基于arm嵌入式系统的socket通信设计毕业论文(编辑修改稿)

基于arm嵌入式系统的socket通信设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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]。 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 ： 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。 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 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 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 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 操作系统，不需要自己构建 TCP/IP 协 议族 可以 直 接调 用 底层 的函 数 ，驱 动上 层 模块 完成socket 通信 [12]。 不带 TCP/IP 协议族的 uCOSII 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。 在 选择什么样的操 作系统 这个 问题上，主要 归结于 嵌入 式系统的性能，主要有以下 几点 [1315]： 第 10 页 （ 1） 微 处理 器 是否 支持 微 处理器 是否 支持 是选用操作 系统的核心 因素。 从应用的角 度来说，选用一种稳定可 靠的 微 处理 器 是设计成 功的关键。 （ 2）资源 占 用情况 的多少 嵌入式系统的资源是有限的，资源占用是另外一个重要的指标。 通常所说的 资源主 要是 嵌入式 芯片的 内存和 Flash。 处于成 本和体积等各方面的 考虑， 要求 操作系统 尽可能节约 资源。 （ 3） 应用 软 件资源 嵌入式操作系统 在 应用过程中 需要 多方 软件 支持 ， 包括 协议栈、设备驱动以及一些应用程序 ，在 设计过程中，可 以方便的应 用 这些软件， 或者 只需要很少 的改动就可 以适用于新 的平台。 （ 4）操作系 统 性能 操作 系统 的 可靠 性通 常 无法 在用 户 程序 或者 函 数库 层次 得 到增强。 操作系统的稳定 性在操作系 统设计之初，就 已经由系统 的设计构想和 编码 质量 决 定了。 嵌 入式 系 统可 靠性 要求 要 比一 般桌 面系 统要高 ，设计中有可能 无法 确定 出现的 问题是 程序的 问题还是操 作系统的性能问题。 （ 5）执行效 率 执行效率 是另一个 评价基准。 操作 系 统的执行效 率 可能 直接 影响操作系统的处理能力 ，还有一个重 要的 指标是这 个操作系 统 的实时性到底如何。 操作系统 选择不正确 ， 有可能 导 致系统根本无 法运行。 通过对 uClinu。