【正文】 嵌入式 TCP/IP 設(shè)計(jì)TCP/IP 協(xié)議比較復(fù)雜，因?yàn)榍度胧皆O(shè)備的資源和效率都是夠用就好，因此在嵌入式系統(tǒng)上面來設(shè)計(jì)一個(gè) TCP/IP 協(xié)議要受到相應(yīng)的限制 [28]。TCP協(xié)議一般要通過“三次握手”的方式建立連接。它可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)的信息，通常使用的 PING 命令就是基于 ICMP 協(xié)議的。在 IP 協(xié)議中，給每個(gè)每臺(tái)設(shè)備一個(gè)地址，這個(gè)地址是唯一的，在傳輸過程中，相互傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備根 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 26 頁據(jù) IP 地址就可以找到對(duì)方，同時(shí)把 IP 包解析出來，得到需要的數(shù)據(jù)。在 IP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)傳輸?shù)?IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行定義，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的封裝時(shí)，還包括需要傳輸數(shù)據(jù)的目的地址，數(shù)據(jù)協(xié)議的版本號(hào)等。也就是說，ARP 協(xié)議解決服務(wù)器端和客戶端在通信的時(shí)候 IP 地址物理地址轉(zhuǎn)換。ARP 主要的功能是進(jìn)行地址的解析，獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢淼刂?。根?jù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小，以及傳輸?shù)乃俣鹊葐栴}，可以采取特別的收發(fā)方式。同時(shí)，存貯的空間也是相對(duì)有限，需要的協(xié)議可以選擇，不需要的協(xié)議可以裁減掉，這也是嵌入式系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。通常情況下，在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的采集和傳輸是是核心的任務(wù)和功能。 TCP/IP 的核心是分層的思想，它可以將不同的芯片、系統(tǒng)之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議相互連接起來，做到互聯(lián)互通。內(nèi)核編譯和文件系統(tǒng)構(gòu)建完成以后通過網(wǎng)絡(luò) FTP 的方式把 和 ramdis下載到開發(fā)板上，這樣完成了 uClinux 的移植。最后卸載 和 的修改已經(jīng)保存。制作 ramdisk 具體步驟如下 [27]：一般在內(nèi)核編譯時(shí)，支持 ramdisk 的內(nèi)核選項(xiàng)：CONFIG BLK DEV RAM,CONFIG RD RELEASE BLOCKS, CONFIG BLK DEV IlVITRD：同時(shí)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 執(zhí)行命令：dd if=/dev/zero of= bs=1024 count=500格式化生成的塊設(shè)備： 文件執(zhí)行命令：mke2fs –m0 –F （2）配置根文件系統(tǒng)，將 和 加載到主機(jī)文件系統(tǒng)執(zhí)行命令：mount ram /o loop執(zhí)行命令：mount rom/o loop建立在 ramfs 中需要的目錄，也就是在 ram 目錄下建立子目錄。如果設(shè)計(jì)中需要一種可寫的文件系統(tǒng)，那么，就需要尋找一種可以在RAM 上使用的可寫文件系統(tǒng)。從后面的第 16 字節(jié)開始，顯示的是文件名和相關(guān)其數(shù)據(jù) [26]。ROMFS 文件系統(tǒng)的構(gòu)成，它的文件系統(tǒng)頭由 16 字節(jié)組成，文件系統(tǒng)名由 4 字節(jié)組成，文件系統(tǒng)的大由 4 字節(jié)組成，其次還有 4 字節(jié)的校驗(yàn)和 4 字節(jié)的卷標(biāo)名。內(nèi)核在連接的時(shí)候，只需要連接到 ROMFS 文件系統(tǒng)，后面用模塊裝載工具把其它相關(guān)的模塊和文件系統(tǒng)裝載進(jìn)來，而不是所有的文件和模塊全部掛接。uClinux 根目錄下可以見到以下結(jié)構(gòu)：/bin/home/etc/mnt/lost+found/tmp /dev/sbin /var /boot /root/lib /proc /usr設(shè)計(jì)中選擇的 ROMFS 文件系統(tǒng)，主要是考慮到系統(tǒng)的存貯結(jié)構(gòu)。uClinux 系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，在組織上按照樹狀結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行組織，也就是頂部是根目錄，從根向下進(jìn)行分支，通常把文件系統(tǒng)的最頂端成為根目錄。 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 uClinux 系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)條件。Images 內(nèi)核文件主要存放那個(gè)內(nèi)核目錄。執(zhí)行結(jié)束后，會(huì)得到我們需要的兩個(gè)目錄：ROMfs 文件和 images 內(nèi)核文件。圖 內(nèi) 核 資 源 界 面配置完畢后選擇 Exit，然后在提示下是否保存的時(shí)候選擇保存， 配置完畢后，選擇 Exit，在對(duì)話提示選擇保存。表 uClinux 中 各 個(gè) 選 項(xiàng) 的 描 述選項(xiàng) 描述 設(shè)置Vendor/Product 廠商/產(chǎn)品選擇 PHILIS/LPC2200Kemel 選擇版本 LinuxLibc 選擇函數(shù)庫 uClibcDefault all Settings 默認(rèn)設(shè)置 恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置時(shí)選擇Updata Default 默認(rèn)廠商配置 根據(jù)需要選擇在設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)系統(tǒng)需求，以及所選用的芯片廠商等信息，進(jìn)行系統(tǒng)的配置，主要是根據(jù)以上信息描述，進(jìn)行設(shè)置。