基于arm嵌入式系统的通信设计(编辑修改稿)

基于arm嵌入式系统的通信设计(编辑修改稿)内容摘要：

Vxworks 的 Tonado 开发环境，DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。 当然，这也是市场竞争的结果。 （ 2） 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。 这就要求芯 片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、 64 位 RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强处理能力，同时增加功能接口，如 USB，扩展总线类型，如 CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统 (SOC)的概念。 软件方面 采用 实时 多任务 编程 技术 和交叉 开发 工具 技术 来控制 功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期 [2]。 （ 3） 网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。 传统 的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持 TCP/IP 协议，还有的支持 IEEE139 USB、 CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 软 件方 面系 统系统 内核 支持 网络模 块， 甚至 可以 在设备 上嵌入Web 浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网 [3]。 （ 4） 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 3 页 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系 统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。 因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java、 Web和 WAP 等。 （ 5） 提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。 图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。 这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。 手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以 及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。 目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。 选题必要性 当前， 计算机 技术 和 微电 子技 术 发展 迅 猛 ，特 别是纳 米技 术取得了重大进展，嵌入式芯片的设计和开发也越来越迅速。 对嵌入式芯片的运行速度要求 越来越快，存贮器也越来越大，这大大推进了嵌入式技术的发展 ， 嵌入式系统在一定的程度上推进了现代生活的提高和改善。 在网络通讯方面，嵌入式系统的 发展 增强 了 网络的智能化与灵活性，从而实现各种通信系统之间的互联互通。 互联 网 是我们日常办公生活中最常用的网络，很方便的把我们相互连接。 目前 ，互联网已经开始普及，包括广大的农村 ， 网络成为了我们生活的一部分。 由于嵌入式系统低功耗、面向应用等特点，在网络通讯方面得到了广泛的应用。 我们使用的移动设备，基本上都是基于嵌入式系统设计开发的。 嵌入式系统是指将应用程序、操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。 它以应用为中心、以计算机技术为基础，而且软硬件可以裁剪，因而能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统与通信、网络技术的结合可以极大地增强网络的 智能化与灵活性，拓展通信功能，从而实现各种通信系统之间的互联互通 [4]。 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 4 页 选题的目的和意义 传统的 数据传输和通讯，需要铺设专用的介质和电缆。 通过前端的传感器采集数据信息，并通过相关的通讯协议进行数据传输。 比如我们经常使用的 CAN， 485 总线 等。 这些总线和协议 需要自己定制，硬件设备需要自己设计开发 ，面向的对象不同， 解决的设计问题不同 ，主要面向专业 设计开发 ，由于技术上的门槛，普通人员很难理解和使用。 以太网是使用最为广泛的网络，由于标准的统一，硬件的支持和配套，普通人员也可以使用， 是信息 交流和 流通的重要渠道。 因 此，基于嵌入式系统，设计开发网络应用产品具有重要的意思。 （ 1） 嵌入式网络 为 终端设备网络化 提供了保障 如果将我们所有的 终端设备 进行网络连接，可以 方便有效地 进行信息沟通 和 数据共享， 同时 也为管理者提供了 一种有效的管理方式。 移动 办公设备很方便的将我们连接在一起，无论何时何地， 增强了我们的相互沟通。 （ 2） 嵌入式网络技术为工业控制领域设备的发展提供动力 基于嵌入式系统 的网络 技术 ，随着嵌入式技术的迅猛发展，也 得到 了广泛的应用。 我们现在使用的手机设备， 无论我们在天涯海角，都可以随时尽心交流和沟通 ； 家庭经常使用的网络电视 ，可以方便的下载和点播节目 ； 网络课堂更是把我们组织在一起学习，提高我们的能力好和水平 ； 网络会议可以让我们处在不同地域的人组织在一起讨论和解决问题，节约费用。 当然，还有经常使用的 B2B 网上购物、远程会诊等等。 真不敢相信，离开了网络，我们的生活会是怎么样。 在工业控制方面，嵌入式网络可以有效可靠地进行远程控制和操作，通过网络通讯模块 进行协议的转换，各个控制对象可以独立为嵌入式网络的一个终端， 这种控制可以做到有效、可靠和实时。 （ 3） 嵌入式 网络 为 家庭生活的智能化提供了技术支持 现 在的家庭都已经离不开网络。 通过网络 ，可以进行远程的家庭监控，我们经常使用的家用电器。 我们可以把家庭的所有设备联网，组成一个家庭智能中心，可以很方便的通过网络进行控制。 这种网络的设计和开发基本都是基于嵌入式技术的。 