【文章內容簡介】 增加功能接口，如 USB，擴展總線類型，如CAN BUS，加強對多媒體、圖形等的處理，逐步實施片上系統(tǒng)(SOC)的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發(fā)周期 [2]。（3）網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然趨勢?！　∥磥淼那度胧皆O備為了適應網(wǎng)絡發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡通信接口。傳統(tǒng)的單片機對于網(wǎng)絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開始內嵌網(wǎng)絡接口，除了支持 TCP/IP 協(xié)議，還有的支持IEEE139USB、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的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)內核支持網(wǎng)絡模塊，甚至可以在設備上嵌入 Web 瀏覽器，真正實現(xiàn)隨時隨地用各種設備上網(wǎng) [3]。　 （4）精簡系統(tǒng)內核、算法，降低功耗和軟硬件成本。　　未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統(tǒng)內核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ?，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識，又需要發(fā)展先進嵌入式軟件技術，如 Java、Web 和 WAP 等?！?（5）提供友好的多媒體人機界面　　嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 3 頁苦功。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。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，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很長的路要走。 選題必要性當前，計算機技術和微電子技術發(fā)展迅猛，特別是納米技術取得了重大進展，嵌入式芯片的設計和開發(fā)也越來越迅速。對嵌入式芯片的運行速度要求越來越快，存貯器也越來越大，這大大推進了嵌入式技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在一定的程度上推進了現(xiàn)代生活的提高和改善。在網(wǎng)絡通訊方面，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展增強了網(wǎng)絡的智能化與靈活性，從而實現(xiàn)各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。互聯(lián)網(wǎng)是我們日常辦公生活中最常用的網(wǎng)絡，很方便的把我們相互連接。目前，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始普及，包括廣大的農村，網(wǎng)絡成為了我們生活的一部分。由于嵌入式系統(tǒng)低功耗、面向應用等特點，在網(wǎng)絡通訊方面得到了廣泛的應用。我們使用的移動設備，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的。 嵌入式系統(tǒng)是指將應用程序、操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應用為中心、以計算機技術為基礎，而且軟硬件可以裁剪，因而能滿足應用系統(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)。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡技術的結合可以極大地增強網(wǎng)絡的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實現(xiàn)各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通 [4]。 選題的目的和意義傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和通訊，需要鋪設專用的介質和電纜。通過前端的傳感器采集數(shù)據(jù)信息，并通過相關的通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。比如我們經(jīng)常使用的CAN，485 總線等。這些總線和協(xié)議需要自己定制，硬件設備需要自己設計開發(fā)，面向的對象不同，解決的設計問題不同，主要面向專業(yè)設計開發(fā)，由于技術上的門檻，普通人員很難理解和使用。以太網(wǎng)是使用最為廣泛的網(wǎng)絡，由于標準的統(tǒng)一，硬件的支持和配套，普通人員也可以使用，是信息交流和流通的重要渠道。因此，基于嵌入式系統(tǒng)，設計開發(fā)網(wǎng)絡應用產(chǎn)品具有重要的意思。（1）嵌入式網(wǎng)絡為終端設備網(wǎng)絡化提供了保障如果將我們所有的終端設備進行網(wǎng)絡連接，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。移動辦公設備很方便的 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 4 頁將我們連接在一起，無論何時何地，增強了我們的相互溝通。