圖 配 置 內(nèi) 核 界 面 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 22 頁界面中有提示使用“↑” “↓”選擇配置模塊，使用空格鍵選擇或者取消，使用“→” “←” ，選擇命令，最后使用回車鍵 Enter 執(zhí)行命令。如果是第一次編譯則可省略。為了使得配置具有更強(qiáng)的直觀性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了文本菜單這種配置方式。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。為了適應(yīng)這個(gè)芯片的特性，登陸 philips 官方網(wǎng)站，并且查找和下載以下這個(gè)文件：下載后，復(fù)制到系統(tǒng)的目錄下，輸入以下指令，并執(zhí)行：cat 執(zhí)行完成后，在編譯 uClinux 內(nèi)核是，選擇系統(tǒng)的內(nèi)核配置的時(shí)候，可以找到 LPC2200 的選項(xiàng)。 uClinux 的安裝在 上下載版本為 的 uClinux 源碼包 uClinuxdist，將它復(fù)制到系統(tǒng)的目錄盤下，并進(jìn)行相應(yīng)的解壓縮：輸入指令，并運(yùn)行：tar 就會(huì)看到，在系統(tǒng)的目錄盤下，會(huì)出現(xiàn) uClinux 的源代碼目錄，也就是uClinuxdist 這個(gè)文件夾。同時(shí)，嵌入式芯片的資源有限，內(nèi)存一般都比較小，裁剪后，內(nèi)核往往會(huì)更加簡(jiǎn)練，所占用的存貯空間也會(huì)很小。由于存儲(chǔ)空間的限制，為了提高運(yùn)行性能，必須根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行精簡(jiǎn)，定制一個(gè)符合嵌入式系統(tǒng)的操作平臺(tái)。. 內(nèi)核編譯嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用非常專業(yè)化，功能模塊相對(duì)比較單一。因此需要進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，這就是 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 20 頁uClibc 應(yīng)用程序庫。 應(yīng)用程序庫uClinux 運(yùn)行效率高，是一個(gè)小型化的嵌入式 Linux 系統(tǒng)，這就要求相應(yīng)的應(yīng)用程序庫具有較高的運(yùn)行效率。因此，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，選用 ROMfs 根文件系統(tǒng)。在 ROMfs 中，文件數(shù)據(jù)是按照順尋存放的。在目前的嵌入式開發(fā)過程中，ROMfs 是使用最多的文件系統(tǒng)。uClinux 主要應(yīng)用于沒有 MMU 單元的嵌入式芯片，主要的目的是節(jié)約內(nèi)存和 FLASH。（2）通過地址印象的方式：由于嵌入式系統(tǒng)的存貯器有限，為了節(jié)約資源，在嵌入式存貯器上建立地址印象，內(nèi)核在執(zhí)行的時(shí)候，首先運(yùn)行到建立印象的地址，然后通過跳轉(zhuǎn)指令，直接運(yùn)行存儲(chǔ)在嵌入式開發(fā)板外圍的存貯器上，這樣可以節(jié)約芯片上的資源，但是帶來的問題是，由于跳轉(zhuǎn)，運(yùn)行的速度會(huì)降低，對(duì)于運(yùn)行速度要求不高的開發(fā)，可以采取這種方式。由于嵌入式開發(fā)板的資源有限，存貯器的容量不夠大，這種方式對(duì)系統(tǒng)的存貯器要求較高，但是能夠帶來更高的運(yùn)行速度，因?yàn)橄到y(tǒng)只直接從嵌入式開發(fā)板上啟動(dòng)的，系統(tǒng)直接解壓縮內(nèi)核文件，運(yùn)行內(nèi)核。 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 19 頁4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì). uClinux 的移植 uClinux 嵌入式系統(tǒng)的下載嵌入式系統(tǒng)交叉編譯完成后，需要將編譯好的嵌入式內(nèi)核下載到嵌入式開發(fā)板上，然后嵌入式開發(fā)板才可以運(yùn)行嵌入式內(nèi)核。如果 listen()一直沒有偵聽到連接請(qǐng)求，那么服務(wù)器就會(huì)在 accept()處阻塞，一直到有連接請(qǐng)求到來。應(yīng)該首先在服務(wù)器端使用 socket()函數(shù)建立一個(gè)通信的端點(diǎn)，然后使用 bind()函數(shù)綁定這個(gè)端點(diǎn)的地址，最后服務(wù)器端使用listen()偵聽連接請(qǐng)求，當(dāng)遠(yuǎn)程的客戶機(jī)使用 connect()連接 listen()正在監(jiān)聽的端口時(shí)，使用 accept()處理它。流式主要面向連接 Socket，針對(duì)于面向連接的 TCP 服務(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)報(bào)式面向無連接的 Socket，對(duì)應(yīng)于無連接的 UDP 服務(wù)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)的Socket 數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的 I/O，Socket 也是一種文件描述符，具有一個(gè)打開文件的函數(shù)調(diào)用 Socket()，該函數(shù)返回一個(gè)整型的 Socket 描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該 Socket 實(shí)現(xiàn)的。面向連接的數(shù)據(jù)流通信的 socket 編程詳細(xì)過程如圖 所示。 設(shè)計(jì)基本流程設(shè)計(jì)主要的目的是要設(shè)計(jì)出面向連接的 TCP 通信模塊。