【正文】 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)問題上，主要?dú)w結(jié)于 嵌入式系統(tǒng)的性能，主要有以下 幾點(diǎn) [1315]： 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 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)用的角度來說，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 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(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)根本無法運(yùn)行 。 通過對(duì) uClinux 和 Linux 的詳細(xì)比較，因?yàn)?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(duì)于uClinux 在嵌入式應(yīng)用相對(duì)不足，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn) [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(yùn)行時(shí)更 需要超過 4M 的內(nèi)存空間 ，因此對(duì)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)簡(jiǎn)單，在建立 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 11 頁(yè) 文件系統(tǒng)超級(jí)塊需要更少的存儲(chǔ)空間。 （ 2）操作系統(tǒng) 的 實(shí)時(shí) 性 實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指一個(gè)系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)能夠?qū)ν獠?、異步發(fā)生的事務(wù)，于一定的時(shí)間采取響應(yīng) [17]，當(dāng) 一個(gè)優(yōu)先等級(jí)高的進(jìn)程能夠獲得系統(tǒng)立即的 、 沒 有延 遲的服 務(wù) 而不 需 要等候 任何 進(jìn)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(jí)的進(jìn)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(shí)時(shí)系統(tǒng)所必備的基本特征。 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 可以進(jìn)行 實(shí)時(shí)性的修改 ， 提供基于內(nèi)核空間和用戶空間的硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)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(yīng)的 內(nèi)存管理機(jī)制。在 ARM7TDMI 嵌入式處理器 沒有 MMU 模塊 。而 uClinux 是專門針對(duì)沒有 MMU 的處理器而設(shè)計(jì)的 。 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 。 系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)把實(shí)際存儲(chǔ)器進(jìn)行分頁(yè)，在加載應(yīng)用程序時(shí)程序分頁(yè)加載 [18]。 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。 通過更深入的分析， uClinux 比 Linux 有更多的優(yōu)勢(shì)， 本次設(shè)計(jì)采用的是 SmartARM 開發(fā)平臺(tái)，主要的處理器為 ARM7TDMI，所以在應(yīng)用于嵌入式設(shè)備的時(shí)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(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。 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。 嵌入式系統(tǒng)主要是面向應(yīng)用的，是一個(gè)片上系統(tǒng)，因此它的體積 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 12 頁(yè) 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(biāo)機(jī)和宿主機(jī)”交叉編譯的方式， 如圖 所示 [19]。 圖 uClinux 的交 叉編 譯環(huán) 境 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。雙方之間通過串口進(jìn)行通訊。 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 。 運(yùn)行操作系統(tǒng)時(shí)，首先要 將定制的操作系統(tǒng)進(jìn)行編譯，這是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的過程，編譯通過后， 進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開發(fā)。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)需要安裝 LINUX 系統(tǒng)，為 了在 Windows 下開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用程序，可以在 Windows 環(huán)境下裝上 Cygwin 軟件。 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。 ARM 開發(fā) 環(huán)境 的建立 1991年 ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。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 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 13 頁(yè) 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。 ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM 公司購(gòu)買其設(shè)計(jì)的 ARM 微處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?ARM 微處理器芯片進(jìn)入市 場(chǎng)。 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(zhǎng)度固定。 ARM7TDMI 具有 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 ARM 指令集效率高，但是代碼密度高 。 Thumb 指令集具有較高的代碼密度，卻仍然保持著 ARM 大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，它是 ARM 的子集。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 和 Thumb 程序可以相互調(diào)用，相互之間狀態(tài)切換開銷幾乎為零。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。 ARM 處理器具有 9 種基本尋址方式 ： （ 1） 寄存器尋址； （ 2） 立即尋址； （ 3） 寄存器移位尋址； （ 4） 寄存器間接尋址； （ 5） 基址尋址； （ 6） 多寄存器尋址； （ 7） 堆棧尋址； （ 8） 塊拷貝尋址； （ 9） 相對(duì)尋址。 設(shè)計(jì)采用 SmartARM2200 開發(fā)板 ， 使用 NXP 公司的 LPC2210 微處 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 14 頁(yè) 理器。 LPC2210 基于 ARM7TDMI 內(nèi)核，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá) 60 MHz，總線對(duì)外開放，寬度可配置為 8／ 16／ 32 位。同時(shí) 還擴(kuò)展了 RTL8019AS(10 Mb／ s)以太網(wǎng)控制器。 圖 SmartARM 開發(fā) 板 論文的設(shè)計(jì)以 Sma rt A RM 進(jìn)行， 如圖 所示。 所以對(duì)開發(fā)板上要做的操作是接上 JTA G ,串口，網(wǎng)絡(luò)線，并且 BOOTSET 設(shè)置為 o u tsid e,設(shè)置 Ba n k0 為 FL A SH， Ba n k1 設(shè)置為 RA M，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 u C l in ux 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(yè) 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。 從網(wǎng)站 ： // 上 下載最新的 armelfgcc 工具，即腳本文件 ，在宿主機(jī)上安裝該工具鏈，在該文件所在目錄下，鍵入 一下指令： lsl 等待 指令的執(zhí)行，完成后在路徑： //usr/local/bin/下有： gcc, armelfgcc,binudls, genromfs,flthdr 和 elflflt 等各種應(yīng)用 工具 。 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 u C l in ux到 Sma rt A RM2200 開發(fā)板，移植過程中應(yīng)配置 u Cl in u x，其中包含大部分系統(tǒng)配置，如： No n sta nd ard seria l p o rt su pp o r（非標(biāo)準(zhǔn)串口支持）、 ft p（文件傳輸協(xié)議）、 h tt p（超文本傳輸協(xié)議）、 t el （遠(yuǎn)程登 西南科技大學(xué) 工程 碩士學(xué)位論文 第 16 頁(yè) 陸協(xié)議）、 p in g（網(wǎng)絡(luò)探測(cè)回應(yīng)工具）、 i fco n fi g（網(wǎng)絡(luò)配置模塊）、 ls（文件目錄顯示模塊）、 mo un t（設(shè)備掛載模塊）、 cp（文件拷貝模塊），uC li nu x 文件系統(tǒng)的劃分中還應(yīng)為用戶留出可以讀寫操作的區(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 [2 0 ]。 PC 機(jī)上完成的 程序開發(fā) 首先 PC 機(jī)上要安裝 完整的 Li nu x 操作系統(tǒng)，然后配置好 交叉編譯環(huán)境后，接下來就是是對(duì)程序的初步設(shè)計(jì)，程序一共分為兩個(gè)大的部分： （ 1） TC P 的客戶端程序設(shè)計(jì) TC P 的客戶端可以輕松的訪問服務(wù)器端，向它發(fā)送連接請(qǐng)求，并且客戶端也可以接收到來自服務(wù)器端發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。 TC P 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 ]。 （ 2） TC P 的服務(wù)器端程序設(shè)計(jì) TC P 的服務(wù)器端可以輕松的完成對(duì)客戶端數(shù)據(jù)的發(fā)送，服務(wù)器端可 以快速 的做出客戶端的連接請(qǐng)求反映，并且在服務(wù)器端可以輕松的反映 來自客戶端的連接情況，如連接的 IP、連接時(shí)間、連接的當(dāng)前狀態(tài)等。 系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)， 首先應(yīng)保證 u C l in ux 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。 最后， 要保證開發(fā)板和宿主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連通，即可以用 p i n g 程序來測(cè)試雙方的活躍， 這樣 就可以同時(shí)運(yùn)行服務(wù)器和客戶端的程序。 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 TC P 通信模塊 。 So c ke