基于arm嵌入式系统的socket通信设计硕士学位论文(编辑修改稿)

基于arm嵌入式系统的socket通信设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

用空间和应 用市场。 嵌入系统是一个片上系统，应用空间巨大，在各个方面都可以应用，比如工业控制领域、消 费电子、移 动通讯 等， 都得到了广泛 的使用。 西南科技大学 工程 硕士学位论文 第 2 页 国内外现状和趋势 随着信息化， 智能化，网 络化的发 展，嵌入式 系统技术 也将获得广阔的发展空间。 信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入 式市场展现 了美好的前 景，同时也对嵌 入式生产厂商提出了新的挑战。 （ 1） 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商 已 经充分考 虑到这一点，在主推系统的 同时，将开发环境也作为重点推广。 比如三星在推广 Arm7， Arm9 芯片的同时还提供开发板和 版及支持 包 (BSP)，而 WindowCE 在主推系统时 也提供Embedded VC++作为开发工具，还有 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 B 2B 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。