【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件 以及彩色圖 形、圖像都會(huì) 使使用者獲 得自由的感 受。目前一些先 進(jìn)的 PDA 在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫(xiě)入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但一般的嵌入式 設(shè)備距離這 個(gè)要求還有 很長(zhǎng)的路要走 。 選題必要性 當(dāng)前 ，計(jì) 算機(jī) 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(jìn)展，嵌入 式芯片的設(shè) 計(jì)和開(kāi)發(fā)也 越來(lái)越迅速。對(duì) 嵌入式芯片的運(yùn)行速度要求 越來(lái)越快，存 貯器也越來(lái) 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。 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?；?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(kāi)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(diǎn)，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(dòng)設(shè)備，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。 嵌入式系統(tǒng)是指將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應(yīng) 用為中心 、以計(jì)算機(jī) 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(duì)功 能、可靠性、成 本、體積和功 耗的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(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 4 頁(yè) 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(guò) 前端的傳感器采集數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)相關(guān)的通訊協(xié)議進(jìn)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(jì)開(kāi)發(fā) ，面向的對(duì)象 不同， 解決的 設(shè)計(jì)問(wèn)題不 同 ，主要面向?qū)I(yè) 設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā) ，由于技 術(shù)上的門(mén)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)開(kāi)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(jìn) 行網(wǎng)絡(luò)連接，可以 方便有效地 進(jìn)行信息溝通 和 數(shù)據(jù)共 享， 同時(shí) 也 為管理者提 供了 一種有效 的管理方式。移動(dòng) 辦公設(shè)備很方 便的將我們 連接在一起，無(wú)論何時(shí)何地， 增強(qiáng)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(dòng)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(jī)設(shè) 備， 無(wú)論我們 在天涯海角，都可以隨時(shí)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(diǎn)播節(jié)目 ； 網(wǎng) 絡(luò)課堂更是 把我們組織 在一 起學(xué)習(xí)，提 高我們的能力好和水平 ； 網(wǎng)絡(luò)會(huì) 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(wèn)題，節(jié)約費(fèi)用。當(dāng)然，還有經(jīng)常使用的 B 2B 網(wǎng)上購(gòu)物、遠(yuǎn)程會(huì)診等等。真不敢相信，離開(kāi)了網(wǎng)絡(luò)，我們的生活會(huì)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制和操作，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊模 塊 進(jìn)行協(xié)議 的轉(zhuǎn)換，各個(gè)控 制對(duì)象可以 獨(dú)立為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端 ， 這種控制 可以做到有 效、可靠和實(shí) 時(shí)。 （ 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(kāi)網(wǎng)絡(luò) 。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行遠(yuǎn) 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(gè)家庭智能中心，可以很方便的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。這種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和開(kāi)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 ： 第 5 頁(yè) （ 1）嵌入式網(wǎng)絡(luò)以 Inter 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通 過(guò)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(gè) 標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)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(jī) 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(guò)計(jì) 算機(jī) 技術(shù) 處理 成 文字 、圖象、表格 等形式 ，并且還 能夠?qū)崟r(shí)的 自動(dòng)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(jìn)行 控制和操作 [5]。 課題研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求 課題是基于 ARM 的嵌入式 socket 通信設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn) 等 。課 題設(shè)計(jì)后應(yīng) 該實(shí)現(xiàn)在特定的 ARM7 平臺(tái)上運(yùn)行 嵌入 式 uClinux 操作系統(tǒng)，順利的驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行，完成在 ARM7 開(kāi)發(fā)板和 PC 機(jī)的通信， 方便的 進(jìn)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(lái) ， 主要的困難 在于網(wǎng)絡(luò)上 的各種通訊協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器，運(yùn)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(shí)現(xiàn) [6]。 因此，設(shè)計(jì) 中 要解決 以下 問(wèn)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(kāi)發(fā)板驅(qū)動(dòng)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(lái)建立 網(wǎng)絡(luò) 的通信 。 第 6 頁(yè) 2 需求分析 任務(wù)概述 論文的主要工作，是 選擇適當(dāng)?shù)?