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基于ARM嵌入式系统的Socket通信设计.doc
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基于ARM嵌入式系统的Socket通信设计.doc
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1 绪 论
1.1 嵌 入 式 系 统
目 前 , 嵌 入 式 系 统 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 我 们 日 常 生 活 中 就 存 在
大 量 的 嵌 入 式 系 统 的 产 品 : 比 如 手 机 、 MP3、 收 音 机 、 电 视 机 等 等 ,
我 们 已 经 离 不 开 嵌 入 式 产 品 了 。 嵌 入 式 产 品 是 面 向 应 用 的 , 应 用 的
需 求 推 动 了 嵌 入 式 技 术 的 发 展 。
嵌 入 式 系 统 的 基 本 技 术 仍 然 是 计 算 机 技 术 , 包 含 软 件 、 硬 件 、
操 作 系 统 等 。 嵌 入 式 系 统 是 可 裁 剪 的 , 根 据 应 用 的 具 体 场 合 和 需 求 ,
选 择 相 应 的 模 块 , 把 系 统 中 不 需 要 的 部 分 去 掉 , 这 样 做 的 主 要 目 的
是 节 约 资 源 , 降 低 功 耗 。 每 一 个 嵌 入 式 产 品 是 不 同 的 , 使 用 不 同 的
硬 件 和 软 件 , 搭 建 自 己 的 嵌 入 式 操 作 系 统 , 但 是 核 心 技 术 都 是 一 样
的 。 嵌 入 式 系 统 主 要 有 以 下 几 个 特 点 :
( 1 ) 以 需 求 为 目 标 : 嵌 入 式 产 品 没 有 统 一 的 要 求 , 在 开 发 过 程
中 , 它 主 要 是 解 决 用 户 的 需 求 问 题 的 。 比 如 我 们 使 用 的 手 机 产 品 ,
用 户 有 各 种 各 样 的 需 求 , 有 的 看 重 的 是 移 动 功 能 , 有 的 看 中 的 是 娱
乐 功 能 , 还 有 的 看 中 的 是 导 航 功 能 。 那 么 在 设 计 开 发 过 程 中 , 就 需
要 按 照 不 同 的 需 求 搭 建 自 己 的 嵌 入 式 系 统 。 这 样 做 的 主 要 目 的 是 节
约 资 源 , 让 嵌 入 式 芯 片 发 挥 更 大 的 作 用 。
( 2 ) 运 行 高 效 , 节 约 资 源 : 嵌 入 式 系 统 要 求 运 行 速 度 快 , 具 有
很 高 的 执 行 效 率 。 基 于 ARM7TDMI 的 嵌 入 式 芯 片 , 在 指 令 设 计 上 使 用
是 精 简 指 令 集 , 执 行 效 率 高 ; 使 用 三 级 流 水 技 术 , 大 大 增 强 了 嵌 入
式 产 品 的 性 能
[ 1 ]
。
( 3 ) 较 小 的 体 积 和 可 靠 性 : 嵌 入 式 产 品 一 般 都 要 求 体 积 较 小 ,
较 小 的 体 积 , 主 要 是 可 以 满 足 便 携 功 能 。 在 可 靠 性 方 面 , 要 求 嵌 入
式 系 统 的 代 码 执 行 效 率 高 , 系 统 运 行 稳 定 可 靠 , 也 别 是 在 工 业 控 制
领 域 。 只 有 做 到 这 一 点 , 嵌 入 式 产 品 才 会 有 更 大 的 应 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 。
1.2 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 IEEE1394、 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 。
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 。
1.3 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 ]
。
1.4 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 :
( 1) 嵌 入 式 网 络 以 Internet 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 ]
。
1.5 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 Internet 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 。
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