【正文】 ket 通信設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 題 目 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的 Socket 通信設(shè)計(jì) 第 I 頁 摘 要 嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù) 的綜合體，已經(jīng) 廣泛應(yīng)用于 科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、國防軍事、自動化控制 等各個 領(lǐng)域。這樣做的主要目 的 是節(jié)約資源，讓嵌入式芯片發(fā)揮更 大的作用。 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)互 聯(lián)成為必然趨 勢。 目前 ，互 聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始普及，包括 廣大的農(nóng)村 ， 網(wǎng)絡(luò)成 為了我們生活 的一部分 。當(dāng)然，還有經(jīng)常使用的 B 2B 網(wǎng)上購物、遠(yuǎn)程會診等等。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 第 7 頁 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)開發(fā)， 宿主機(jī)采用 的是任意發(fā) 行版本的 Linux 系統(tǒng)，但程序是采用標(biāo)準(zhǔn) C 語言來編 寫， 可以在 不同的 Linux 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能 。從應(yīng)用的角 度來說，選用一種穩(wěn)定可 靠的 微 處理 器 是設(shè)計(jì)成 功的關(guān)鍵。 （ 2）操作系 統(tǒng) 的 實(shí)時 性 實(shí)時系統(tǒng)是指一個系統(tǒng)在執(zhí)行時能夠?qū)ν獠?、異步發(fā)生的事務(wù)，于一定的時 間采取響 應(yīng) [17]，當(dāng) 一個優(yōu)先等 級高的進(jìn) 程能夠獲 得系統(tǒng)立即 的、 沒有 延 遲的 服務(wù) 而不 需 要等 候任 何進(jìn) 程 ，而 且在 它奪 取到CPU 的使用權(quán)后，它可 以一直執(zhí)行 到工作結(jié)束或 是有更高等 級的進(jìn)程出現(xiàn)為止。上面已經(jīng)提 到，嵌入 式系統(tǒng)由于 資源有限，這些工作的 安裝調(diào)試需要在目標(biāo)機(jī)進(jìn)行，調(diào)試完成后下載到宿主機(jī)中，這 也可能 是一個多次重復(fù)反復(fù)進(jìn)行的工作。同時 還擴(kuò)展了 RTL8019AS(10 Mb／ s)以太網(wǎng)控制器 。流 式 主要 面向 連接 Soc ke t，針對于面向連接的 TC P 服務(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)報式 面向 無連接的 Soc ke t，對應(yīng)于無連接的 UDP 服務(wù) 應(yīng)用。在 RO Mfs中， 文件數(shù)據(jù) 是按 照順尋存放 的。 為了適應(yīng)這 個芯片的特 性，登陸 phili ps 官方網(wǎng)站 ， 并且查找和 下載以下這 個文件： uClinuxdis t 20 0 4 04 0 8 1 pc c hy c mj. pa tc h 下載后，復(fù)制到系統(tǒng) 的目錄下， 輸入以下指 令，并執(zhí)行： 第 21 頁 cat uClinux dist2 0 04 0 40 8 1 pc chy c mj . pa tc h 執(zhí)行完成后，在編譯 uC li nux 內(nèi)核是，選擇 系統(tǒng)的內(nèi)核 配置的時候，可以找到 L PC 2 20 0 的選項(xiàng)。 I mages內(nèi)核文件主要存放那 個內(nèi)核目 錄。制作 ra mdis k 具體步 驟如下 [2 7 ]： 一般在內(nèi)核編譯時，支持 ra mdisk 的內(nèi)核選項(xiàng)： CO NFI G BL K DE V 第 25 頁 RAM,CO NFIG R D RE LE ASE BLOC K S, CO NFI G BL K DE V Il VI TRD ：同時在 PC機(jī)上按照如下的方法 來制作： （ 1） 制作映 象文件 建立虛擬成塊的文件 i ni mg 執(zhí)行命令： dd if=/dev/ze ro of= mg bs=1024 count= 50 0 格式化生成的塊設(shè)備 ： i ni mg 文件 執(zhí)行命令： m ke2 fs –m0 –F （ 2） 配置根文件系統(tǒng) ， 將 i ni .i mg 和 f omfs .i mg 加載到主機(jī) 文件系統(tǒng) 執(zhí)行命令： m ount ram /o loo。 