基于arm的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術研究-畢業(yè)設計論文

PAGEPAGE40摘要基于ARM處理器的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術結合了嵌入式設備工作穩(wěn)定，實時性好，集成度高，環(huán)境適應能力強，成本低等優(yōu)點與網(wǎng)絡覆蓋廣泛及接口具有良好通用性的優(yōu)點，在各種數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)場中具有越來越廣泛的應用前景。本文是基于RAM處理器的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術的研究，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)以圖像數(shù)據(jù)的傳輸為例，并且研究對象采用了通過網(wǎng)絡傳輸圖像數(shù)據(jù)的應用系統(tǒng)，所以本文提出在單芯片上實現(xiàn)全局控制+輕量級RTOS內核+精簡TCP/IP協(xié)議棧的系統(tǒng)架構方式，設計一個基于S3C2440開發(fā)板的網(wǎng)絡圖像數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)那度胧较到y(tǒng)。關鍵詞：網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸嵌入式LinuxTCP/IP協(xié)議AbstractUnifiedtheembeddedequipmentworkbasedontheARMprocessornetworkdatatransmissiontechnologytobestable,timelinesswasgood,theintegrationratewashigh,environmentadaptiveness,thecostlowstatusmeritandthenetworkcoverwidespreadandtheconnectionhadthegoodversatilemerit,hadthemoreandmorewidespreadapplicationprospectineachkindofdatatransmissionscene.ThisarticleisbasedontheRAMprocessornetworkdatatransmissiontechnologyresearch,thenetworkdatataketheimagedatatransmissionasanexample,andtheobjectofstudyhasusedthroughthenetworktransmissionimagedataapplicationsystem,thereforethisarticleproposedrealizestheoverallsituationcontrol+lightweightRTOSessenceonthesinglechip+tosimplifytheTCP/IPagreementstackthesystemconstructionway,designsonebasedontheS3C2440developmentboardnetworkimagedatareal-timetransmissionembeddedsystem.Keywords：DataTransmissionNetworkEmbeddedLinuxTCP/IPAgreement目錄第一章緒論 11.課題的背景及其意義 12.本文所做工作 1第二章嵌入式系統(tǒng)及圖像的網(wǎng)絡傳輸 32.1嵌入式系統(tǒng)概述 32.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義 32.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點 32.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成 42.1.4嵌入式Linux 52.1.5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與調試 52.2基于嵌入式系統(tǒng)的圖像的網(wǎng)絡傳輸 62.3嵌入式網(wǎng)絡傳輸?shù)膱D像壓縮算法 6本章小結 7第三章基于嵌入式系統(tǒng)的圖像網(wǎng)絡傳輸?shù)南到y(tǒng)設計 83.1系統(tǒng)結構設計 83.2硬件平臺設計 93.2.1S3C2440體系結構及特點 93.3軟件設計 13本章小結 13第四章TCP/IP協(xié)議概述 144.1網(wǎng)絡分層結構 144.1.1OSI七層參考模型 144.1.2TCP/IP參考模型 154.2TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議 164.2.1嵌入式TCP/IP協(xié)議 164.2.2IP協(xié)議 164.2.3UDP/TCP協(xié)議 174.2.4ARP協(xié)議 17本章小結 17第五章基于嵌入式系統(tǒng)的圖像網(wǎng)絡傳輸?shù)能浖O計 195.1LINUX在ARM硬件平臺上的移植 195.1.1移植環(huán)境 195.1.2建立交叉編譯環(huán)境 195.1.3BOOTLOADER 205.2燒寫和啟動LINUX以及LINUX內核編譯 225.2.1燒寫Linux內核 225.2.2燒寫根文件系統(tǒng) 225.2.3啟動Linux 235.2.4安裝編譯工具 235.2.5編譯內核 245.2.6cramfs根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建 245.3嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設計 255.3.1ARP協(xié)議的實現(xiàn) 265.3.2IP協(xié)議與ICMP協(xié)議的實現(xiàn) 275.3.3TCP與UDP協(xié)議的實現(xiàn) 29本章小結 32第六章總結與展望 336.1全文總結 336.2不足與展望 33參考文獻 35致謝 37附錄 38第一章緒論1.課題的背景及其意義數(shù)據(jù)信號獲取以及轉移可以采用直接存儲在采集現(xiàn)場本地，收集一段時間的數(shù)據(jù)后由工作人員到采集現(xiàn)場將數(shù)據(jù)取回，或者通過某種途徑實時傳輸?shù)胶蠖?，前者對實時性要求比較高的場合以及某些較為危險的工業(yè)現(xiàn)場缺乏實用價值，后者能實時將采集的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)娇刂贫?，較為及時地反映出采集現(xiàn)場的實際情況，無疑具有更多的靈活性與實用價值，同時由于Internet的廣泛的覆蓋以及接口的通用性，傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^網(wǎng)絡來進行，將會使成本降低并且讓系統(tǒng)規(guī)劃的難度減小的優(yōu)勢。采用通過網(wǎng)絡實時傳輸數(shù)據(jù)的方式可以采用傳統(tǒng)的PC+數(shù)據(jù)采集卡的方式或者基于具備網(wǎng)絡功能的嵌入式設備的方式，前者雖然具備實現(xiàn)簡單，功能多樣化的優(yōu)點，但也存在體積龐大，穩(wěn)定性低，在惡劣環(huán)境中難以工作，成本較高，功能不可裁減等劣勢，相比較而言，嵌入式設備具備工作穩(wěn)定，易于攜帶和安裝，操作靈活的特點，同時還具有實時性好，集成度高，環(huán)境適應能力強，系統(tǒng)成本低，同時也易于根據(jù)實際需要進行功能的添加與裁減等優(yōu)點，在各種數(shù)據(jù)信號獲取的各種應用場合，將得到越來越廣泛的應用，是今后的一個發(fā)展趨勢。在網(wǎng)絡中傳輸圖像數(shù)據(jù)，由于網(wǎng)絡的傳輸速率有限，為了實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，必須對圖像進行壓縮，無損壓縮的壓縮比比較低，對降低碼率的貢獻有限，所以在對圖像質量沒有精確要求的情況下通常采用有損壓縮算法。由于嵌入式系統(tǒng)具有計算能力有限的特性，而這是設計面向一般PC或者工作站的圖像壓縮算法所不需要考慮的，其壓縮算法有其固有的特點，需要單獨對其進行研究。目前針對嵌入式系統(tǒng)進行圖像壓縮的工作，主要集中在對動態(tài)圖像實時壓縮算法實現(xiàn)的研究和基于專用圖像壓縮芯片構架實用系統(tǒng)上，對于對成本敏感，每秒需要傳輸?shù)膱D像的幀數(shù)只要求在若干幀以內的場合下適用的壓縮算法的研究還鮮有所聞，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術和Internet的迅速發(fā)展，越來越多圖像獲取設備將接入網(wǎng)絡，這種較為低端的網(wǎng)絡圖像傳輸設備的應用將越來越廣泛，對于其上的圖像壓縮算法的進行一定的探討，實現(xiàn)一個同時具備網(wǎng)絡功能和圖像壓縮功能的嵌入式設備，對該領域進行一次有益的探索與嘗試，是一項很有意義的工作。2.本文所做工作本文第二章介紹了相關的背景知識，包括嵌入式系統(tǒng)，圖像的網(wǎng)絡傳輸，以及兩者相結合的討論。第三章從系統(tǒng)架構的角度對實現(xiàn)的系統(tǒng)進行描述，介紹了系統(tǒng)總體方案，芯片選型的考慮和系統(tǒng)集成的具體工作。第四章重點介紹了TCP/IP協(xié)議以及相關協(xié)議，為下一章的的網(wǎng)絡傳輸TCP/IP協(xié)議的設計做好理論鋪墊。第五章全面地介紹了系統(tǒng)的軟件設計工作，包括操作系統(tǒng)的移植過程，嵌入式TCP/IP協(xié)議的設計，以及在應用層實現(xiàn)網(wǎng)絡圖像數(shù)據(jù)傳輸。第六章對全文進行簡明的總結，并對該領域的研究進行展望。第二章嵌入式系統(tǒng)及圖像的網(wǎng)絡傳輸2.1嵌入式系統(tǒng)概述2.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義根據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義，嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置（devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，maehineryorplants）。嵌入式系統(tǒng)定義：是現(xiàn)代科學的多學科互相融合的以應用技術產(chǎn)品為核心，以計算機技術為基礎，以通信技術為載體，以消費類產(chǎn)品為對象，引入各類傳感器，進入Internet網(wǎng)絡連接，適應應用環(huán)境的產(chǎn)品。2.1.2嵌入式系統(tǒng)的特點（1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的。嵌入式系統(tǒng)的專用性很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般需要針對硬件進行系統(tǒng)的移植，同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。（2）系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。（3）高實時性嵌入式操作系統(tǒng)。這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固態(tài)存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性、實時性。（4）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。（5）嵌入式軟件開發(fā)走向標準化。為了合理地調度多任務、利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及和專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（RealTimeOperatingSystem）開發(fā)平臺，這樣才能保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。（6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，即使設計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。開發(fā)時往往有主機和目標機的概念，主機用于程序的開發(fā)，目標機作為最后的執(zhí)行機，開發(fā)時需要交替結合進行。2.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。圖2.1嵌入式系統(tǒng)的組成框圖1．專用硬件包括嵌入式處理器、存儲器和I/O端口及外圍設備等。其核心是嵌入式處理器。嵌入式處理器一般具備以下4個特點：①對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執(zhí)行時間減少到最低限度；②具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷；③可擴展的處理器結構，以能最迅速地開發(fā)出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器為準；④嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備，靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此。2．應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，包括操作系統(tǒng)軟件和應用程序。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式系統(tǒng)軟件的特征如下：①軟件要求固態(tài)化存儲。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不存貯于磁盤等載體中；②軟件代碼高質量、高可靠性。盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。為此要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度；③系統(tǒng)軟件（OS）的高實時性是基本要求。在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵，單純通過提高處理器速度是無法完成和沒有效率的，這種任務調度只能由優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件來完成。2.1.4嵌入式Linux本文選擇的嵌入式系統(tǒng)為Linux。嵌入式Linux支持多種體系結構，有強大的網(wǎng)絡功能支持，支持多文件系統(tǒng)，有豐富的外設驅動，此外Linux還具備一整套工具鏈，使用戶容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、交叉運行環(huán)境，并且可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。一般開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的程序調試和跟蹤都是使用仿真器來實現(xiàn)的，而使用Linux系統(tǒng)做原型的時候，可以繞過這個障礙，直接使用內核調試器來做操作系統(tǒng)的內核調試和查錯。嵌入式應用系統(tǒng)的體系結構可用圖2.2分層方式描述：第五層嵌入式應用軟件第四層中間支撐軟件層第三層硬件無關的操作系統(tǒng)內核層第二層硬件抽象層（HAL）第一層硬件系統(tǒng)圖2.2嵌入式應用系統(tǒng)的體系結構分層體系結構層與層之間的依賴關系是上層完全依賴于下層，這種依賴主要是由明確定義的接口來實現(xiàn)的，能很好的滿足體系結構的要求。2.1.5嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與調試由于開發(fā)平臺受到存儲容量和功能的限制，嵌入式應用的開發(fā)和調試需要借助一套專門的開發(fā)工具和軟硬件環(huán)境來完成。硬件環(huán)境包括：具有文件傳送功能的宿主機，具有編譯調試功能的仿真器。軟件包括：操作系統(tǒng)軟件、編譯調試軟件、文件傳輸軟件等。嵌入式應用系統(tǒng)設計完成以后，一般不具備在其上進行進一步開發(fā)的能力，如果要進行功能的擴充和改進，必須在宿主機上進行重新設計。嵌入式應用軟件開發(fā)可以通過兩種途徑進行：一種是直接利用匯編和嵌入式高級語言對硬件編程，由于嵌入式程序具有直接在CPU芯片上運行的能力，這種程序只需要在其開發(fā)調試仿真器環(huán)境下編譯運行通過后直接下載ROM即可；第二種是為了利用CPU的強大功能，便于對硬件和軟件的管理，引入嵌入式的操作系統(tǒng)和相應的編譯環(huán)境，由操作系統(tǒng)來管理軟硬件資源(存儲管理，文件管理，進程管理，中斷管理等)。由于操作系統(tǒng)對高級語言(C語言)的支持和其強大的網(wǎng)絡功能，我們可以進行高級語言的編程，屏蔽對低層的直接訪問，使得具有復雜功能的應用程序的編寫和實現(xiàn)變得更加容易和方便。2.2基于嵌入式系統(tǒng)的圖像的網(wǎng)絡傳輸在網(wǎng)絡中傳輸圖像數(shù)據(jù)，由于網(wǎng)絡的傳輸速率有限，為了實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，必須對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮，無損壓縮的壓縮比比較低，對降低碼率的貢獻有限，所以在對圖像質量沒有精確要求的情況下通常采用有損壓縮算法。由于嵌入式系統(tǒng)具有計算能力有限的特性，需要基于該特點考慮具有適用性和實用性的壓縮算法。目前針對嵌入式系統(tǒng)進行圖像壓縮的工作，主要集中在以下的兩個方面：（1）動態(tài)圖像的實時壓縮：要求對視頻信號進行實時的壓縮，壓縮算法基于通用的標準，應用為視頻監(jiān)控系統(tǒng)或者視頻會議系統(tǒng)，標準為MPEG-2，MPEG-4，H.264等，一般使用高端數(shù)字信號處理器如TI的6200系列或者Philps的Trimedia來實現(xiàn)算法，配合處理能力強的高端控制器如ARM9，XScale，使用嵌入式Linux或者嵌入式WindowsXP作為操作系統(tǒng)，或者是使用高中端處理器配合視頻壓縮專用芯片來構架系統(tǒng)，這種技術的典型應用是銀行系統(tǒng)中的24小時實時監(jiān)控錄像，特點是對實時性要求高，要求壓縮后重建的圖像質量好，對成本較不敏感。（2）靜態(tài)圖像的高質量壓縮：要求重建后的圖像與原圖相差極小，一般使用無損壓縮或者根據(jù)JPEG2000標準進行低壓縮比有損壓縮，使用中檔數(shù)字信號處理器如TI的6711配合中檔處理器。典型應用是醫(yī)學圖像采集與存儲系統(tǒng)，特點為對重建的圖像質量要求高。2.3嵌入式網(wǎng)絡傳輸?shù)膱D像壓縮算法本文所考慮的應用方向是在嵌入式系統(tǒng)上的壓縮算法，因此采用基于零樹小波編碼的算法。該算法具有以下特點：（1）算法思想簡潔，易于通過程序實現(xiàn)，并且可以通過對原有算法某些步驟的改善與省略實現(xiàn)精簡的目的；（2）零樹小波編碼是一種嵌入式編碼，編碼所得的比特流按其重要性排序，可以在任意一點結束編碼，允許精確度達到一個目標壓縮率和目標比特率，而仍能確切地產(chǎn)生同樣的圖像。基于零樹小波編碼的算法進行圖像壓縮大體需要經(jīng)過以下步驟：（1）選擇小波基及其對應的小波濾波器；（2）輸入待壓縮圖像點值序列；（3）給出分解層數(shù)L和圖像數(shù)據(jù)向量長度k；（4）對源圖像采用分解算法進行小波變換，得到不同層次不同圖號的子圖；（5）根據(jù)不同層次不同子圖的特點，對相應小波系數(shù)的各個部分進行嵌入式編碼。反過來，在恢復圖像(圖像解壓縮)時，需先根據(jù)密碼書還原出各層小波系數(shù)，最后利用重構算法對還原后的小波系數(shù)進行反變換以重建源圖像。本章小結本章對嵌入式系統(tǒng)的定義、特點以及本文所采用的嵌入式操作系統(tǒng)Linux進行介紹，并介紹了嵌入式網(wǎng)絡與圖像獲取結合的優(yōu)點，同時分析了圖像采集速率要求不高的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)的壓縮算法的特點，得出零樹小波算法作為其壓縮算法較佳的結論。第三章基于嵌入式系統(tǒng)的圖像網(wǎng)絡傳輸?shù)南到y(tǒng)設計本文設計的系統(tǒng)是面向成本敏感，每秒需要傳輸?shù)膱D像的幀數(shù)只要求在若干幀以內的場合下適用的嵌入式圖像網(wǎng)絡傳輸應用，前面章節(jié)己經(jīng)說明該系統(tǒng)的理想實現(xiàn)模式是在一個中檔處理器上運行一個非標準的靜態(tài)圖像壓縮算法程序來實現(xiàn)壓縮。從系統(tǒng)設計的角度來考察，設計工作包括系統(tǒng)總體方案的考慮，硬件平臺的搭建與系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。3.1系統(tǒng)結構設計本系統(tǒng)結構框圖如下：圖3.1系統(tǒng)結構框圖由于系統(tǒng)同時需要進行圖像壓縮，數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，這些功能模塊之間存在并行執(zhí)行的可能性，引入操作系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)的多任務模式，利用操作系統(tǒng)提供的任務間通信機制對應用程序進行設計有利于降低應用程序的設計難度與提高其執(zhí)行效率。由于系統(tǒng)資源有限，網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)在軟件上由一個功能精簡的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)，該協(xié)議棧是TCP/IP協(xié)議棧的一個功能子集，只保留一些對于系統(tǒng)必須的協(xié)議（關于該協(xié)議棧的考慮，將在軟件設計部分詳細分析）。網(wǎng)絡接入方式的考慮，考慮到以太網(wǎng)技術的的優(yōu)點：成本低；速度在近年得到較大提高以及因普遍應用形成了廣泛支持（以太網(wǎng)是世界上應用最多的網(wǎng)絡，包括各種工業(yè)用網(wǎng)絡，有超過93%的網(wǎng)絡節(jié)點為以太網(wǎng)。）。選擇以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡接入方式使得系統(tǒng)具有較高的通用性與較強的適應性。從系統(tǒng)的功能考慮，硬件平臺的架構基于主控芯片+以太網(wǎng)控制器+其他必要外設，每一模塊的功能界定清晰，通過一定的接口設計工作各模塊之間可以很好地實現(xiàn)協(xié)調工作。系統(tǒng)設計根據(jù)設計的目標確定了本系統(tǒng)設計的框架，軟件與硬件的大體結構，是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎。下面將對硬件架構與軟件設計的具體實現(xiàn)進行說明。3.2硬件平臺設計圖3.2硬件結構框圖硬件平臺設計的首要工作是選擇主控芯片，對于本文設計系統(tǒng)，主控芯片是一個具有中等控制能力與計算能力的處理器，性價比較高，具備盡量多的系統(tǒng)所需的片上外設?；谶@樣的考慮，選擇ARM系列的三星公司的S3C2440處理器作為系統(tǒng)的主控芯片。3.2.1S3C2440體系結構及特點ARM（AdvancedRISCMachine）是基于精簡指令集的一種計算機體系結構實現(xiàn)，ARM系列的處理器當前有ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10等多個產(chǎn)品。所有的ARM處理器都共享ARM通用的基礎體系結構，所以開發(fā)者在不同的ARM處理器上做操作系統(tǒng)移植時，將可以節(jié)省工作量，這無疑將大大降低軟件開發(fā)成本。三星公司推出的S3C2440A處理器，是一個16/32位的RISC微處理器。內含ARM920T內核，ARM920T實現(xiàn)了MMU,AMBA,BUS和Harvard高速緩沖體系結構，其低功耗且全靜態(tài)設計特別適合對成本和功耗敏感型的應用。S3C2440微處理器提供了一系列完整的系統(tǒng)外圍設備圖3.3S3C2440結構框圖其中的ARM920T處理器內核采用哈佛結構，5級流水線（包括取指、分析、執(zhí)行、訪存、寫存）；分立的指令和數(shù)據(jù)Cache都是16KB，8個字的數(shù)據(jù)總線；采用增強的ARM體系V4的MMU，以提供對指令和數(shù)據(jù)地址的翻譯和訪問許可檢查；支持ARM調試結構，包含了輔助軟件和硬件調試的邏輯電路；還具有協(xié)處理器支持。ARM920T的功能模塊如圖3.4所示：ARM920T處理器的編程模型包括ARM9TDMI內核以及以下增加和更改。1．ARM920T處理器包含了兩個協(xié)處理器：CP14：允許軟件訪問調試通信通道。CP15：系統(tǒng)控制協(xié)處理器，提供附加的寄存器，用來配置和控制ARM920T的Cathe、MMU、保護系統(tǒng)、時鐘模式和其他系統(tǒng)操作，可以使用MCRM和RC訪問CP15定義的寄存器。2．提供了外部協(xié)處理器界面，允許在同一片上布置相關的協(xié)處理器，例如：一個浮點運算單元。可以用適當?shù)膮f(xié)處理器指令訪問任何一個掛接在外部協(xié)處理器界面上的協(xié)處理器的寄存器和并進行操作。3．取指，讀/寫數(shù)據(jù)的內存訪問可以放到Cahte中或緩沖器（Buffer）中。4．內存管理單元（MMU）頁表常駐主存，用來描述虛存到物理內存的轉換、訪問許可、Cathe和寫緩沖配置等。頁表被操作系統(tǒng)軟件所創(chuàng)建，任何時候，一個存儲訪問導致TLB丟失時，ARM920TMMU硬件都會自動訪問頁表。5．ARM920T有一個調試界面接口，允許使用硬件和軟件調試工具實時跟蹤指令和數(shù)據(jù)。圖3.4ARM920T功能塊圖1．S3C24401.2V內核供電，1.8V/2.5V/3.3V存儲器供電，3.3V外部I/O供電，具備16KB的I—Cache和16KB的D—Cache/MMU；外部存儲控制器(SDRAM控制和片選邏輯)；LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD專用DMA；4通道DMA并有外部請求引腳；3通道UART(IrDA1.0，16字節(jié)TxFIFO，和16字節(jié)RxFIFO)；2通道SPI；1通道主從ⅡC—BUS；1通道ⅡS—BUS音頻編解碼器接口；AC’97解碼器接口；兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版；2端口USB主機/1端口USB設備(1.1版)；4通道PWM定時器和1通道內部定時器/看門狗定時器；8通道10比特ADC和觸摸屏接口；具有日歷功能的RTC；相機接口（最大4096*4096像素的投入支持；2048*2048像素的投入，支持縮放）；130個通用I/0口和24通道外部中斷源；功耗控制模式：具有普通，慢速，空閑和掉電模式；具有PLL片上時鐘發(fā)生器。2．S3C2440地址空間分配：S3C2440支持兩種啟動模式：一種是從NANDFLASH啟動；一種是從NORFLASH啟動。在這兩種啟動模式下，各片選的存儲空間分配是不同的，這兩種啟動模式的存儲分配圖如下：圖3.5（a）圖是nGCS0片選的NORFLASH啟動模式下的存儲分配圖；（b）圖是NANDFLASH啟動模式下的存儲分配圖。在NANDFLASH模式啟動下，內部的4KBytesBootsRAM被映射到nGCS0片選的空間；在NORFLASH啟動模式下，與nGCS0相連的外部存儲器NORFLASH就被映射到nGCS0片選的空間。SDRAM地址空間：0x30000000~0x34000000。3．S3C2440總電源電路：圖3.6S3C2440總電源電路圖本系統(tǒng)主要采用2片SDRAM和1片F(xiàn)lash做為儲存器。SDRAM具有存取速度快的特點，適用于被訪問頻率較高的場合。由于本系統(tǒng)需要傳輸，存儲大量的數(shù)據(jù)，因此采用一片32位32MB的SDRAM專門存儲這些數(shù)據(jù)。另一片32MB的SDRAM供整個系統(tǒng)使用。Flash存儲器的特點是掉電不易丟失數(shù)據(jù)，適用于存放永久性數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用64MB的NANDFlash來固化操作系統(tǒng)內核，應用程序以及其他永久性數(shù)據(jù)。由于S3C2440沒有內置的以太網(wǎng)控制器，所以采用了低功耗，性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)網(wǎng)控制器——CS8900，它負責處理有關以太網(wǎng)數(shù)據(jù)楨的發(fā)送和接收。3.3軟件設計軟件設計工作主要包括系統(tǒng)啟動代碼編寫，各外設驅動程序編寫，操作系統(tǒng)選擇及移植，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫，應用程序設計等，其中啟動代碼，外設驅動程序（包括DMA，TIMER，中斷控制器，串口等）實現(xiàn)較為簡單，不再占用論文篇幅進行詳細介紹。操作系統(tǒng)選擇及移植，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫，應用程序設計的內容較多，且體現(xiàn)了本文主要的工作，為其單獨安排在第五章進行介紹。本章小結本章介紹了基于嵌入式系統(tǒng)的圖像網(wǎng)絡傳輸?shù)南到y(tǒng)設計的工作，主要討論了總體方案的考慮與硬件和軟件平臺的設計，介紹了本文所采用的芯片S3C2440處理器。第四章TCP/IP協(xié)議概述4.1網(wǎng)絡分層結構為了減少協(xié)議設計的復雜性，大多數(shù)網(wǎng)絡都按層（layer）或級（level）的方式來組織，每一層都建立在它的下層之上。不同的網(wǎng)絡，其層的數(shù)量、各層的名字、內容和功能都不盡相同。但在所有的網(wǎng)絡中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務，而把如何實現(xiàn)這一服務的細節(jié)對上一層加以屏蔽。關于協(xié)議分層，有兩個思想占據(jù)了該領域的主導地位。第一個思路基于國際標準化組織ISO早期所做的工作，稱為ISO的OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(opensysteminterconnectionreferencemodel)；第二個就是TCP/IP參考模型。4.1.1OSI七層參考模型圖4.1OSI七層網(wǎng)絡模型結構OSI參考模型是關于如何把開放式系統(tǒng)（即為了與其他系統(tǒng)通信而相互開放的系統(tǒng)）連接起來的。模型共有七層，現(xiàn)將其各主要功能分述如下：物理層（physicallayer）：涉及到通信在信道上傳輸?shù)脑急忍亓鳎饕幚頇C械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質等問題。數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）：主要任務是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對網(wǎng)絡層顯現(xiàn)為一條無錯線路。傳輸以幀的格式實現(xiàn)。其中還有一個特殊的子層——介質訪問子層，它主要控制對共享信道的訪問。網(wǎng)絡層（networklayer）：關鍵問題是確定分組從源端到目的端如何選擇路由。傳輸層（transportlayer）：基本功能是從會話層接收數(shù)據(jù)，并且在必要時把它分成較小的單元，傳遞給網(wǎng)絡層，并確定到達對方的各段信息準確無誤。通常會話層每請求建立一個傳輸連接，傳輸層就為其創(chuàng)造一個獨立的網(wǎng)絡連接。會話層（sessionlayer）：允許不同機器上的用戶建立會話關系，其服務有管理對話、令牌管理、同步等。表示層（presentationlayer）：完成某些特定的功能，如用一種大家一致同意的標準方法對數(shù)據(jù)編碼。應用層（applicationlayer）：包含大量人們普遍需要的協(xié)議，如文件傳輸。OSI模型的數(shù)據(jù)傳輸，是一個關鍵的概念，雖然數(shù)據(jù)的實際傳輸方向是垂直的，但每一層在編程時卻好像數(shù)據(jù)一直是水平傳輸?shù)摹?.1.2TCP/IP參考模型廣泛地講，TCP/IP軟件分成五個概念層次，建立在第五層上的是四個軟件層，圖4.2給出了這些概念性層次結構以及在這些層次之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式。圖4.2TCP/IP網(wǎng)絡層次模型及各層之間傳輸數(shù)據(jù)形式應用層（applicationlayer）：在這個最高層，用戶調用應用程序通過TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)來訪問可用的服務。與各個運輸層協(xié)議交互的應用程序負責接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸層（transportlayer）：基本任務是提供應用程序之間的通信服務，這種通信又叫端到端通信。不但要系統(tǒng)地管理信息的流動，還要提供可靠的傳輸服務，以確保數(shù)據(jù)到達無差錯，無亂序。網(wǎng)絡層（internetlayer）：用來處理機器之間的通信問題。其傳輸格式表現(xiàn)為IP數(shù)據(jù)報，還要根據(jù)需要發(fā)出和接受ICMP（Internet控制報文協(xié)議）差錯和控制報文。網(wǎng)絡接口層（networkinterfacelayer）：又稱數(shù)據(jù)鏈路層，負責接受IP數(shù)據(jù)報并把數(shù)據(jù)報通過選定的網(wǎng)絡發(fā)送出去。它包括一個設備驅動程序，也可能包括一個復雜的子系統(tǒng)，使用自己的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，如以太網(wǎng)協(xié)議。4.2TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP網(wǎng)絡以一種自治和對等的方式操作，互聯(lián)的計算機都可以作為主機出現(xiàn)，任一計算機的應用都可以動態(tài)地與對等計算機上的另一個應用建立一個連接，而不需要中心控制服務器。對等網(wǎng)絡的主要優(yōu)點是允許網(wǎng)絡范圍內的系統(tǒng)資源得到最大限度的共享。TCP/IP是一個網(wǎng)絡協(xié)議族，協(xié)議按上面所述不同的網(wǎng)絡層次進行開發(fā)，每一層分別復雜不同的通信功能，相應的有不同的協(xié)議。TCP/IP協(xié)議的核心是TCP、UDP和IP協(xié)議。4.2.1嵌入式TCP/IP協(xié)議嵌入式系統(tǒng)與TCP/IP網(wǎng)絡的互聯(lián)，這一技術在許多領域得以廣泛的應用。但由于網(wǎng)絡協(xié)議的復雜性與嵌入式系統(tǒng)的MCU相對簡單之間的矛盾，極大地制約了嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡化的進程。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議是以PC機、服務器為應用平臺的，協(xié)議復雜，功能強大，面面俱到，而且沒有實時的概念，這種情況與嵌入式系統(tǒng)的要求是格格不入的。嵌入式TCP/IP協(xié)議即是從以滿足嵌入式系統(tǒng)的實際需求為目的這一指導思想出發(fā)，建立在嵌入式Internet理論的基礎上，通過對龐大、功能齊全的TCP/IP協(xié)議的仔細研究，對標準的TCP/IP協(xié)議進行了一定的取舍，從而制定出了一套簡單的，適用于嵌入式系統(tǒng)的并且能完成相應網(wǎng)絡功能的協(xié)議，稱為嵌入式TCP/IP協(xié)議。4.2.2IP協(xié)議IP協(xié)議位于網(wǎng)絡層，是TCP/IP協(xié)議族中最核心的協(xié)議，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸。IP是一個無連接和不可靠協(xié)議，不可靠的意思是它不能保證IP數(shù)據(jù)包能成功地到達目的地，IP僅提供最好的傳輸服務，如果發(fā)生某種錯誤，IP丟棄該數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送ICMP消息包給信源端，任何要求的可靠性必須由上層來提供。無連接是指IP并不維護任何關于后續(xù)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息每個數(shù)據(jù)包的處理是相互獨立的，即IP數(shù)據(jù)包可以不按發(fā)送順序接受。IP最終要的作用是將數(shù)據(jù)包裝成為目的機IP地址的數(shù)據(jù)包；另一個重要的作用是將一個過長的數(shù)據(jù)包分解和重裝配；IP同樣也處理因數(shù)據(jù)包經(jīng)由ICMP而產(chǎn)生的傳輸問題；最后，IP規(guī)定網(wǎng)關設備如何處理數(shù)據(jù)包。4.2.3UDP/TCP協(xié)議UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)包的運輸層的協(xié)議。