結(jié)構(gòu)也是非常 的簡單 ，也可以用 來進(jìn)行 塊設(shè)備 的