基于ARM的多線程應(yīng)用程序設(shè)計.doc

開放性實驗報告題 目: 基于ARM的多線程應(yīng)用程序設(shè)計 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動1302 學(xué)生姓名： 張鵬濤 學(xué) 號： 201323020219 指導(dǎo)教師： 張曉東 成績：指導(dǎo)老師簽名： 日期：2017.1.6 目 錄1 系統(tǒng)概述與設(shè)計要求11.1 系統(tǒng)概述11.2 設(shè)計要求22 方案論證22.1 實現(xiàn)方法22.2 線程優(yōu)勢23 硬件設(shè)計33.1 樹莓派接口驅(qū)動LED電路設(shè)計34 軟件設(shè)計44.1 驅(qū)動三色LED燈44.1.1 驅(qū)動實現(xiàn)方法44.1.2 wiringPi庫安裝和軟件編程44.2 服務(wù)器和客戶端54.2.1 服務(wù)器設(shè)計方法54.2.2 客戶端設(shè)計方法55 系統(tǒng)調(diào)試6設(shè)計心得6參考文獻(xiàn)7附錄1（LED驅(qū)動程序）8附錄2（服務(wù)器程序）10附錄3（客戶端程序代碼）161 系統(tǒng)概述與設(shè)計要求1.1 系統(tǒng)概述 本系統(tǒng)設(shè)計是基于樹莓派開發(fā)板上實現(xiàn)的，樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，EbenUpton/埃厄普頓為項目帶頭人。2012年3月，英國劍橋大學(xué)埃本阿普頓（Eben Epton）正式發(fā)售世界上最小的臺式機，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi電腦板，中文譯名樹莓派。它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口），可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。而樹莓派2具有900MHz內(nèi)核頻率， 4核 ARM Cortex-A7，1GB 內(nèi)存，帶Micro SD 卡插槽（支持通過它啟動 Linux 操作系統(tǒng)，如 Fedora），40PIN接口（可以增加驅(qū)動外設(shè)）。本系統(tǒng)設(shè)計正式在樹莓派2環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)多線程設(shè)計，設(shè)計的主要功能就是兩個客戶端通過服務(wù)器互相收發(fā)信息。1.2 設(shè)計要求 要求多個客戶端能夠同時連接服務(wù)器，而服務(wù)器需要創(chuàng)建線程來管理這多個客戶端，并且能夠把一個客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)進行解析，發(fā)給另一個客戶端，實現(xiàn)兩個甚至多個客戶端互相收發(fā)信息。能夠通過驅(qū)動三色燈來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的狀態(tài)，紅色說明有錯誤發(fā)生，綠色說明正在正常運行，藍(lán)色說明有用戶連接，綠色說明有客戶端互相收發(fā)信息。2 方案論證2.1 實現(xiàn)方法 要實現(xiàn)服務(wù)器同時管理兩個甚至多個客戶端，就必須引入進程或線程。2.2 線程優(yōu)勢 一是和進程相比，它是一種非常節(jié)儉的多任務(wù)操作方式。 進程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。我們知道，在Linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這就導(dǎo)致了進程在進行切換等操作起到了現(xiàn)場保護作用, 這是一種昂貴的多任務(wù)工作方式。 但是為了進一步減少處理機的空轉(zhuǎn)時間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進程演化中出現(xiàn)了另外一個概念，這就是線程，也被人稱為輕量級的進程。它是一個進程內(nèi)的基本調(diào)度單位。線程是在共享的內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑，它們共享一個進程的資源，比如文件描述符和信號處理等。因此，大大減少了上下文切換的開銷。 二是線程間方便的通信機制。 對不同進程來說，它們具有獨立的數(shù)據(jù)空間，要進行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進行，這種方式不僅費時，而且很不方便。線程則不然，由于同一進程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當(dāng)然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時被兩個線程所修改，有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù)更有可能給多線程程序帶來災(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時最需要注意的地方。3 硬件設(shè)計3.1 樹莓派接口驅(qū)動LED電路設(shè)計圖 3.1 從圖3.1可以知道，要想讓三色燈的紅色亮起來，首先控制樹莓派GPIO.27引腳輸出低電平，同理可以控制GPIO.28、GPIO29引腳電瓶來控制綠、藍(lán)LED的啟動和關(guān)閉。樹莓派開發(fā)板上的相關(guān)引腳如圖3.2。圖 3.24 軟件設(shè)計4.1 驅(qū)動三色LED燈4.1.1 驅(qū)動實現(xiàn)方法 控制引腳電瓶的高低就能實現(xiàn)控制LED燈的變化，實際上三色LED可以顯示無數(shù)種顏色，要想超過三種顏色的顯示實現(xiàn)，就必須引入PWM。