構(gòu)建文件系統(tǒng) 構(gòu)建 文件系統(tǒng) 就是 在物理設(shè)備 上 構(gòu)建 文件 組織和目錄， 便于系統(tǒng)進(jìn)行 文件 的組 織和 管 理， 它是 uCli nux 系統(tǒng) 處理 數(shù)據(jù) 的基 礎(chǔ) 條件 。 各命令使用范 圍不一樣 ，但效果 是相同的 ，各命令 說明如表 所示。因此， 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，選 用 RO Mfs 根文件系統(tǒng)。 應(yīng)該首先 在 服務(wù)器端使用 s oc ke t()函數(shù) 建立 一 個通 信的 端 點(diǎn)， 然后 使用 bi nd( )函數(shù) 綁定 這個 端點(diǎn) 的地址，最后 服務(wù) 器端使用 lis te n()偵聽連接 請求，當(dāng) 遠(yuǎn)程的客戶 機(jī)使用connec t()連接 lis te n()正在監(jiān) 聽的端 口時 ，使用 a cce pt()處理 它。 所以對 開發(fā)板上要做的操作是接上 J TAG ,串口，網(wǎng)絡(luò) 線，并且 BOOT SET 設(shè)置為 outsi de,設(shè)置 B a nk0 為 FL ASH， Ba nk1 設(shè)置為 R AM，接通應(yīng)用的模塊的跳線，然后把已經(jīng)編譯成功的系統(tǒng)內(nèi)核文件系統(tǒng)燒入到開發(fā)板上，成功建立開發(fā)環(huán)境后，并啟動開發(fā)板上的 uC li nux 操作系統(tǒng)，如圖 3 . 3 所示 ： 第 15 頁 圖 開發(fā)板上 成 功 啟 動 uClinux 建立程序運(yùn)行調(diào)試交叉編譯環(huán)境 由于 uClinux 及它的相關(guān)開發(fā) 工具集大多都 是來自自由 軟件組織的開放源代碼， 這些軟件都 是共享在網(wǎng) 絡(luò)上的，因 此，在建 立 開發(fā)環(huán)境的時候， 直接找到 相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 地址進(jìn)行下 載， 接下來就可 以建立交叉開發(fā)環(huán)境。 建立 PC 上的開發(fā)環(huán)境應(yīng)在宿主機(jī)上安裝標(biāo)準(zhǔn) Linux 操作系統(tǒng)，推薦使用 RedHat Linux，一定要確保計(jì) 算機(jī)的網(wǎng) 卡驅(qū)動、網(wǎng) 絡(luò)通訊配置正常。 Linux 和 uClinux 本身并不支持實(shí)時性應(yīng)用， 但是 設(shè)計(jì)時候 ， 對ucLinux 可以進(jìn)行 實(shí)時性的 修改 ， 提供基于內(nèi)核 空間和用戶 空間的硬實(shí)時和軟實(shí)時的系統(tǒng) 調(diào)用。通常所說的 資源主 要是 嵌入式 芯片的 內(nèi)存和 Flash。 由于嵌入式開發(fā)要結(jié)合軟件和硬件的詳細(xì)情況來操作，所以系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該具有以下的幾種操作接口，第一用戶可以通 過以 RJ45 的以太網(wǎng)對開發(fā) 板和 系統(tǒng)操作，其次 用戶可以采用 串口的方式 對開發(fā)板的功能和運(yùn)行效果進(jìn)行操作，最后操作人員還可以通過開發(fā)板特有的JTAG 對開發(fā)板進(jìn)行操作 。 在工業(yè)控制方面，嵌入式網(wǎng)絡(luò)可以有效可靠地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和操作，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模 塊 進(jìn)行協(xié)議 的轉(zhuǎn)換，各個控 制對象可以 獨(dú)立為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的一個終端 ， 這種控制 可以做到有 效、可靠和實(shí) 時。我們使用的移動設(shè)備，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的。