（2）嵌入式網(wǎng)絡技術為工業(yè)控制領域設備的發(fā)展提供動力基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡技術，隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，也得到了廣泛的應用。我們現(xiàn)在使用的手機設備，無論我們在天涯海角，都可以隨時盡心交流和溝通；家庭經(jīng)常使用的網(wǎng)絡電視，可以方便的下載和點播節(jié)目；網(wǎng)絡課堂更是把我們組織在一起學習，提高我們的能力好和水平；網(wǎng)絡會議可以讓我們處在不同地域的人組織在一起討論和解決問題，節(jié)約費用。當然，還有經(jīng)常使用的 B2B 網(wǎng)上購物、遠程會診等等。真不敢相信，離開了網(wǎng)絡，我們的生活會是怎么樣。在工業(yè)控制方面，嵌入式網(wǎng)絡可以有效可靠地進行遠程控制和操作，通過網(wǎng)絡通訊模塊進行協(xié)議的轉換，各個控制對象可以獨立為嵌入式網(wǎng)絡的一個終端，這種控制可以做到有效、可靠和實時。（3）嵌入式網(wǎng)絡為家庭生活的智能化提供了技術支持現(xiàn)在的家庭都已經(jīng)離不開網(wǎng)絡。通過網(wǎng)絡，可以進行遠程的家庭監(jiān)控，我們經(jīng)常使用的家用電器。我們可以把家庭的所有設備聯(lián)網(wǎng)，組成一個家庭智能中心，可以很方便的通過網(wǎng)絡進行控制。這種網(wǎng)絡的設計和開發(fā)基本都是基于嵌入式技術的?；谇度胧较到y(tǒng)的網(wǎng)絡通訊，一般具有以下功能：（1）嵌入式網(wǎng)絡以 Inter 網(wǎng)絡為基礎，通過協(xié)議的轉換，把相關的信息傳輸?shù)侥康牡?，大大?jié)約了資源；（2）TCP/I P 協(xié)議是一個標準公開的協(xié)議，不做任何改變，我們就可以利用Web 瀏覽器讀取信息，非常的方便快捷；（3）客戶機根據(jù)信息的需求狀況，獲得相關的信息，并且能夠自由的處理，并能夠顯示處理結果；（4）信息的顯示有多種方式，通過計算機技術處理成文字、圖象、表格等形式，并且還能夠實時的自動更新，在設備的終端上最好相關記錄，更加方便有效的進行控制和操作 [5]。 課題研究范圍及要達到的技術要求課題是基于 ARM 的嵌入式 socket 通信設計，研究的范圍包含：ARM 上uClinux 操作系統(tǒng)的移植、Linux 下 socket 通信的建立、交叉編譯環(huán)境下嵌入式socket 通信的實現(xiàn)等。課題設計后應該實現(xiàn)在特定的 ARM7 平臺上運行嵌入式uClinux 操作系統(tǒng)，順利的驅動網(wǎng)絡設備運行，完成在 ARM7 開發(fā)板和 PC 機的通信，方便的進行數(shù)據(jù)收發(fā)。 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 5 頁將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡結合起來，主要的困難在于網(wǎng)絡上的各種通訊協(xié)議對于計算機的存儲器，運算速度等的要求比較高，而嵌入式系統(tǒng)中除部分 32 位微處理器外，大量存在的是 8 位和 16 位的微處理器，如果要支持 TCP/IP 等 Inter協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，或根本不可能實現(xiàn) [6]。因此，設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)板驅動網(wǎng)絡芯片工作；（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)絡環(huán)境；（5）如何用 Socket 來建立網(wǎng)絡的通信。2 需求分析 任務概述論文的主要工作，是選擇適當?shù)那度胧介_發(fā)平臺和文件系統(tǒng)，建立交叉的編譯環(huán)境，構建 TCP/IP 網(wǎng)絡體系，實現(xiàn)客戶端和服務器端的 socket 通信。 系統(tǒng)的需求分析 系統(tǒng)的功能需求嵌入式系統(tǒng)設備能快速的接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的共享和網(wǎng)絡設備的通信，首先應該保證嵌入式設備具有完整的網(wǎng)絡協(xié)議體系結構，滿足網(wǎng)絡設備的技術規(guī)范，能夠正確控制嵌入式平臺上的網(wǎng)絡芯片，可以完整的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。嵌入式設備還具有網(wǎng)絡設備標識，也就是嵌入式設備有自己唯一的 IP 地址，只有這樣，才能完成 Inter 上網(wǎng)絡設備之間的通信。 系統(tǒng)的性能需求在系統(tǒng)的設計上，要求系統(tǒng)具有以下性能：（1）實時性：嵌入式設備具有足夠的反映速度，能快速的接收來自網(wǎng)絡設備 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 6 頁數(shù)據(jù)，并作出快速的反應；（2）穩(wěn)定性：系統(tǒng)在異常情況下不發(fā)生死循環(huán)，設備系統(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：在設備發(fā)生數(shù)據(jù)災難的時候使系統(tǒng)及時的恢復，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，適應各種不同的工作環(huán)境。 系統(tǒng)設計思路系統(tǒng)的設計開發(fā)，宿主機采用的是任意發(fā)行版本的 Linux 系統(tǒng)，但程序是采用標準 C 語言來編寫，可以在不同的 Linux 系統(tǒng)中實現(xiàn)通信功能?？