PWM是模擬脈寬調(diào)制來控制輸出引腳的實際輸出電瓶大小，此系統(tǒng)可以控制引腳從03.3V變化來顯示不同的顏色。wiringPi適合那些具有C語言基礎(chǔ)，在接觸樹莓派之前已經(jīng)接觸過單片機或者嵌入式開發(fā)的人群。wiringPi的API函數(shù)和arduino非常相似，這也使得它廣受歡迎。作者給出了大量的說明和示例代碼，這些示例代碼也包括UART設(shè)備，I2C設(shè)備和SPI設(shè)備等。4.1.2 wiringPi庫安裝和軟件編程 首先需要在樹莓派上安裝wiringPi庫，我們選擇直接在網(wǎng)上下載安裝源碼，輸入命令：cd 進入根目錄下，輸入命令：git clone git://wiringPi 從網(wǎng)上下載源碼包，輸入命令cd wiringPi 進入安裝包目錄下，依次輸入命令：configure make make install來配置、編譯和安裝，最后輸入命令sudo ./build 來執(zhí)行編譯之后生成的可執(zhí)行文件，完成安裝。最后輸入命令：gpio readall會出來引腳圖來確定已經(jīng)安裝成功。 接下來就需要運用庫的軟件編程來驅(qū)動led燈啦，在寫C文件時首先要加入庫的頭文件：#include 和C語言必要的頭文件：#include ，然后還需要加入實現(xiàn)軟件PWM的頭文件：#include 。接下來我們就需要運用庫的API函數(shù)wiringPiSetup()初始化wiringPi，若初始化失敗會返回-1；然后運用庫的API函數(shù)softPwmCreate()創(chuàng)建軟件PWM，此函數(shù)有3個輸入?yún)?shù)，分別是控制引腳號，PWM最小值，PWM最大值；運用庫的API函數(shù)softPwmWrite()寫PWM的值，此函數(shù)有2個輸入?yún)?shù)，分別是控制那個引腳號，寫入的PWM的值，此值需要在最小最大值之間。 完整代碼如附錄1。4.2 服務(wù)器和客戶端4.2.1 服務(wù)器設(shè)計方法 為了方便起見，我們把服務(wù)器和客戶端都定義在本地IP上進行測試，服務(wù)器端的話，首先我們需要把主函數(shù)傳入的端口號記錄下來，并且利用C語言標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)atoi轉(zhuǎn)換成整型值。接著我們定義兩個整型數(shù)組來存放兩個客戶端的套接字，然后我們根據(jù)端口去創(chuàng)建服務(wù)器，創(chuàng)建服務(wù)器需要幾個函數(shù)來實現(xiàn)，第一個就是socket()函數(shù)來創(chuàng)建一個服務(wù)器的套接字，此函數(shù)有3個輸入?yún)?shù)，我們選擇ipv4協(xié)議族，流式Socket,TCP協(xié)議類型。然后根據(jù)端口號和本地IP配置服務(wù)器，之后就是調(diào)用綁定bind()，監(jiān)聽listen()函數(shù)來完成服務(wù)器的創(chuàng)建。之后就是根據(jù)創(chuàng)建的套接字來進行循環(huán)，如果有客戶端連接，就保存客戶端套接字創(chuàng)建一個線程去處理，此處我們以兩個客戶端為例來進行操作。若是套接字編號0發(fā)來消息，我們就轉(zhuǎn)發(fā)給套接字編號1，若是超過2個的客戶端連接進來我們直接關(guān)閉創(chuàng)建的線程就行，之后要是有客戶端掉線，就把線程和客戶端一塊銷毀。 具體代碼實現(xiàn)見附錄24.2.2 客戶端設(shè)計方法 首先我們封裝三個函數(shù)，分別是連接、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)，開始就調(diào)用連接函數(shù)，在連接函數(shù)里我們創(chuàng)建客戶端并通過輸入的服務(wù)器ip和端口去連接服務(wù)器，然后我們創(chuàng)建兩個線程分別是讀和寫，在讀函數(shù)里我們不間斷讀鍵盤數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器，在寫函數(shù)里不間斷的讀服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上。 具體代碼實現(xiàn)見附錄3。5 系統(tǒng)調(diào)試 此系統(tǒng)的調(diào)試，我們選擇Linux虛擬機模擬調(diào)試，首先運行服務(wù)器和兩個客戶端，然后客戶端連接服務(wù)器，之后兩個客戶端互相收發(fā)數(shù)據(jù)。為了方便起見，我在PC機上運行和仿真，首先安裝虛擬機VMware8.0，然后安裝VMware Tools，虛擬機的工具是為了共享電腦上的文件，這樣可以在電腦上編寫代碼，在虛擬機上編譯運行。 編譯服務(wù)器的代碼，輸入命令gcc server.c -o server.exe -lpthread，回車之后會生成server.exe可執(zhí)行文件，之后我們運行服務(wù)器，輸入命令./server.exe 6789，運行服務(wù)器，其中6789為輸入的端口號。之后編譯客戶端代碼，輸入命令gcc client.c -o client.exe -lpthread，回車之后會生成client.exe可執(zhí)行文件，我們事先查看虛擬機ip，輸入命令ifconfig回車就能看到虛擬機本機ip，為我們客戶端連接服務(wù)器所用。之后我們運行客戶端一，輸入命令./client.exe 09 6789，回車，然后用同樣的命令運行客戶端二，之后我們在一個客戶端輸入信息回車，在另一個客戶端就能接收到，具體運行結(jié)果如圖5.1，5.2，5.3。圖 5.1圖5.2圖5.3設(shè)計心得 此次開發(fā)性試驗設(shè)計讓我收獲甚多。