1、西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofNorthwestUniversity(NaturalScienceEdition)基于ARM9的嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)曹慶年,趙博,孟開(kāi)元(西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西西安710065)摘要:目的設(shè)計(jì)基于ARM9平臺(tái)的嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。方法選用S3C2410微處理器與工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900A進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì);軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)、制作cramfs根文件系統(tǒng)和創(chuàng)建socket套接口的服務(wù)器和客戶端應(yīng)用程序構(gòu)建了以ARM9和嵌入式Linux系統(tǒng)為平臺(tái)的服務(wù)器,。結(jié)論基于ARM9關(guān)鍵詞:S3C2

2、410;嵌入式系統(tǒng);L中圖分類號(hào):TP368:2274(2009)0120047205,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。Internet現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一,是信息流通的重要渠道,如何讓嵌入式設(shè)備連接到Internet上,和其他通信系統(tǒng)進(jìn)行信息交換是當(dāng)前嵌入式技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)所在。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,詳細(xì)研究實(shí)現(xiàn)了一種基于S3C2410平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。要求。1圖1為硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)。CPUS3C2410模塊是開(kāi)發(fā)板的核心部件。S3C2410在包含ARM920T核的同時(shí),增加了豐富的外圍資源,主要包括1個(gè)LCD控制器,支持STN和

3、TFT液晶顯示屏;3個(gè)通道UART;4個(gè)通道DMA;4個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和1個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器,1嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)大量的資料收集比較,深入地研究分析并結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,我們對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)做出了以下選擇:1)目前嵌入式CPU很多,選擇哪款CPU要根據(jù)自己產(chǎn)品的實(shí)際需要。一般而言,首先應(yīng)盡量選擇系統(tǒng)集成度高、外圍電路簡(jiǎn)潔的CPU;其次,還應(yīng)綜合考察CPU的各項(xiàng)性能指標(biāo);最后,還應(yīng)該考慮軟硬件開(kāi)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(jīng)過(guò)比較,本設(shè)計(jì)采用三星的S3C2410微處理器。這是一款高性價(jià)比、低功耗、高集成度的CPU,基于ARM

4、920T內(nèi)核,主頻最高為203MHz,專為手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計(jì),能滿足嵌入式系統(tǒng)中的低成本、低功耗、高性能、小體積的收稿日期:2008206211基金項(xiàng)目:陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2006F44)作者簡(jiǎn)介:曹慶年,男,陜西西安人,西安石油大學(xué)副教授,從事通信工程、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 圖1硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Thehardwarestructurediagram支持外部時(shí)鐘源;8通道10位AD

5、C,最高速率可達(dá)500kB/s;觸摸屏、IIS總線、SD卡和MMC卡接口;48西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷117位通用I/O口和24位外部中斷源。存儲(chǔ)系統(tǒng)包括64MB的NANDFlash存儲(chǔ)器模塊和SDRAM存儲(chǔ)器模塊;Flash用于存放嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)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(yùn)行時(shí)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(wǎng)接口模塊;以太網(wǎng)接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道,UART接口則通過(guò)RS232可以和宿主機(jī)做串口通訊。JTAG調(diào)試接口用于系統(tǒng)的嵌入式調(diào)試。擴(kuò)展總線擴(kuò)展出了系統(tǒng)總線供今后繼續(xù)開(kāi)發(fā)使用。2)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)需要一個(gè)便宜

6、、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(jià)格低廉、功能強(qiáng)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Linux216內(nèi)核,并使用GNU2根據(jù)以上,2所示:器)模式,以S3C2410平臺(tái)作為服務(wù)器,以PC作為客戶端。服務(wù)器在得到客戶端的請(qǐng)求時(shí),將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給客戶端。下面討論通信系統(tǒng)軟件的具體4設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。3.1建立宿主機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境本文以PC為宿主機(jī),帶有Fedora5系統(tǒng),開(kāi)發(fā)環(huán)境就建立在這個(gè)平臺(tái)上。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),由于沒(méi)有足夠的資源在目標(biāo)板上運(yùn)行開(kāi)發(fā)工具和調(diào)試工具,所以通常采用交叉編譯調(diào)試的方式。本文采用的交叉編譯器

7、為arm2linux2gcc,開(kāi)發(fā)時(shí)使用宿主機(jī)上的交叉編譯、匯編及連接工具生成可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。然后,采用tftp方式,這tftp服務(wù)器,并進(jìn)行.2操作系統(tǒng)的移植嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間往往很有限,需要把Linux系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪。對(duì)Linux進(jìn)行裁減需要對(duì)Linux系統(tǒng)有完全的了解,如啟動(dòng)5過(guò)程、文件系統(tǒng)、目錄結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工具文件等。這一過(guò)程需要在空間和功能上加以權(quán)衡。其主要包括以下兩部分工作:3.2.1Linux內(nèi)核的移植針對(duì)系統(tǒng)的硬件,修改Linux2216內(nèi)核,提供對(duì)S3C2410的支持和必要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。由于在本系統(tǒng)所采用的Linux216內(nèi)核中,S3C2410CPU已經(jīng)成為一

8、種標(biāo)準(zhǔn)支持,因此關(guān)于內(nèi)圖2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2Thesystemarchitecture2基于S3C2410的以太網(wǎng)接口電路以太網(wǎng)芯片采用了CirrusLogic公司生產(chǎn)的低3功耗、性能優(yōu)良的16位以太網(wǎng)控制器CS8900A。CS8900A包括片上RAM,10Base2T傳輸和接受濾波器。該芯片的突出特點(diǎn)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(dòng)態(tài)調(diào)整,通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境。為了工藝簡(jiǎn)潔,采用內(nèi)部帶有變壓器的RJ45。本系統(tǒng)選用的是中山漢任的HR901103A。網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路原理圖如圖3。數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗(yàn),總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測(cè)與避免是由CS8900A自

9、己完成的。信號(hào)的發(fā)送和接收端通過(guò)RJ45接口接入CS8900A,再傳送給S3C2410,從而組成了以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)挠布ǖ馈：艘浦膊糠值墓ぷ髁烤痛蟠鬁p少了,所需要做的就只剩下修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、加入支持Cramfs文件系統(tǒng)的選項(xiàng)、添加NANDFlash啟動(dòng)初始化代碼等工作了。由于論文篇幅所限,具體工作請(qǐng)參考相關(guān)資料。3.2.2文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了提供Linux運(yùn)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(nèi)存和外存資源都需要節(jié)約使用。Cramfs不會(huì)影響系統(tǒng)讀取文件的速度,而且是一個(gè)高度壓縮的文件系統(tǒng),因此非常廣泛應(yīng)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(nèi)容:目錄/dev,/p

10、roc,/bin,/etc,/lib,/usr,/tmp,最基本的應(yīng)用程序如sh,ls,cp,mv等,最低限度的配置文件如inittab、fstab等,設(shè)備文件如/dev/mtd3,/dev/console等。此外,還應(yīng)包括程序運(yùn)行所需的函數(shù)庫(kù)。由于以上所需文件遠(yuǎn)超過(guò)1144MB,因此文件系統(tǒng)的構(gòu)建主要采用busybox和其他必要的工具。6313Linux環(huán)境下Socket網(wǎng)絡(luò)通信編程Linux是和網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)的,其自身也常常被用來(lái)支持各種應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求。Socket在所有網(wǎng)絡(luò)操3嵌入式通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C/S(客戶機(jī)/服務(wù)第1期曹慶年等:基于ARM9的嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)

11、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)49圖3網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路原理圖Fig.3Theinterfacecircuitofnetwork。圖4網(wǎng)絡(luò)通信程序流程圖Fig.4Theprocessfornetworkcommunicationprogram503.4網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷為了驗(yàn)證ARM嵌入式開(kāi)發(fā)板上服務(wù)器端的通信能力,在PC機(jī)上打開(kāi)minicom環(huán)境,啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板,裝載在開(kāi)發(fā)板內(nèi)的bootloader信息和Linux內(nèi)核的啟動(dòng)過(guò)程就會(huì)顯示在minicom里。待操作系統(tǒng)啟動(dòng)后,按“Enter”鍵,就進(jìn)入Linux的命令行模式。在提示符下,用ls命令查看開(kāi)發(fā)板的文件系統(tǒng),可以看到TCPS

12、erver;給開(kāi)發(fā)板配置IP,在此開(kāi)發(fā)板的IP地址要和與之通信的客戶端PC的IP地址在同一網(wǎng)段;給該通信分配端口號(hào)2000,運(yùn)行./TCPServer2000,如圖5(a)所示。在PC機(jī)的Linux環(huán)境下打。圖5C/S網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試結(jié)果Fig.5TheresultofC/Scommunication的實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(722):26228.4結(jié)語(yǔ)憑借ARM9的強(qiáng)大性能與嵌入式Linux的開(kāi)放靈活性,本文提出了一套基于S3C2410平臺(tái)和嵌入式linux的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:作為服務(wù)器的嵌入式設(shè)備可以穩(wěn)定運(yùn)行,及時(shí)向發(fā)出請(qǐng)求的客戶端回復(fù)

13、信息。與其他傳輸信號(hào)方式(如RS485等)相比,本設(shè)計(jì)穩(wěn)定,傳輸速度快,符合網(wǎng)絡(luò)扁平化趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的功能擴(kuò)展,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控,也可以與其他系統(tǒng)如門禁系統(tǒng)相結(jié)合獲得門開(kāi)或關(guān)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的重要數(shù)據(jù),在未來(lái)的發(fā)展中必將贏得更廣闊的發(fā)展空間。2孫紀(jì)坤,張小全.嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)詳解基于ARMM.北京:人民郵電出版社,2006.南基于ARM9處理器M.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2007.4倪繼利.Linux內(nèi)核分析及編程M.北京:電子工業(yè)出版社,2002.的建構(gòu)J.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(2):2502252.分析J.西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,35(5):5

14、192522.(編輯曹大剛)參考文獻(xiàn):(下轉(zhuǎn)第54頁(yè))54西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷族學(xué)院學(xué)報(bào),2006,8(1):61263.6鐘建林.試論校園網(wǎng)“軟網(wǎng)源”建設(shè)的若干原則J.廣參考文獻(xiàn):1劉德安,房鼎益,劉智勇,等.西北大學(xué)校園網(wǎng)(NWU2net)方案設(shè)計(jì)J.西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1996,26(3):1852189.2周赟.淺談?dòng)?jì)算機(jī)校園網(wǎng)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)時(shí)代,2004(2):31233.9徐捷.高校數(shù)字化校園建設(shè)的探討J.吉林師范大學(xué)校聯(lián)合學(xué)報(bào),2005,7(2):54256.4朱小平,周柳燕.論校園網(wǎng)的內(nèi)容與應(yīng)用J.吉林廣學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,27(1):89291.播

15、電視大學(xué)學(xué)報(bào),2005(1):1202121.5馬帥營(yíng).多媒體教室與校園網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展J.大連民(編輯曹大剛)ThecomprehensivesolutiontoappliongandmanagementincoordinationwithvianetworkLILinei,123(1.CollegeofNetworkEducation,Xian710072,China;2.TheFacultyofScience,AirForceEngineeringUniversity,3.HuaweiOpticElectricTechnologyCo.Ltd,Xian710118,China)Abstrac

16、t:AimTopoblemoflackingapplicationinnovationinteachingwithinthecampusnetwork.MethodsAdoptingthemostadvancedtechnologyinsynchronizingdataandvideoandestablishingasystemofcampusnetworkteachingandteachingadministrationwiththeadaptationofvideodatasynchronizingtechnology.ResultsTheapplicantionhasprovidedth

17、edesignplanofthecampusnetworkvideodatasynchronizingapplicationsystem,thedesignplanofitsfunctions,theanalyzingplanofthesystemconfiguration,andthemeansofoptimizingthesystem.ConclusionTheplanofapplyingthemodernnetworkvideoanddatasynchronizingtechnologyinteachingandvideoteachingadministrationisfeasible.

18、Keywords:campusnetwork;networkvideo;teachingprocess;teachingmanagement(上接第50頁(yè))DesignandrealizationofembeddedlinuxnetworkcommunicationsystembasedonARM9platformCAOQing2nian,ZHAOBo,MENGKai2yuan(CollegeofComputerScience,XianShiyouUniversity,Xian710065,China)Abstract:AimTodesigntheEmbeddedLinuxNetworkCommunicationSystemBasedonARM9Platform.