【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通?；ヂ?lián)網(wǎng)是我們?nèi)粘＾k公生活中最常用的網(wǎng)絡(luò)，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(nóng)村，網(wǎng)絡(luò)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(luò)通訊方面得到了廣泛的應用。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(shù)為基礎(chǔ)，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(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大地增強網(wǎng)絡(luò)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(shè)專用的介質(zhì)和電纜。通過前端的傳感器采集數(shù)據(jù)信息，并通過相關(guān)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(shè)備需要自己設(shè)計開發(fā)，面向的對象不同，解決的設(shè)計問題不同，主要面向?qū)I(yè)設(shè)計開發(fā)，由于技術(shù)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(luò)，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(shè)計開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應用產(chǎn)品具有重要的意思。（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。移動辦公設(shè)備很方便的4 / 50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(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，也得到了廣泛的應用。我們現(xiàn)在使用的手機設(shè)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(luò)電視，可以方便的下載和點播節(jié)目；網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)，我們的生活會是怎么樣。在工業(yè)控制方面，嵌入式網(wǎng)絡(luò)可以有效可靠地進行遠程控制和操作，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，各個控制對象可以獨立為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的一個終端，這種控制可以做到有效、可靠和實時。（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)。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。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)進行控制。這種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和開發(fā)基本都是基于嵌入式技術(shù)的。基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊，一般具有以下功能：（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)侥康牡兀蟠蠊?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(guān)的信息，并且能夠自由的處理，并能夠顯示處理結(jié)果；（4）信息的顯示有多種方式，通過計算機技術(shù)處理成文字、圖象、表格等形式，并且還能夠?qū)崟r的自動更新，在設(shè)備的終端上最好相關(guān)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(shù)要求課題是基于 ARM 的嵌入式 socket 通信設(shè)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(shè)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(qū)動網(wǎng)絡(luò)設(shè)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)。5 / 50將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，主要的困難在于網(wǎng)絡(luò)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(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。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(gòu)建 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)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(shè)備能快速的接入網(wǎng)絡(luò)，實現(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)。嵌入式設(shè)備還具有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標識，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。 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6 / 50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(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(shè)計思路系統(tǒng)的設(shè)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(shè)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(jié)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(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]。宿主機和開發(fā)板通過 Switch 交換機進行網(wǎng)絡(luò)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。7 / 50 圖 系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境關(guān)系圖系統(tǒng)的設(shè)計目標是完成宿主機和開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)。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(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，詳細情況如圖 所示 [8]。8 / 50圖 系統(tǒng)的原理示意圖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。設(shè)9 / 50計過程中，首先開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)備以及不同類型的網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上，設(shè)計上層通信模塊，通過調(diào)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(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。（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(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]。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。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]：（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(shè)計成功的關(guān)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(nèi)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(shè)備驅(qū)動以及一些應用程序，在設(shè)計過程中，可以方便的應用這些軟件，或者只需要很少的10 / 50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(shè)計之初，就已經(jīng)由系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想和編碼質(zhì)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(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。（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(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。通常的 Linux 系統(tǒng)，都需要占用上百兆的空間。嵌入式 Linux 也要占用 1M 空間，運行時更需要超過 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。 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。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，在建立文件系統(tǒng)超級塊需要更少的存儲空間。 （2）操作系統(tǒng)的實時性 實時系統(tǒng)是指一個系統(tǒng)在執(zhí)行時能夠?qū)ν獠俊惒桨l(fā)生的事務，于一定的時間采取響應 [17]，當一個優(yōu)先等級高的進程能夠獲得系統(tǒng)立即的、沒有延遲的服務而不需要等候任何進程，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程出現(xiàn)為止。因此，高效的中斷處理能力與高速的輸入輸出能力是實時系統(tǒng)所必備的基本特征。Linux 和 uClinux 本身并不支持實時性應用，但是設(shè)計時候，對 ucLinux 可以進行實時性的修改，提供基于內(nèi)核空間和用戶空間的硬實時和軟實時的系統(tǒng)調(diào)用。（3）內(nèi)存管理Linux 系統(tǒng)帶有 MMU 內(nèi)存管理單元，具有相應的內(nèi)存管理機制。在 ARM7TDMI11 / 50嵌入式處理器沒有 MMU 模塊。而 uClinux 是專門針對沒有 MMU 的處理器而設(shè)計的。uClinux 管理內(nèi)存的方法是采用實存儲器管理，通過地址總線對物理內(nèi)存進行直接訪問，程序中訪問的地址都是實際的物理地址，所有的進程都在一個運行空間中運行。系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進行分頁，在加載應用程序時程序分頁加載[18]。 缺少 MMU 單元，對于系統(tǒng)及應用程序開發(fā)帶來一定的限制，但對于成本和體積敏感的嵌入式設(shè)備，由于應用環(huán)境和應用需求并不要求復雜和相對昂貴的硬件體系，內(nèi)存的分配和管理完全可以由開發(fā)人員解決。通過更深入的分析，uClinux 比 Linux 有更多的優(yōu)勢，本次設(shè)計采用的是SmartARM 開發(fā)平臺，主要的處理器為 ARM7TDMI，所以在應用于嵌入式設(shè)備的時候，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)進行應用程序的開發(fā)。 概要設(shè)計 開發(fā)環(huán)境課題最終選擇帶 TCP/IP 協(xié)議族的 uClinux 操作系統(tǒng)來完成項目的設(shè)計，所以要針對 uClinux 上程序的開發(fā)配置特定的 PC 機環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)主要是面向應用的，是一個片上系統(tǒng)，因此它的體積是很小的，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“目標機和宿主機”交叉編譯的方式，如圖 所示 [19]。圖 uClinux