基于arm嵌入式系統(tǒng)的socket通信設(shè)計畢業(yè)論文(完整版)

　　

【正文】 一起討論和解決問題，節(jié)約費用。 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 （ 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]。 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 。 圖 系 統(tǒng) 的 原 理 示 意 圖 第 9 頁 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 。 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]： 第 10 頁 （ 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。 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。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 第 11 頁 文件系統(tǒng)超級塊需要 更少的存儲 空間。 系統(tǒng)在啟動時把實際存儲器進 行分頁，在 加載應(yīng)用程 序時程序分頁 加載 [18]。 運 行操作系統(tǒng) 時，首先要 將定 制的操作系 統(tǒng)進行編譯，這是一個繁 瑣復(fù)雜的過 程，編譯 通過后， 進 行應(yīng)用程序 的設(shè)計開發(fā)。 ARM7TDMI 具有 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。 LPC2210 基于 ARM7TDMI 內(nèi)核 ，系統(tǒng)時鐘 頻率達 60 MHz，總線對外開放，寬 度可配置為 8／ 16／ 32 位。 （ 2） TCP 的服務(wù)器端程序設(shè)計 TCP 的服務(wù)器端可以輕松的完成對客戶端數(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、連接時間、連接 的當前狀態(tài)等。 常用的 Soc ket 類型有兩種 [ 22]：流式 Soc ke t（ SOC K_ STR EAM）和數(shù)據(jù)報式 Soc ke t（ SOC K_D GR AM）。嵌入式開發(fā)板按照以下 兩種 方式進行加 載： （ 1）直接將編譯 好的內(nèi)核下 載到嵌入 式存貯器中 。 RO Mfs 文件系統(tǒng)比較簡單，文 功能 緊湊 ，并 且是 只讀的 。在 uC li nux 中，采取 靜態(tài)連接 ，目的 是為了節(jié)約 內(nèi)存和片上 資源，滿足嵌入 式系統(tǒng)的設(shè)計需要。 由于本系統(tǒng)所 用 Sma rtAR M22 0 0 開發(fā)板 ，這個開 發(fā)板為 AR M7 的LPC 2 20 0 芯片 ，是 phi li ps 公司設(shè)計制造的 。 執(zhí)行命令： ma ke distclean （ 3） 通過文 本菜單方式 配置 uCli nux 執(zhí)行命令： ma ke menuconf ig 執(zhí)行了 ma ke me nuc onfig 語句后，將會出現(xiàn)如圖 4 . 1 配置內(nèi)核界面。在 R O Mfs 文件中存放嵌入式系統(tǒng)運行所需要的應(yīng)用程序。因為這種文件系統(tǒng)的 內(nèi)核 比較 小 ， 通常情 況下 只有 4000 字節(jié) 左右，可 以 有 效 的 節(jié) 約 系 統(tǒng) 的 資 源 。在設(shè) 計中，根據(jù)需要選擇了 R AMFS 文件系統(tǒng)， 這 種文件系統(tǒng)可 以用于 R AMDI SK 文件系統(tǒng) 的寫操作 ，它與 C RAMFS 的結(jié)合可以適合 大多數(shù)嵌入 式系統(tǒng)的需求。然后就 是 文件的頭 和數(shù)據(jù)了，文件頭也是 由 16 字節(jié) 組成 ， 開 始的 是文件 模式信息 ， 通常占用 4 比特的， 后面的 28 比特 ，是這樣分配的 ： 4 字節(jié) 為 下 后一個 文 件的地址偏移量 ， 4 字節(jié) 為 文件 的 鏈 接信息、 4 字節(jié) 為 文件 大小、 4 字節(jié) 為文件 的校驗和 。uCl i nux 系統(tǒng)的所有有 效數(shù)據(jù)，包 括 用程序、庫 、系統(tǒng)文件 和用戶文件 都按照目錄存放 在文件系統(tǒng) 中。 進入 L i nux內(nèi) 核配內(nèi)核資源的界 面，如圖 4 .2 所示。 表 uClinux 的配 置方式 make config 命令行方式，適用于 控制臺和圖 形終端 make menuconf ig 文本菜中方式，適用于控制臺 和圖 形終端 make xconfig X 窗口圖形界面方 式，僅適用 于圖形終端 文本菜單 這種 配置 方式， 可以 在 終端控制臺 上來 使用， 也可以通過 圖形終端 進行使 用。 uCl i nux 可以通過裁剪，把不 需要的功能 模塊剪掉，留下 應(yīng)用需要的模塊，減少系統(tǒng) 運行的復(fù)雜 想，讓系統(tǒng)更 加健壯和安全 。當然，為了支持它， 在內(nèi)核的配置中 需要內(nèi) 核支持 romfs 文件系統(tǒng) ，并且 在內(nèi)核 配置完 畢后建立虛擬 ra m 盤，提供用 戶接口。 根文件系統(tǒng)的建立 內(nèi)核移植完成后， 需 要建立嵌入 式的根文件 系統(tǒng)，根文件是 嵌入式系統(tǒng)重要組成部分。在acc ept()處理了 連接請 求后，將 會生成 一個新 的描述這 個連接 端口的套接字，利用 這個套接 字就可以 發(fā)送和接收 數(shù)據(jù) 了。 Soc ke t類為網(wǎng)絡(luò)通訊提供了一種方式。 從網(wǎng)站 ： // 上 下載最新的 armelfgcc 工具，即腳本文件 ，在宿主機上 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 。 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。 ARM 開發(fā) 環(huán)境 的建立 1991 年 ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。 嵌入式系統(tǒng)主要是面向應(yīng)用的，是一個片上系統(tǒng)，因此它的體積 第 12 頁 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]。 （ 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) 存管理機制 。 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(yīng)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 。 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 。 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。 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]。 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 。 （ 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) 。 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 。 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)。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 。 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]。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)。 （ 3）較 小的 體積 和可 靠性： 嵌入 式產(chǎn) 品一 般都 要求 體積較 小，較小的體積，主 要是可以滿 足便攜功能 。嵌入式系統(tǒng)是可裁剪的，根據(jù)應(yīng) 用的具體 場合和需求，選擇相應(yīng)的模塊，把系統(tǒng)中不需要的部分去掉，這樣做的主要目的是節(jié)約資源，降低 功耗。 SOCKET 是一個通信鏈的句柄 ， 通過套接字 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求 ，用于 TCP/IP 協(xié)議的應(yīng)用程序之間 的 相互通信 。 論文選擇了 ARM 體系結(jié)構(gòu)的嵌入式 LPC2200 處理器 ,根據(jù)系統(tǒng)的需求， 在綜合各種設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，選擇移植帶有 TCP/IP 協(xié)議的ucLinux 嵌入式操作系統(tǒng) 。每 一個嵌入式 產(chǎn)品是不同的 ，使用不 同的硬件和軟件，搭建自 己的嵌入式 操作系統(tǒng) ， 但是核心技 術(shù)都是一樣 的。在可靠性 方面，要 求嵌入式系統(tǒng)的代碼執(zhí)行效率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，也別是在工業(yè)控制領(lǐng)域。當然，這也是市場競爭的結(jié)果 。 （ 4） 精簡系統(tǒng)內(nèi) 核、算法， 降低功耗和 軟硬件成本。 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。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)。 （ 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。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 。 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。 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。 （ 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]。 （ 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)動以及一些應(yīng)用程序 ，在 設(shè)計過程中，可 以方便的應(yīng) 用 這些軟件， 或