紤]到在 ARM開發(fā)板上需要運行特定格式的程序文件，所以設計采用 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)板上的可以直接運行的程序。由于嵌入式開發(fā)要結合軟件和硬件的詳細情況來操作，所以系統(tǒng)的開發(fā)應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)板的功能和運行效果進行操作，最后操作人員還可以通過開發(fā)板特有的 JTAG 對開發(fā)板進行操作。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]。宿主機和開發(fā)板通過 Switch 交換機進行網(wǎng)絡通信，宿主機一方作為服務器端，開發(fā)板作為客戶端，系統(tǒng)的原理如下圖 所示。 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 7 頁 圖 系統(tǒng)設計環(huán)境關系圖系統(tǒng)的設計目標是完成宿主機和開發(fā)板的網(wǎng)絡通信實現(xiàn)。要完成通信，就要完成系統(tǒng)底層硬件的驅動等一系列的工作，首先啟動宿主機和客戶機的操作系統(tǒng)Linux 和 uClinux，然后每個模塊加載網(wǎng)絡設備驅動程序，最后通過 TCP/IP 協(xié)議建立雙方的通信鏈路，完成 Socket 通信，詳細情況如圖 所示 [8]。 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 8 頁圖 系統(tǒng)的原理示意圖3 系統(tǒng)概要設計 系統(tǒng)設計的基本原則無論采用什么設計開發(fā)方式，最終的目的是驅動開發(fā)板完成網(wǎng)絡的通信。設 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 9 頁計過程中，首先開發(fā)板的網(wǎng)絡芯片能夠正常工作，其次要完成通信就必須要有完善的通信的協(xié)議，根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇合適的協(xié)議 [9]。目前，Inter 上用應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)絡設備以及不同類型的網(wǎng)絡按照標準協(xié)議互相連接，輕松的實現(xiàn)上層的通信。在此基礎上，設計上層通信模塊，通過調用 socket 函數(shù)來實現(xiàn)各種功能，包括數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)的校驗等等 [10]。 系統(tǒng)設計方案分析 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)絡通信芯片和足夠的存儲空間，但沒有任何的網(wǎng)絡通信協(xié)議，有以下幾種方案可以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求，具體的設計方案是：（1）方案 1無操作系統(tǒng)，自己構建 TCP/IP 協(xié)議族，編寫上層 socket 通信模塊完成程序的通信。（2）方案 2包含操作系統(tǒng)，其中又分為帶 TCP/IP 協(xié)議族的操作系統(tǒng)和不帶 TCP/IP 協(xié)議族的操作系統(tǒng) [11]。帶 TCP/IP 協(xié)議族的 Linux 或者 uClinux 操作系統(tǒng)，不需要自己構建 TCP/IP協(xié)議族可以直接調用底層的函數(shù)，驅動上層模塊完成 socket 通信 [12]。不帶 TCP/IP 協(xié)議族的 uCOSII 操作系統(tǒng)，自己構建 TCP/IP 協(xié)議族，編寫上層 socket 通信模塊完成程序的通信。在選擇什么樣的操作系統(tǒng)這個問題上，主要歸結于嵌入式系統(tǒng)的性能，主要有以下幾點 [1315]：（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。從應用的角度來說，選用一種穩(wěn)定可靠的微處理器是設計成功的關鍵。（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重要的指標。通常所說的資源主要是嵌入式芯片的內存和 Flash。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。（3）應用軟件資源嵌入式操作系統(tǒng)在應用過程中需要多方軟件支持，包括協(xié)議棧、設備驅動以及一些應用程序，在設計過程中，可以方便的應用這些軟件，或者只需要很少的 西南科技大學工程碩士學位論文 　　　第 10 頁改動就可以適用于新的平臺。（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。操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性在操作系統(tǒng)設計之初，就已經(jīng)由系統(tǒng)的設計構想和編碼質量決定了。嵌入式系統(tǒng)可靠性要求要比一般桌面系統(tǒng)要高，設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。（5）執(zhí)行效率執(zhí)行效率是另一個評價基準。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，還有一個重要的指標是這個操作系統(tǒng)的實時性到底如何。操作系統(tǒng)選擇不正確，有可能導致系統(tǒng)根本無法運行。通過對 uClinux 和 Linux 的詳細比較，因為 uClinux 和 Linux 具有同樣的內核，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