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，首先應(yīng)保證 uClinux 系統(tǒng)成功的啟動(dòng)，即系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中成功的初始化了文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件，串行設(shè)備硬件等，同時(shí)需要成功配置當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)段的 IP，以及掛載了所指定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備文件。TCP 的客戶端可以顯示當(dāng)前自己的工作狀態(tài)，如連接的建立，啟動(dòng)的成功和數(shù)據(jù)包通信的個(gè)數(shù)等 [21]。 模塊化的設(shè)計(jì)與分析 開發(fā)板上完成的設(shè)計(jì)從項(xiàng)目的整體出發(fā)，開發(fā)板上應(yīng)完成的工作包括，移植 uClinux 到SmartARM2200 開發(fā)板，移植過程中應(yīng)配置 uClinux，其中包含大部分系統(tǒng)配置，如：Nonstandard serial port suppor（非標(biāo)準(zhǔn)串口支持） 、ftp（文件傳輸協(xié)議） 、（超文本傳輸協(xié)議） 、 tel（遠(yuǎn)程登陸協(xié)議） 、 ping（網(wǎng)絡(luò)探測(cè)回應(yīng)工具） 、 ifconfig（網(wǎng)絡(luò)配置模塊） 、ls （文件目錄顯示模塊） 、mount（設(shè)備掛載模塊） 、cp（文件拷貝模塊） ，uClinux 文件系統(tǒng)的劃分中還應(yīng)為用戶留出可以讀寫操作的 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 16 頁區(qū)域，幫助用戶輕松的寫入程序和修改程序，最后開發(fā)板上載入編譯好的網(wǎng)絡(luò)socket 通信程序 [20]。所以對(duì)開發(fā)板上要做的操作是接上 JTAG,串口，網(wǎng)絡(luò)線，并且 BOOTSET 設(shè)置為 outside,設(shè)置 Bank0 為FLASH，Bank1 設(shè)置為 RAM，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(dòng)開發(fā)板上的uClinux 操作系統(tǒng)，如圖 所示： 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 15 頁圖 開發(fā)板上成功啟動(dòng) 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(shí)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。同時(shí)還擴(kuò)展了 RTL8019AS(10 Mb／s)以太網(wǎng)控制器。設(shè)計(jì)采用 SmartARM2200 開發(fā)板，使用 NXP 公司的 LPC2210 微處理器。尋址方式是根據(jù)指令中給出的地址碼字段來實(shí)現(xiàn)尋找真實(shí)操作數(shù)地址的方式。所有的 ARM 置零都是可以條件執(zhí)行的，而Thumb 置零僅有一條指令具備條件執(zhí)行的功能。ARM 指令集效率高，但是代碼密度高。采用 RISC 架構(gòu)的 ARM 微處理器一般具有如下特點(diǎn)：（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件；（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；（5）尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；（6）指令長度固定。目前，采用 ARM 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即人們通常所說的 ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場(chǎng)份額，ARM 技術(shù)正在逐步滲入到人們生活的各個(gè)方面。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(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通訊配置正常。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(gè)多次重復(fù)反復(fù)進(jìn)行的工作。目標(biāo)機(jī)運(yùn)行 uClinux 系統(tǒng)，并在系統(tǒng)上運(yùn)行嵌入式應(yīng)用軟件。圖 uClinux 的交叉編譯環(huán)境 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 12 頁目標(biāo)機(jī)主要用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主 PC 機(jī)來完成。 概要設(shè)計(jì) 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(xiàng)目的設(shè)計(jì)，所以要針對(duì) uClinux 上程序的開發(fā)配置特定的 PC 機(jī)環(huán)境。 缺少 MMU 單元，對(duì)于系統(tǒng)及應(yīng)用程序開發(fā)帶來一定的限制，但對(duì)于成本和體積敏感的嵌入式設(shè)備，由于應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用需求并不要求復(fù)雜和相對(duì)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。uClinux 管理內(nèi)存的方法是采用實(shí)存儲(chǔ)器管理，通過地址總線對(duì)物理內(nèi)存進(jìn)行直接訪問，程序中訪問的地址都是實(shí)際的物理地址，所有的進(jìn)程都在一個(gè)運(yùn)行空間中運(yùn)行。在 ARM7TDMI 西南科技大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 　　　第 11 頁嵌入式處理器沒有 MMU 模塊。Linux 和 uClinux 本身并不支持實(shí)時(shí)性應(yīng)用，但是設(shè)計(jì)時(shí)候，對(duì) ucLinux 可以