基于arm嵌入式系統的socket通信設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，還有經常使用的 B2B 網上購物、遠程會診等等。真不敢相信，離開了網絡，我們的生活會是怎么樣。在工業控制方面，嵌入式網絡可以有效可靠地進行遠程控制和操作，通過網絡通訊模塊進行協議的轉換，各個控制對象可以獨立為嵌入式網絡的一個終端，這種控制可以做到有效、可靠和實時。（3）嵌入式網絡為家庭生活的智能化提供了技術支持現在的家庭都已經離不開網絡。通過網絡，可以進行遠程的家庭監控，我們經常使用的家用電器。我們可以把家庭的所有設備聯網，組成一個家庭智能中心，可以很方便的通過網絡進行控制。這種網絡的設計和開發基本都是基于嵌入式技術的。基于嵌入式系統的網絡通訊，一般具有以下功能：（1）嵌入式網絡以 Inter 網絡為基礎，通過協議的轉換，把相關的信息傳輸到目的地，大大節約了資源；（2）TCP/I P 協議是一個標準公開的協議，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）客戶機根據信息的需求狀況，獲得相關的信息，并且能夠自由的處理，并能夠顯示處理結果；（4）信息的顯示有多種方式，通過計算機技術處理成文字、圖象、表格等形式，并且還能夠實時的自動更新，在設備的終端上最好相關記錄，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要求課題是基于 ARM 的嵌入式 socket 通信設計，研究的范圍包含：ARM 上uClinux 操作系統的移植、Linux 下 socket 通信的建立、交叉編譯環境下嵌入式socket 通信的實現等。課題設計后應該實現在特定的 ARM7 平臺上運行嵌入式uClinux 操作系統，順利的驅動網絡設備運行，完成在 ARM7 開發板和 PC 機的通信，方便的進行數據收發。 　　　第 5 頁將嵌入式系統與網絡結合起來，主要的困難在于網絡上的各種通訊協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協議將占用大量系統資源，或根本不可能實現 [6]。因此，設計中要解決以下問題：（1）如果要移植操作系統，選擇什么操作系統，才最適合；（2）如何使開發板驅動網絡芯片工作；（3）如何建立交叉的編譯環境；（4）如何使 ARM 芯片上具有 TCP/IP 協議的網絡環境；（5）如何用 Socket 來建立網絡的通信。2 需求分析 任務概述論文的主要工作，是選擇適當的嵌入式開發平臺和文件系統，建立交叉的編譯環境，構建 TCP/IP 網絡體系，實現客戶端和服務器端的 socket 通信。 系統的需求分析 系統的功能需求嵌入式系統設備能快速的接入網絡，實現網絡資源的共享和網絡設備的通信，首先應該保證嵌入式設備具有完整的網絡協議體系結構，滿足網絡設備的技術規范，能夠正確控制嵌入式平臺上的網絡芯片，可以完整的接收和發送數據。嵌入式設備還具有網絡設備標識，也就是嵌入式設備有自己唯一的 IP 地址，只有這樣，才能完成 Inter 上網絡設備之間的通信。 系統的性能需求在系統的設計上，要求系統具有以下性能：（1）實時性：嵌入式設備具有足夠的反映速度，能快速的接收來自網絡設備 　　　第 6 頁數據，并作出快速的反應；（2）穩定性：系統在異常情況下不發生死循環，設備系統不會崩潰和癱瘓；（3）可擴充性：系統可以根據需要進行擴充，能夠新的通信技術或新的通訊協議方案（程序） ，可以在不改動系統大部分硬件的情況下，其實現新的功能；（4）易維護性：在設備發生數據災難的時候使系統及時的恢復，達到以前的狀態；（5）持久性：嵌入式系統工作的特殊性，以及各種特定工作環境的具體要求，系統必須能夠穩定地長時間工作，適應各種不同的工作環境。 系統設計思路系統的設計開發，宿主機采用的是任意發行版本的 Linux 系統，但程序是采用標準 C 語言來編寫，可以在不同的 Linux 系統中實現通信功能。考慮到在 ARM開發板上需要運行特定格式的程序文件，所以設計采用 Linux 下的 gcc 開發工具，使用 armelftools 交叉編譯工具生成在 ARM 開發板上的可以直接運行的程序。