一是要有一個積極的心態(tài)，獨立解決問題的意識，培養(yǎng)扎實基礎(chǔ)的認(rèn)識。不要什么東西都感覺跟簡單（很多東西可能是看似簡單）就不去做了或者不屑一做，以至于性網(wǎng)上搜搜就可以了，這樣很不好。有自己的東西有自己的付出才會有程序運行成功時的喜悅和小自豪，這樣也有助于培養(yǎng)自己的興趣。要時刻牢記態(tài)度決定一切。其次是興趣，感覺學(xué)習(xí)工作中興趣很關(guān)鍵，只是一個引發(fā)人積極性的問題，有了興趣就自覺了，效率自然就高了。再次要敢于嘗試和挑戰(zhàn)。不要安于現(xiàn)成的程序，而且不要害怕失敗，在程序調(diào)試的過程中這點尤為重要，“發(fā)現(xiàn)出問題然后解決問題”是一個積累經(jīng)驗的過程，而且很高效。最后要不懈追求。對于源代碼進行不斷的完善，要盡可能的實現(xiàn)課題所要求的功能。對于初學(xué)者或者開發(fā)較少的人來說，大量大寫程序還是有必要的，但同時要注意思考，理解其實現(xiàn)的內(nèi)在意義。還可以自己添加一些有意義的功能來實現(xiàn)。當(dāng)看到自己編寫的程序正常運行時，興趣也會隨之而來，樂此不疲，形成一個良性循環(huán)。 短短一周的開放性ARM多線程設(shè)計很快結(jié)束了，我發(fā)現(xiàn)我對嵌入式這個方向、對嵌入式技術(shù)、對Linux都有了新的認(rèn)識。通過這次的編程，我了解到，要真真正正的掌握計算機程序還不是一件簡單容易的事兒，但真正掌握后，它帶給我們的將是無窮的便捷與科技，我喜歡高端便捷的生活。我希望我能做計算機這個萬能機器人的主人而不是奴隸，我會努力加油的!參考文獻(xiàn)1徐千洋.LinuxC函數(shù)庫參考手冊.M中國青年出版社.20022馬忠梅，馬廣云，徐英慧，田譯.ARM嵌入式處理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)M.北京航空航天大學(xué)出版社.20023鄒思鐵.嵌入式Linux設(shè)計與應(yīng)用M.北京清華大學(xué)出版社.20024杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程M.清華大學(xué)出版社.20035田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社.200511陳鑫.嵌入式軟件技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向M.軟件世界.20016田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實驗教程M.北京航空航天大學(xué)出版社.20047AlessandroRubini，JonathanCorbet.Linux設(shè)備驅(qū)動程序M.中國電力出版社.2002附錄1（LED驅(qū)動程序）#include #include #include #define uchar unsigned char#define LedPinRed 27#define LedPinGreen 28#define LedPinBlue 29void ledInit(void) softPwmCreate(LedPinRed, 0, 100); softPwmCreate(LedPinGreen,0, 100); softPwmCreate(LedPinBlue, 0, 100);void ledColorSet(uchar r_val, uchar g_val, uchar b_val) softPwmWrite(LedPinRed, r_val); softPwmWrite(LedPinGreen, g_val); softPwmWrite(LedPinBlue, b_val);int main(void) int i; if(wiringPiSetup() = -1) printf(setup wiringPi failed !); return 1; ledInit(); while(1) ledColorSet(0xff,0x00,0x00); /red delay(500); ledColorSet(0x00,0xff,0x00); /green delay(500); ledColorSet(0x00,0x00,0xff); /blue delay(500); return 0;附錄2（服務(wù)器程序）#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define BUFSIZE 1024 int socket_client2; int socket_create(int port) int st = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); int on = 1; if (setsockopt(st, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on) = -1) printf(setsockopt is failed %sn, strerror(errno); return 0; struct sockaddr_in addr; memset(&addr, 0, sizeof(addr); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons(port); addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); if (bind(st, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr) = -1) printf(zhang.pt:bind is failed %sn, strerror(errno); return 0; if (listen(st, 300) = -1) printf(zhang.pt:listen