傳統(tǒng)的單片機(jī)對于網(wǎng)絡(luò)支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開 始內(nèi)嵌網(wǎng) 絡(luò)接口，除 了支持 TCP/IP 協(xié)議，還有的支持 IEEE139 USB、 CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一種或者幾種，同時也需要 提供相應(yīng)的 通信組網(wǎng)協(xié)議 軟件和物理 層驅(qū)動軟件。 基于 ARM7TDMI 的嵌入式芯片 ，在 指令設(shè) 計(jì) 上使用是精簡指令集，執(zhí)行效率高 ； 使用三 級流水技術(shù) ，大大增強(qiáng) 了嵌入式產(chǎn)品的性能 [1]。論文就是 以 ARM7 TDMI為嵌入式 開發(fā) 平臺，開發(fā) 具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式終端 。嵌入式系統(tǒng)主要有 以下 幾個特點(diǎn) ： （ 1）以 需求 為目 標(biāo)： 嵌入式 產(chǎn)品 沒有 統(tǒng)一 的要 求， 在開發(fā) 過程中，它主要是解 決用戶的需 求問題的 。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)化、信 息化的要求隨 著因特網(wǎng)技 術(shù)的成熟、帶 寬的提高日益提高，使得以 往單一功能 的設(shè)備如電話 、手機(jī)、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu) 更加復(fù)雜。對 嵌入式芯片的運(yùn)行速度要求 越來越快，存 貯器也越來 越大，這大大推 進(jìn)了嵌入式技術(shù)的發(fā)展 ， 嵌入式 系統(tǒng)在一定 的程度上推進(jìn) 了現(xiàn)代生活 的提高和改善。移動 辦公設(shè)備很方 便的將我們 連接在一起，無論何時何地， 增強(qiáng)了我們的相互溝通 。 系統(tǒng)的需求分析 系統(tǒng)的功能需求 嵌入式系統(tǒng)設(shè)備能快速的接入 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資 源的共享 和 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 的通 信， 首 先應(yīng) 該保 證嵌 入 式設(shè) 備 具有 完 整 的網(wǎng) 絡(luò)協(xié) 議體 系結(jié)構(gòu)， 滿足 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 技術(shù) 規(guī)范， 能夠 正確控制嵌 入式平臺上 的網(wǎng)絡(luò)芯片， 可以完整的 接收 和 發(fā)送數(shù) 據(jù)。 帶 TCP/IP 協(xié)議族的 Linux 或者 uClinux 操作系統(tǒng)，不需要自己構(gòu)建 TCP/IP 協(xié) 議族 可以 直 接調(diào) 用 底層 的函 數(shù) ，驅(qū) 動上 層 模塊 完成socket 通信 [12]。 嵌 入式 Linux 也要 占用 1M 空間，運(yùn)行時更 需要超過 4M 的內(nèi)存 空間 ，因 此 對于存貯空間 不足的嵌入 式系統(tǒng)，資源的要求沒有辦法 滿足。 雙方之間通過串口進(jìn)行通訊。 ARM 處理器具 有 9 種基本 尋址方式 ： （ 1） 寄存器 尋址； （ 2） 立即尋 址； （ 3） 寄存器 移位尋址； （ 4） 寄存器 間接尋址； （ 5） 基址尋 址； （ 6） 多寄存 器尋址； （ 7） 堆棧尋 址； （ 8） 塊拷貝 尋址； （ 9） 相對尋 址。 第 17 頁 圖 程序設(shè)計(jì)詳細(xì) 圖解 第 18 頁 Soc ke t 接口是 T C P/I P 網(wǎng)絡(luò)的 API， Soc ke t 接口定義函數(shù) 和例程 。根據(jù)使用場合 的不同 ，根文件系統(tǒng)也有多種選擇。 由于 uCl i nux 的內(nèi)核采取了模 塊化的設(shè)計(jì)方 式，設(shè)計(jì)時 可以根據(jù)自己的需要，在 內(nèi)核編譯的 過程中，靈活選擇所需 要的模塊 ，節(jié)約資源，減少代碼量 ，提高內(nèi) 核的運(yùn)行速 度和效率 ， 這也是嵌入 式系統(tǒng)的一個明顯的優(yōu)勢。 （ 4） 建立源 代碼文件依 賴關(guān)系 (第一次必須 執(zhí)行 ) 執(zhí)行命令： ma ke dep （ 5） 編譯內(nèi) 核 執(zhí)行命令： make 第（ 4）和第（ 5）進(jìn)行內(nèi)核的編譯，執(zhí)行的時間會比較長。 RO MFS 是一種只讀的 文 件系統(tǒng) ，由于它 是只讀的，就決 定了這個文件系統(tǒng)是非常小的。 uCl i nux 系統(tǒng)通常 只有一個文件 樹， 這 個文件樹 以 樹根 “ /” 作為 起點(diǎn)， 其它的 文 件和外部 設(shè)備 按照樹的形 式， 掛結(jié)在 這個文件樹上 [ 2 5 ]。 配置 uClinux 和文 件系統(tǒng)具體的 操作方法如 下 [2 4 ]： （ 1）通過已經(jīng)建立的 終端或者控 制臺， 找到 uC li nux 源代碼所在的目錄，系統(tǒng)為： //us r/src/uCli nux dis t ， 執(zhí)行命令： c d /usr/src/uCli nux dis t （ 2） 如 果不 是進(jìn) 行第 一次 編譯， 需要 先清 除以 前編 譯產(chǎn)生 的輔助文件和目標(biāo)文件，以保證編譯的正確性。 gli bc 是 g nu 發(fā)布的 l i bc庫， 主要是基于 C 語言的，這個庫較大而且 比較全面，不適應(yīng) uC li nux。 對于客戶機(jī)任務(wù)來說，它也需要先用 s oc ke t()建立一個通信端 口，但是它不必用 bi nd()把他的本地地址 綁定到這個 端口上，而 是直接使用 c onnec t( )向指定的服 務(wù)器發(fā)送 連接請求 ，如果請 求被接受 ，就可以進(jìn)行通信了。 PC 機(jī)上完成的程序開發(fā) 首先 PC 機(jī)上要安裝 完整 的 Li nux 操作系統(tǒng)，然 后配置好 交 叉編譯環(huán)境后，接下來就 是是對程序 的初步設(shè)計(jì)，程 序一共分為 兩個大的部分： （ 1） TCP 的客戶端 程序設(shè)計(jì) TCP 的客戶端可以 輕松的訪問 服務(wù)器端，向 它發(fā)送連接 請求，并且客戶端也可以接收到來自服務(wù)器端發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。 ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術(shù)芯片設(shè)計(jì) 開發(fā)的公司 ，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身 不直接從事 芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn) 讓設(shè)計(jì)許可 由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM 公司購買其設(shè)計(jì)的 ARM 微處理器核，根據(jù)各自 不同的應(yīng)用 領(lǐng)域，加入適當(dāng) 的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理 器芯片進(jìn)入 市場。而 uClinux 是專門針對沒有 MMU 的處理器而設(shè)計(jì)的 。 （ 4）操作系 統(tǒng) 性能 操作 系統(tǒng) 的 可靠 性通 常 無法 在用 戶 程序 或者 函 數(shù)庫 層次 得 到增強(qiáng)。 圖 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 環(huán) 境 關(guān)系圖 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是 完成 宿主機(jī) 和開發(fā)板的 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn) 。我們 可 以把家庭的所 有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，組成一個家庭智能中心，可以很方便的通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)之間 的互聯(lián)互通 [4]。 第 3 頁 未來的嵌入式 產(chǎn)品是軟硬 件緊密結(jié)合 的設(shè)備，為了減低 功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量 精簡系統(tǒng)內(nèi) 核，只保留和系 統(tǒng)功能緊密 相關(guān)的軟硬件，利用最低的資 源實(shí)現(xiàn)最適 當(dāng)?shù)墓δ?，這就 要求設(shè)計(jì)者 選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，優(yōu)化編譯器性能。只有做到這一點(diǎn)，嵌入式產(chǎn)品才會有更大的應(yīng)用空間和應(yīng)用市場。裁剪和定制系統(tǒng)后， 構(gòu)建 相關(guān)的 文件系統(tǒng)。 嵌