由于嵌入式開發要結合軟件和硬件的詳細情況來操作，所以系統的開發應該具有以下的幾種操作接口，第一用戶可以通過以 RJ45 的以太網對開發板和系統操作，其次用戶可以采用串口的方式對開發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板特有的 JTAG 對開發板進行操作。系統分為宿主部分和開發板部分，每個部分獨立成塊，用網絡相互連接，宿主機上運行的 Linux 操作系統，開發板上運行的是 uClinux 嵌入式操作系統 [7]。宿主機和開發板通過 Switch 交換機進行網絡通信，宿主機一方作為服務器端，開發板作為客戶端，系統的原理如下圖 所示。 　　　第 7 頁 圖 系統設計環境關系圖系統的設計目標是完成宿主機和開發板的網絡通信實現。要完成通信，就要完成系統底層硬件的驅動等一系列的工作，首先啟動宿主機和客戶機的操作系統Linux 和 uClinux，然后每個模塊加載網絡設備驅動程序，最后通過 TCP/IP 協議建立雙方的通信鏈路，完成 Socket 通信，詳細情況如圖 所示 [8]。 　　　第 8 頁圖 系統的原理示意圖3 系統概要設計 系統設計的基本原則無論采用什么設計開發方式，最終的目的是驅動開發板完成網絡的通信。設 　　　第 9 頁計過程中，首先開發板的網絡芯片能夠正常工作，其次要完成通信就必須要有完善的通信的協議，根據系統的要求選擇合適的協議 [9]。目前，Inter 上用應用最多相對開放的協議就是 TCP/IP 協議，它能使不同網絡設備以及不同類型的網絡按照標準協議互相連接，輕松的實現上層的通信。在此基礎上，設計上層通信模塊，通過調用 socket 函數來實現各種功能，包括數據的接收和發送，數據的校驗等等 [10]。 系統設計方案分析 采用 TCP/IP 協議已經確定了，如何在開發板上移植入 TCP/IP 協議成了一個最主要的解決問題，開發板上雖然有網絡通信芯片和足夠的存儲空間，但沒有任何的網絡通信協議，有以下幾種方案可以實現系統的要求，具體的設計方案是：（1）方案 1無操作系統，自己構建 TCP/IP 協議族，編寫上層 socket 通信模塊完成程序的通信。（2）方案 2包含操作系統，其中又分為帶 TCP/IP 協議族的操作系統和不帶 TCP/IP 協議族的操作系統 [11]。帶 TCP/IP 協議族的 Linux 或者 uClinux 操作系統，不需要自己構建 TCP/IP協議族可以直接調用底層的函數，驅動上層模塊完成 socket 通信 [12]。不帶 TCP/IP 協議族的 uCOSII 操作系統，自己構建 TCP/IP 協議族，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這個問題上，主要歸結于嵌入式系統的性能，主要有以下幾點 [1315]：（1）微處理器是否支持微處理器是否支持是選用操作系統的核心因素。從應用的角度來說，選用一種穩定可靠的微處理器是設計成功的關鍵。（2）資源占用情況的多少嵌入式系統的資源是有限的，資源占用是另外一個重要的指標。通常所說的資源主要是嵌入式芯片的內存和 Flash。處于成本和體積等各方面的考慮，要求操作系統盡可能節約資源。（3）應用軟件資源嵌入式操作系統在應用過程中需要多方軟件支持，包括協議棧、設備驅動以及一些應用程序，在設計過程中，可以方便的應用這些軟件，或者只需要很少的 　　　第 10 頁改動就可以適用于新的平臺。（4）操作系統性能操作系統的可靠性通常無法在用戶程序或者函數庫層次得到增強。操作系統的穩定性在操作系統設計之初，就已經由系統的設計構想和編碼質量決定了。嵌入式系統可靠性要求要比一般桌面系統要高，設計中有可能無法確定出現的問題是程序的問題還是操作系統的性能問題。（5）執行效率執行效率是另一個評價基準。操作系統的執行效率可能直接影響操作系統的處理能力，還有一個重要的指標是這個操作系統的實時性到底如何。操作系統選擇不正確，有可能導致系統根本無法運行。通過對 uClinux 和 Linux 的詳細比較，因為 uClinux 和 Linux 具有同樣的內核，所以在處理器的支持，軟件資源豐富程度，操作系統的功能，操作系統執行性能和可靠性上基本上一致，Linux 相對于 uClinux 在嵌入式應用相對不足，主要體現在以下幾點 [16]：（1）空間占用大Linux 操作系統功能完善，但是占用空間大。通常的 Linux 系統，都需要占用上百兆的空間。