is failed %sn, strerror(errno); return 0; return st; void deliver(int index, const char *buf, ssize_t len) ssize_t rc = 0; if(index = 0) if (socket_client1 = 0) printf(%d:user not onlinen, index); else rc = send(socket_client1, buf, len, 0); printf(send:%s,send:%u bytesn, buf, rc); if (rc = 0) if (rc = 0) printf(zhang.pt:send failed, disconnection,n); else printf(zhang.pt:send failed, %sn, strerror(errno); if(index = 1) if(socket_client0 = 0) printf(%d:user not onlinen, index); else rc = send(socket_client0, buf, len, 0); printf(send:%s,send:%u bytesn, buf, rc); if(rc = 0) if (rc = 0) printf(zhang.pt:send failed, disconnection,n); else printf(zhang.pt:send failed, %sn, strerror(errno); void socket_work(int index) char bufBUFSIZE; ssize_t rc = 0; while(1) memset(buf, 0, sizeof(buf); rc = recv(socket_clientindex, buf, sizeof(buf), 0); if (rc sin_addr.s_addr); sprintf(IPAddr, %u.%u.%u.%u, p0, p1, p2, p3); void socket_accept(int st) pthread_t thr_d; pthread_attr_t attr; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); struct sockaddr_in client_addr; socklen_t len = sizeof(client_addr); while(1) memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr); int client_st = accept(st, (void *)&client_addr, &len); if(client_st = -1) printf(zhang.pt:accept failed %sn, strerror(errno); break; else char sIP32; memset(sIP, 0, sizeof(sIP); sockaddr_toa(&client_addr, sIP); printf(zhang.pt:accept by %sn, sIP); int *tmp = malloc(sizeof(int); *tmp = client_st; pthread_create(&thr_d, &attr, socket_handle, tmp); pthread_attr_destroy(&attr); int main(int arg, char *args) if(arg 2) printf(zhang.pt:server port error!n); return 0; int iport = atoi(args1); if(iport = 0) printf(zhang.pt:port %d is invalid!n, iport); return 0; printf(zhang.pt:server is begin*v*!n); memset(socket_client, 0, sizeof(socket_client); int st = socket_create(iport); if(st = 0) return 0; socket_accept(st); close(st); printf(zhang.pt:server is endn); return 0; 附錄3（客戶端程序代碼）#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define BUFSIZE 1024 void *socket_read(void *arg) int st = *(int *)arg; char bufBUFSIZE; while(1) memset(buf, 0, sizeof(buf); ssize_t rc = recv(st, buf, sizeof(buf), 0); if(rc = 0) printf(zhang.pt:recv failed, %sn, strerror(errno); break; else printf(zhang.pt:recv:%s,recv:%u byten, buf, rc); return NULL; void *socket_write(void *arg) int st = *(int *)arg; char bufBUFSIZE; while(1) memset(buf, 0, sizeof(buf); read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf); int ilen = strlen(buf); if(bufilen - 1 = n) bufilen - 1 = 0; ssize_t rc = send(st, buf, sizeof(buf), 0); printf(zhang.pt:send:%s,send:%u byten, buf, rc); if(rc = 0) printf(zhang.pt: