基于ARM9的嵌入式Linux網絡通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于ARM9的嵌入式Linux網絡通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)隨著計算機技術的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已經成為計算機領域的一個重要組成部分。Internet現(xiàn)已成為社會重要的基礎信息設施之一,是信息流通的重要渠道,如何讓嵌入式設備連接到Internet上,和其他通信系統(tǒng)進行信息交換是當前嵌入式技術領域研究的熱點所在。本文結合實際應用需求,詳細研究實現(xiàn)了一種基于S3C2410平臺和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式網絡通信系統(tǒng)。1.嵌入式網絡通信系統(tǒng)總體設計經過大量的資料收集比較,深入地研究分析并結合現(xiàn)有的實驗條件,我們對系統(tǒng)的體系結構、硬件平臺和軟件系統(tǒng)做出了以下選擇:1)目前嵌入式CPU很多

2、,選擇哪款CPU要根據(jù)自己產品的實際需要。一般而言,首先應盡量選擇系統(tǒng)集成度高、外圍電路簡潔的CPU;其次,還應綜合考察CPU的各項性能指標;最后,還應該考慮軟硬件開發(fā)環(huán)境的建立、廠家的貨源以及代理的軟件支持力度。經過比較, 本設計采用三星的S3C2410微處理器。這是一款高性價比、低功耗、高集成度的CPU,基于ARM920T內核,主頻最高為203MHz,專為手持設備和網絡應用而設計,能滿足嵌入式系統(tǒng)中的低成本、低功耗、高性能、小體積的要求。圖1為硬件平臺的總體設計 1 。CPU S3C2410模塊是開發(fā)板的核心部件。S3C2410 在包含ARM920T核的同時,增加了豐富的外圍資源,主要包括

3、1個LCD 控制器,支持STN 和TFT液晶顯示屏; 3個通道UART; 4個通道DMA; 4個具有PWM功能的16位定時/計數(shù)器和1個16位內部定時器, 支持外部時鐘源; 8通道10位ADC,最高速率可達500kB / s;觸摸屏、IIS總線、SD 卡和MMC卡接口;117位通用I/O口和24位外部中斷源。存儲系統(tǒng)包括64MB的NAND Flash存儲器模塊和SDRAM存儲器模塊; Flash用于存放嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序和用戶數(shù)據(jù)等,并作嵌入式文件系統(tǒng); SDRAM作為系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域,用于存放系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)。通信模塊包括串口和以太網接口模塊;以太網接口為系統(tǒng)提供以太網接入的物理通道

4、, UART接口則通過RS232可以和宿主機做串口通訊。JTAG調試接口用于系統(tǒng)的嵌入式調試。擴展總線擴展出了系統(tǒng)總線供今后繼續(xù)開發(fā)使用。圖1硬件平臺結構框圖2)網絡通信系統(tǒng)需要一個便宜、成熟并且提供高端嵌入式系統(tǒng)所必須特性的操作系統(tǒng),嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大又易于移植而正在被廣泛采用,成為嵌入式操作系統(tǒng)的首選。因此,在軟件體系上采用L inux216版本作為操作系統(tǒng)內核,并使用GNU工具鏈,包括編譯器、匯編器、庫、調試器和相關實用程序等 2 。根據(jù)以上，系統(tǒng)體系結構如圖2所示：圖2系統(tǒng)體系結構2.基于S3C2410的以太網接口電路以太網芯片采用了Cirrus Logic公

5、司生產的低功耗、性能優(yōu)良的16位以太網控制器CS8900A 3 。CS8900A包括片上RAM, 10Base2T傳輸和接受濾波器。該芯片的突出特點是使用靈活,其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都可以根據(jù)需要而動態(tài)調整,通過內部寄存器設置來適應不同的環(huán)境。為了工藝簡潔,采用內部帶有變壓器的RJ45。本系統(tǒng)選用的是中山漢任的HRA。網絡接口硬件電路原理圖如圖3。數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗,總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免是由CS8900A自己完成的。信號的發(fā)送和接收端通過RJ45接口接入CS8900A,再傳送給S3C2410,從而組成了以太網信號傳輸?shù)挠布ǖ馈?.嵌入式通信系統(tǒng)軟件設計本文的軟件系統(tǒng)設計采用

6、C/S(客戶機/服務器)模式,以S3C2410平臺作為服務器,以PC作為客戶端。服務器在得到客戶端的請求時將信息通過網絡傳給客戶端。下面討論通信系統(tǒng)軟件的具體設計與實現(xiàn) 4 。3.1 建立宿主機開發(fā)環(huán)境本文以PC為宿主機,帶有Fedora5系統(tǒng),開發(fā)環(huán)境就建立在這個平臺上。對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā),由于沒有足夠的資源在目標板上運行開發(fā)工具和調試工具,所以通常采用交叉編譯調試的方式。本文采用的交叉編譯器為arm2linux2gcc,開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具生成可執(zhí)行的二進制代碼。然后,把可執(zhí)行文件下載到目標機上運行。為了快速方便地下載,采用tftp方式,這就需要宿主機在宿主機上安

7、裝tftp 服務器,并進行配置。3.2 操作系統(tǒng)的移植嵌入式系統(tǒng)的存儲空間往往很有限, 需要把Linux系統(tǒng)根據(jù)實應用需求進行裁剪。對Linux進行裁減需要對L inux系統(tǒng)有完全的了解,如啟動過程、文件系統(tǒng)、目錄結構、系統(tǒng)工具文件等 5 。這一過程需要在空間和功能上加以權衡。其主要包括以下兩部分工作:3.2.1 Linux內核的移植針對系統(tǒng)的硬件,修改Linux2216內核,提供對S3C2410的支持和必要的設備驅動。由于在本系統(tǒng)所采用的Linux216內核中,S3C2410 CPU已經成為一種標準支持,因此關于內核移植部分的工作量就大大減少了,所需要做的就只剩下修改網卡驅動、加入支持Cra

8、mfs文件系統(tǒng)的選項、添加NAND Flash啟動初始化代碼等工作了。由于論文篇幅所限,具體工作請參考相關資料。3.2.2 文件系統(tǒng)的設計為了提供L inux運行所必需的環(huán)境,需提供文件系統(tǒng)。在嵌入式環(huán)境下,內存和外存資源都需要節(jié)約使用。Cramfs不會影響系統(tǒng)讀取文件的速度,而且是一個高度壓縮的文件系統(tǒng),因此非常廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用Cramfs文件系統(tǒng), 包括如下內容: 目錄/dev, /p roc, /bin, / etc, / lib, /usr, / tmp,最基本的應用程序如sh, ls, cp,mv等,最低限度的配置文件如inittab、fstab 等, 設備文件如/

9、dev/mtd 3 , /dev/ console 等。此外,還應包括程序運行所需的函數(shù)庫。由于以上所需文件遠超過1144MB,因此文件系統(tǒng)的構建主要采用busybox和其他必要的工具。3.3Linux環(huán)境下Socket 6網絡通信編程Linux是和網絡密切相關的,其自身也常常被用來支持各種應用的網絡需求。Socket在所有網絡操作系統(tǒng)和網絡應用程序中都是必不可少的,它是網絡通信中應用進程和網絡協(xié)議之間的接口。Socket接口是為方便開發(fā)人員進行TCP / IP程序開發(fā),而為TCP / IP協(xié)議所開發(fā)的一組應用程序接口。當服務器和應用程序需要和其他進程通信時就需創(chuàng)建套接口。套接口地址的格式是一

10、個IP地址和一個端口號,套接口是進程間通信的端點,每個套接口的名字都是惟一的,所以依靠套接口來確定整個Internet域中的一個網絡進程。TCP和UDP是傳輸層協(xié)議,TCP是保證傳輸?shù)拿嫦蜻B接的協(xié)議,而UDP是無連接協(xié)議,不能保證消息傳送到目的地。本設計選擇TCP協(xié)議,運用流式Socket編程技術實現(xiàn)服務器端、客戶端之間的通信,圖4是網絡通信程序流程。服務器端主要用到的函數(shù)有: socket（）、bind（）、listen( )、accep t ( )等。用ARM2L inux2gcc交叉編譯工具編譯服務器端程序TCPSever. c 生成可執(zhí)行程序TCPSever。再將可執(zhí)行應用程序加入到C

11、ramfs文件系統(tǒng)里,下載到裝有L inux內核的ARM開發(fā)板上。客戶端主要用到的函數(shù)有Socket ( ) , connect ( )。用gcc編譯客戶端程序TCPClient. c生成可執(zhí)行程序TCPClient。3.4網絡通信測試為了驗證ARM嵌入式開發(fā)板上服務器端的通信能力,在PC機上打開minicom環(huán)境,啟動開發(fā)板,裝載在開發(fā)板內的bootloader信息和L inux內核的啟動過程就會顯示在minicom里。待操作系統(tǒng)啟動后,按“Enter”鍵,就進入L inux的命令行模式。在提示符下,用ls命令查看開發(fā)板的文件系統(tǒng),可以看到TCPServer;給開發(fā)板配置IP,在此開發(fā)板的I

12、P地址要和與之通信的客戶端PC的IP地址在同一網段;給該通信分配端口號2000, 運行. /TCPServer2000,如圖5 ( a)所示。在PC機的Linux環(huán)境下打開一終端作為客戶端的測試窗口,進入TCPClient所在的目錄, 執(zhí)行命令. /TCPClient ,即客戶端向服務器請求建立連接,服務器接收到請求并連接成功后則顯示信息“Server get connec2tion from 24”。其中, 24是客戶機的IP地址。客戶端再向服務器發(fā)出測試信息,服務器收到信息后作出判斷處理,將字符串中所有的小寫字母轉變成大寫字母,其他信息不變,然后將處理后的信息再發(fā)送給客戶端。如圖5 ( b

13、)所示。測試結果表明,通信正常,程序反應速度較快,達到了預期的設計目標。4結束語憑借ARM9的強大性能與嵌入式L inux的開放靈活性,本文提出了一套基于S3C2410平臺和嵌入式linux的網絡通信系統(tǒng)的具體設計與實現(xiàn),并給出了實驗結果。實驗結果證明:作為服務器的嵌入式設備可以穩(wěn)定運行,及時向發(fā)出請求的客戶端回復信息。與其他傳輸信號方式(如RS485等)相比,本設計穩(wěn)定,傳輸速度快,符合網絡扁平化趨勢。本設計經過簡單的功能擴展,可廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控,也可以與其他系統(tǒng)如門禁系統(tǒng)相結合獲得門開或關時現(xiàn)場的重要數(shù)據(jù),在未來的發(fā)展中必將贏得更廣闊的發(fā)展空間。參考文獻: 1 喬曉丹,張鵬. 一個基于L inux操作系統(tǒng)的嵌入式網關的實現(xiàn) J . 微計算機信息, 2005, 21 (722) : 26228. 2 孫紀坤,張小全. 嵌入式L inux系統(tǒng)開發(fā)技術詳解基于ARMM . 北京:人民郵電出版社, 2006. 3 孫天澤,袁文菊. 嵌入式設計及L inux驅動開發(fā)指南基于ARM