嵌入式開(kāi)發(fā) 平臺(tái) 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(shí) 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(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(tái)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(biāo)識(shí)，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(jì)上，要 求系統(tǒng)具有 以下性能： （ 1） 實(shí)時(shí)性： 嵌入 式設(shè)備具有 足夠的反映 速度，能快 速的接收來(lái)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(huì) 崩潰 和 癱瘓 ； （ 3） 可擴(kuò)充性： 系統(tǒng) 可以根據(jù)需 要進(jìn)行擴(kuò)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(dòng) 系統(tǒng) 大部分硬 件的情況下，其實(shí)現(xiàn)新的功能 ； （ 4） 易維護(hù)性：在 設(shè)備 發(fā)生數(shù)據(jù)災(zāi) 難的時(shí)候使 系統(tǒng)及時(shí)的恢 復(fù)，達(dá)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(zhǎng) 時(shí)間工 作， 適應(yīng)各種不 同的工作環(huán)境 。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 第 7 頁(yè) 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)開(kāi)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(yǔ)言來(lái)編 寫(xiě)， 可以在 不同的 Linux 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能 。 考慮到在 ARM 開(kāi)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(kāi)發(fā)工具 ， 使用 armelftools 交叉編譯工具生成在 ARM 開(kāi)發(fā)板 上的可以直 接運(yùn)行的程 序。 由于嵌入式開(kāi)發(fā)要結(jié)合軟件和硬件的詳細(xì)情況來(lái)操作，所以系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)該具有以下的幾種操作接口，第一用戶可以通 過(guò)以 RJ45 的以太網(wǎng)對(duì)開(kāi)發(fā) 板和 系統(tǒng)操作，其次 用戶可以采用 串口的方式 對(duì)開(kāi)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(guò)開(kāi)發(fā)板特有的JTAG 對(duì)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行操作 。 系統(tǒng)分為宿主部分和開(kāi)發(fā)板部分，每個(gè)部分獨(dú)立成塊，用網(wǎng)絡(luò)相互連接，宿 主機(jī)上運(yùn)行的 Linux 操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)板 上運(yùn)行的是 uClinux嵌入式操作系統(tǒng) [7]。 宿主機(jī)和開(kāi)發(fā) 板 通過(guò) Switch 交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，宿主機(jī)一方 作為服務(wù)器 端， 開(kāi)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(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(kāi)發(fā)板的 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn) 。 要 完成通信，就要完成系統(tǒng) 底層硬件的 驅(qū)動(dòng)等一系 列的工作，首先 啟動(dòng)宿主 第 8 頁(yè) 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(dòng)程序 ，最后通過(guò) 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]。 圖 系 統(tǒng) 的 原 理 示 意 圖 第 9 頁(yè) 3 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 無(wú)論采用什么 設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā) 方式， 最終的目的 是 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)板 完成網(wǎng)絡(luò)的通信 。設(shè)計(jì)過(guò) 程中，首 先 開(kāi)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(yīng)用 最多 相對(duì)開(kāi)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 。 在此 基礎(chǔ)上，設(shè) 計(jì) 上層通信 模塊，通過(guò)調(diào)用 socket 函數(shù)來(lái)實(shí)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(yàn)等等 [10]。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析 采用 TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)確定了， 如何在 開(kāi)發(fā)板上移 植入 TCP/IP 協(xié)議成了一個(gè)最主要的解決問(wèn)題，開(kāi)發(fā)板上 雖然有 網(wǎng)絡(luò)通信芯 片和足夠的存儲(chǔ)空間，但 沒(méi)有 任何的網(wǎng)絡(luò) 通信協(xié)議， 有 以 下幾種方案 可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，具體的 設(shè)計(jì)方案是 ： （ 1）方案 1 無(wú)操作系統(tǒng)，自己 構(gòu)建 TCP/IP 協(xié)議族，編寫(xiě)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(dòng)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(xiě)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(gè) 問(wèn)題上，主要 歸結(jié)于 嵌入 式系統(tǒng)的性能，主要有以下 幾點(diǎn) [1315]： 第 10 頁(yè) （ 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(yīng)用的角 度來(lái)說(shuō)，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）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)。通常所說(shuō)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(yīng)用 軟 件資源 嵌入式操作系統(tǒng) 在 應(yīng)用過(guò)程中 需要 多方 軟件 支持 ， 包括 協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及一些應(yīng)用程序 ，在 設(shè)計(jì)過(guò)程中，可 以方便的應(yīng) 用 這些軟件， 或者 只需要很少 的改動(dòng)就可 以適用于新 的平臺(tái)。 （ 4）操作系 統(tǒng) 性能 操作 系統(tǒng) 的 可靠 性通 常 無(wú)法 在用 戶 程序 或者 函 數(shù)庫(kù) 層次 得 到增強(qiáng)。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 。 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(jì)中有可能 無(wú)法 確定 出現(xiàn)的 問(wèn)題是 程序的 問(wèn)題還是操 作系統(tǒng)的性能問(wèn)題。 （ 5）執(zhí)行效 率 執(zhí)行效率 是另一個(gè) 評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。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。操作系統(tǒng) 選擇不正確 ， 有可能 導(dǎo) 致系統(tǒng)根本無(wú) 法運(yùn)行 。 通過(guò)對(duì) uClinu