【文章內(nèi)容簡介】 用空間和應(yīng) 用市場。 嵌入系統(tǒng)是一個片上系統(tǒng)，應(yīng)用空間巨大，在各個方面都可以應(yīng)用，比如工業(yè)控制領(lǐng)域、消 費電子、移 動通訊 等， 都得到了廣泛 的使用 。 西南科技大學 工程 碩士學位論文 第 2 頁 國內(nèi)外現(xiàn)狀和趨勢 隨著信息化， 智能化，網(wǎng) 絡(luò)化的發(fā) 展，嵌入式 系統(tǒng)技術(shù) 也將獲得廣闊的發(fā)展空間。信息時代，數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入 式市場展現(xiàn) 了美好的前 景，同時也對嵌 入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn) 。 （ 1） 嵌入式開發(fā)是一項系統(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，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。 目前很多廠商 已 經(jīng)充分考 慮到這一點，在主推系統(tǒng)的 同時，將開發(fā)環(huán)境也作為重點推廣。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)。當然，這也是市場競爭的結(jié)果 。 （ 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、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu) 更加復(fù)雜。這 就要求芯 片設(shè) 計廠商在芯 片上集成更多的功能，為了滿 足應(yīng)用功能 的升級，設(shè)計師 們一方面采 用更強大的嵌入式處理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信號處理器 DSP 增強處理能力，同時增加功能接口，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(wù)編 程技 術(shù) 和交 叉開 發(fā)工 具 技術(shù) 來控 制功 能復(fù)雜性，簡化應(yīng)用程序 設(shè)計、保障 軟件質(zhì)量和 縮短開發(fā)周期 [2]。 （ 3） 網(wǎng)絡(luò)互 聯(lián)成為必然趨 勢。 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。傳統(tǒng) 的單 片機對于網(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。 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]。 （ 4） 精簡系統(tǒng)內(nèi) 核、算法， 降低功耗和 軟硬件成本。 西南科技大學 工程 碩士學位論文 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 源實現(xiàn)最適 當?shù)墓δ?，這就 要求設(shè)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(shù)，如 Java、 Web和 WAP 等。 （ 5） 提供友好的 多媒體人機 界面 嵌入式設(shè)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(shè)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(shè)計者要在圖形界面，多媒體技術(shù) 上痛下苦功 。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(shè)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(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。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(shù)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(luò)通訊方面，嵌入式系統(tǒng)的 發(fā)展 增強 了 網(wǎng)絡(luò)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(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(yīng)用等特點，在網(wǎng)絡(luò)通訊方面得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)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(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)。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]。 西南科技大學 工程 碩士學位論文 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。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(yīng)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(yīng)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 B 2B 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 ： 西南科技大學 工程 碩士學位論文 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 ； （ 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(yīng) 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) 。 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 。 西南科技大學 工程 碩士學位論文 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?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。 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(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)。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 。 系統(tǒng)設(shè)計思路 西南科技大學 工程 碩士學位論文 第 7 頁 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 。 考慮到在 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(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(wù)器 端， 開發(fā) 板 作為客戶端 ，系統(tǒng)的 原理如下圖 所示。 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 西南科技大學 工程 碩士學位論文 第 8 頁 機和客