基于 嵌入式 系统的网络通讯，一般具有 以下功能 ： 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 5 页 （ 1）嵌入式网络以 Inter 网络为基础，通过协议的转换，把相关的信息传输到目的地，大大节约了资源； （ 2） TCP/I P 协议 是一个标准公开的协议，不 做 任何改变，我们就可以利用 Web 浏览器读取信息 ，非常的方便快捷； （ 3）客户机根据 信息的 需求状 况，获 得相关 的信息， 并且能够自由的处理 ，并能够显示处理结果； （ 4）信息的显示 有多种 方式， 通过计 算机技 术处理成 文字、图象、表格 等形式，并且还能够实时的 自动更新， 在设备的终端上最好相关记录，更加方便有效的进行控制和操作 [5]。 课题研究范围及要达到的技术要求 课题是基于 ARM 的嵌入式 socket 通信设计，研究的范围包含：ARM 上 uClinux 操作系统的移植 、 Linux 下 socket 通信的建立 、 交叉编译环境下嵌入式 socket 通信的实现 等。 课题设计后应该实现在特定的 ARM7 平台上运行 嵌入式 uClinux 操作系统，顺利的驱动网络设备运行，完成 在 ARM7 开发板和 PC 机的通信， 方便的进行 数据 收发。 将嵌入式系统与网络结合起来 ， 主要的困难在于网络上的各种通讯协议对于计算机的存储器，运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分 32 位微处理器外，大量存在的是 8 位和 16位的微处理器，如果要支持 TCP/IP 等 Inter 协议将占用大量系统资源，或根本不可能实现 [6]。 因此，设计中 要解决 以下 问题： （ 1） 如果要移植操作系统，选择什么操作系统，才最适合 ； （ 2） 如何使开发板驱动网络芯片工作 ； （ 3） 如何建立交叉的编译环境 ； （ 4） 如何使 ARM 芯片上具有 TCP/IP 协议的网络环境 ； （ 5） 如何用 Socket 来建立网络的通信。 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 6 页 2 需求分析 任务概述 论文的主要工作，是 选择适当的嵌入式开发平台 和文件系统 ， 建立交叉的编译环境 ， 构建 TCP/IP 网络体系，实现 客户端和服务器端的 socket 通信。 系统的需求分析 系统的功能需 求 嵌入式系统设备能快速的接入 网络，实现网络资源的共享 和 网络设备的 通信 ，首 先应该 保证 嵌入 式设备 具有 完整 的网 络协议 体系结构， 满足 网络设备的 技术 规范， 能够 正确控制嵌入式平台上的网络芯片， 可以完整的 接收 和 发送数据。 嵌入式设备还 具有 网络设备标识，也就是 嵌入 式 设 备 有 自 己 唯 一 的 IP 地址 ， 只 有 这 样 ， 才能完成Inter 上网络设备 之间 的通信。 系统的性能需 求 在系统的设计上，要求系统具有以下性能： （ 1） 实时性： 嵌入式设备具有足够的反映速度，能快速的接收来自网络设备数据，并作出快速的 反应 ； （ 2） 稳定性： 系统在异常情况下不发生死循环， 设备系统 不会 崩溃 和 瘫痪 ； （ 3） 可扩充性： 系统可以根据需要进行扩充，能够新的 通信技术或新的通讯协议方案（程序），可以在 不改动 系统大部分硬件的情况下，其实现新的功能 ； （ 4） 易维护性：在 设备 发生数据灾难的时候使系统及时的恢复，达到以前 的状态 ； （ 5） 持久性： 嵌入式系统工作的特殊性，以及各种特定工作环境的具体要求， 系统必须能够稳定地长 时间工作， 适应各种不同的工作环境。 系统设计思路 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 7 页 系统的 设计开发， 宿主机采用的是任意发行版本的 Linux 系统，但程序是采用标准 C 语言来编写， 可以在 不同的 Linux 系统中实现通信功能。 考虑到在 ARM 开发板上需要运行特定格式的程序文件，所以设计 采用 Linux 下的 gcc 开发工具 ， 使用 armelftools 交叉编译工具生成在 ARM 开发板上的可以直接运行的程序。 由于嵌入式开发要结合软件和硬件的详细情况来操作，所 以系统的开发应该具有以下的几种操作接口，第一用户可以通过以 RJ45 的以太网对开发 板和系统操作，其次用户可以采用串口的方式对开发板的功能和运行效果进行操作，最后操作人员还可以通过开发板特有的JTAG 对开发板进行操作。 系统分为宿主部分和开发板部分，每个部分独立成块，用网络相互连接，宿主机上运行的 Linux 操作系统，开发板上运行的是 uClinux嵌入式操作系统 [7]。 宿主机和开发板 通过 Switch 交换机进行网络通信，宿主机一方作为服务器端， 开发板 作为客户端 ，系统的原理如下图 所示。 图 系统设 计环 境关 系图 系统的设计目标是 完成 宿主机和开发板的 网络通信实现。 要完成通信，就要完成系统底层硬件的驱动等一系列的工作，首先启动宿主 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 8 页 机和客户机的操作系统 Linux 和 uClinux，然后每个模块加载网络设备驱动程序，最后通过 TCP/IP 协议建立双方的通信链路，完成 Socket通信，详细情况如图 所示 [8]。 图 系统的 原理 示意 图 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 9 页 3 系统概要设计 系统设计的基本原则 无论采用什么 设计开发 方式， 最终的目的 是驱动开发板完成网络的通信。 设计过程中， 首先 开发板的网络芯片 能够正常 工作，其次要完成通信就必须要有完善的通信的协议， 根据系统的要求选择合适的协议 [9]。 目前， Inter 上用 应用 最多相对开放的协议就是 TCP/IP协议， 它 能使不同网络设备以及不同类型的网络 按照标准协议 互相连接，轻松的实现上层的通信。 在此 基础上，设计 上层通信 模块，通过调用 socket 函数来实现各种功能， 包括 数据的接收和发送，数据的校验等等 [10]。 系统设计方案分析 采用 TCP/IP 协议已经确定了， 如何在 开发板上移植入 TCP/IP 协议成了一个最主要的解决问题，开发板上 虽然有网络 通信芯片和足够的存储空间，但 没有任何的网络通信协议， 有以下几种方案可以实现系统的要求，具体的设计方案是： （ 1）方案 1 无操作系统，自己构建 TCP/IP 协议族，编写上层 socket 通信模块完成程序的通信。 （ 2）方案 2 包含操作系统，其中又分为带 TCP/IP 协议族的操作系统和不带TCP/IP 协议族的操作系统 [11]。 带 TCP/IP 协议族的 Linux 或者 uClinux。