嵌入式 Linux 也要占用 1M 空間，運行時更需要超過 4M 的內存空間，因此對于存貯空間不足的嵌入式系統，資源的要求沒有辦法滿足。 uClinux 系統一般采用 Romfs 文件系統，這種文件系統相對簡單、占用空間較少。主要是由于內核支持 Romfs 文件系統比支持 ext2 文件系統需要更少的代碼，還有就是 romfs 文件系統相對簡單，在建立文件系統超級塊需要更少的存儲空間。 （2）操作系統的實時性 實時系統是指一個系統在執行時能夠對外部、異步發生的事務，于一定的時間采取響應 [17]，當一個優先等級高的進程能夠獲得系統立即的、沒有延遲的服務而不需要等候任何進程，而且在它奪取到 CPU 的使用權后，它可以一直執行到工作結束或是有更高等級的進程出現為止。因此，高效的中斷處理能力與高速的輸入輸出能力是實時系統所必備的基本特征。Linux 和 uClinux 本身并不支持實時性應用，但是設計時候，對 ucLinux 可以進行實時性的修改，提供基于內核空間和用戶空間的硬實時和軟實時的系統調用。（3）內存管理Linux 系統帶有 MMU 內存管理單元，具有相應的內存管理機制。在 ARM7TDMI 　　　第 11 頁嵌入式處理器沒有 MMU 模塊。而 uClinux 是專門針對沒有 MMU 的處理器而設計的。uClinux 管理內存的方法是采用實存儲器管理，通過地址總線對物理內存進行直接訪問，程序中訪問的地址都是實際的物理地址，所有的進程都在一個運行空間中運行。系統在啟動時把實際存儲器進行分頁，在加載應用程序時程序分頁加載[18]。 缺少 MMU 單元，對于系統及應用程序開發帶來一定的限制，但對于成本和體積敏感的嵌入式設備，由于應用環境和應用需求并不要求復雜和相對昂貴的硬件體系，內存的分配和管理完全可以由開發人員解決。通過更深入的分析，uClinux 比 Linux 有更多的優勢，本次設計采用的是SmartARM 開發平臺，主要的處理器為 ARM7TDMI，所以在應用于嵌入式設備的時候，有一些不合適的因素(主要集中在資源消耗太大以及內存管理方面)，所以最終選用了 uClinux 作為嵌入式操作系統進行應用程序的開發。 概要設計 開發環境課題最終選擇帶 TCP/IP 協議族的 uClinux 操作系統來完成項目的設計，所以要針對 uClinux 上程序的開發配置特定的 PC 機環境。嵌入式系統主要是面向應用的，是一個片上系統，因此它的體積是很小的，包括它的 RAM 和 ROM 都是有限的，這就決定了嵌入式系統的調試不能直接在嵌入式系統上調試，而要采取一種交叉編譯環境的方式，也就是“目標機和宿主機”交叉編譯的方式，如圖 所示 [19]。圖 uClinux 的交叉編譯環境 　　　第 12 頁目標機主要用于運行操作系統和系統應用軟件，而操作系統的內核編譯、應用程序的開發和調試則需要通過宿主 PC 機來完成。雙方之間通過串口進行通訊。目標機運行 uClinux 系統，并在系統上運行嵌入式應用軟件。運行操作系統時，首先要將定制的操作系統進行編譯，這是一個繁瑣復雜的過程，編譯通過后，進行應用程序的設計開發。上面已經提到，嵌入式系統由于資源有限，這些工作的安裝調試需要在目標機進行，調試完成后下載到宿主機中，這也可能是一個多次重復反復進行的工作。目標機需要安裝 LINUX 系統，為了在 Windows 下開發嵌入式操作系統應用程序，可以在 Windows 環境下裝上 Cygwin 軟件。建立 PC 上的開發環境應在宿主機上安裝標準 Linux 操作系統，推薦使用RedHat Linux，一定要確保計算機的網卡驅動、網絡通訊配置正常。 ARM 開發環境的建立1991 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用 ARM 技術知識產權（IP）核的微處理器，即人們通常所說的 ARM 微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于 ARM 技術的微處理器應用約占據了 32 位 RISC 微處理器 75％以上的市場份額，ARM 技術正在逐步滲入到人們生活的各個方面。ARM 公司是專門從事基于 RISC 技術芯片設計開發的公司，作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生