UDP和TCP都屬于IP上層的傳輸層協(xié)議，二者都使用端口號作為送往主機的解碼地址。UDP為維護數(shù)據(jù)包的整體性應盡最大可能地選用校驗。UDP數(shù)據(jù)包的可靠性是與IP相當?shù)?，UDP客戶機向指定的遠端主機發(fā)送數(shù)據(jù)包時，并沒事先確認對方是否做好了接收數(shù)據(jù)地準備，所以，遠端主機收到的數(shù)據(jù)包未能保證其正確的順序。但是由于TCP所傳數(shù)據(jù)流應用了順序號和應答措施，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失、段的失序和對傳輸錯誤的排除，所以TCP協(xié)議提供的是數(shù)據(jù)流的可靠傳輸。端口號表示發(fā)送進程和接受進程。需要指出的是由于IP層已經(jīng)把IP數(shù)據(jù)包分配給TCP或UDP（根據(jù)IP首部中協(xié)議字節(jié)段值），因此TCP端口號由TCP來查看，而UDP端口號由UDP來查看，TCP和UDP的端口號是相互獨立的。4.2.4ARP協(xié)議ARP地址解析協(xié)議，它是一個隱藏底層網(wǎng)絡物理編址、允許給每臺機器分配一個任意IP地址的底層協(xié)議。ARP提供的是一種把IP地址映射到物理地址的機制。因此我們要了解IP和物理地址兩種編址形式：IP地址：互聯(lián)網(wǎng)上的每個接口必須有一個唯一的Internet地址（也稱IP地址），IP地址長32bit。物理地址：該地址用來指明計算機所安裝的網(wǎng)卡的地址，網(wǎng)卡地址是由IEEE統(tǒng)一分配給網(wǎng)卡制造商的，每個網(wǎng)卡的地址在世界范圍內是唯一的。所有的物理地址的MSB位的值為零，即48位網(wǎng)卡地址的最高位位“0”。以太網(wǎng)中所說的目的地址和源地址都是指物理地址。ARP是在源主機不知目的地址的前提下才需要的。協(xié)議的實現(xiàn)可以從兩個方面來考慮：一是發(fā)送方，在以太網(wǎng)幀的傳輸中是以物理地址為目的地址的，但在應用層我們是以網(wǎng)絡的IP地址來操作的，當給定一個目的站的IP地址時，發(fā)送方軟件會查詢它的ARP緩存，看是否有從該IP地址到物理地址的映射，若有，則軟件提取該物理地址，把數(shù)據(jù)放到使用該地址的幀中，并發(fā)送該幀，若沒有，則軟件必須廣播一個ARP請求并等待應答。從接收方考慮，如果網(wǎng)絡上過來的是ARP請求幀，則查看自己是否是請求的目標（是否與自己的IP地址相符），如果符合則發(fā)送ARP應答幀。本章小結本章介紹了TCP/IP協(xié)議以及相關協(xié)議，為下一章的網(wǎng)絡傳輸TCP/IP協(xié)議的設計做好理論基礎。第五章基于嵌入式系統(tǒng)的圖像網(wǎng)絡傳輸?shù)能浖O計本章是系統(tǒng)設計中的核心部分，包括系統(tǒng)實現(xiàn)多任務運行的基礎——操作系統(tǒng)的移植，網(wǎng)絡功能的基礎——TCP/IP協(xié)議棧的設計。5.1Linux在ARM硬件平臺上的移植5.1.1移植環(huán)境1．硬件資源及連接一臺PC機，ARM硬件平臺，交叉串口連接線，交叉網(wǎng)線，USB連接線，5V穩(wěn)壓電源。用交叉串口連接線將開發(fā)板上的串口P1與PC機串口1相連；用交叉網(wǎng)線將CON3與PC機相連；用USB連接線將開發(fā)板與PC機相連；5V電源連接到開發(fā)板上。2．調試終端配置在PC機上DNW，在configuration中設置為：COM1,波特率為115200，8位，無奇偶位，停止位1，無硬件流。如下圖所示：圖5.1終端設置5.1.2建立交叉編譯環(huán)境交叉編譯是嵌入式開發(fā)過程中的一項重要技術，它的主要特征是某機器中執(zhí)行的程序代碼不是在本機編譯生成，而是由另一臺機器編譯生成，一般把前者稱為目標機，后者稱為主機。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境一般分成主機端（HOST）和目標板（ATGRET）兩部分。目前一般采用的解決辦法是首先在通用計算機上編寫程序，通過交叉編譯生成目標平臺上可運行的二進制代碼，再下載到目標平臺上的特定位置上運行。在主機端和目標板之間需要通過某種方式進行通信，如使用RS232串口。這種通信的目的在于發(fā)送控制指令和傳輸數(shù)據(jù)，同時獲得反饋信息。采用交叉編譯的主要原因在于，多數(shù)嵌入式目標系統(tǒng)不能提供足夠的資源供編譯過程使用，因而只好將編譯工程轉移到高性能的主機中進行。Linux下的交叉編譯環(huán)境重要包括以下幾個部分：針對目標系統(tǒng)的編譯器GCC；針對目標系統(tǒng)的二進制工具Binutils，包括ar，objcopy，strip工具集；目標系統(tǒng)的標準C庫Glibc；目標系統(tǒng)的Linux內核頭文件；GNUMake工具?？赏ㄟ^兩種方式建立ARMLinux交叉編譯環(huán)境：手動方式和使用集成環(huán)境。因手動方式比較繁瑣，這里只介紹使用集成環(huán)境建立方法。在Internet上我們可以得到一些整套的開放源碼嵌入式Linux開發(fā)工具，常用的有Denx公司的ELKD和TimeSys公司的TimesysLinux/GUN。這些工具鏈不僅包含了交叉編譯工具GCC、Binutils、GDB，而且包括可以直接使用的RAMDISKImage文件和文件系統(tǒng)制作工具等許多工具和元件。上述兩個集成交叉編譯環(huán)境都支持MIPS、PPC、ARM、x86、XScale等處理器。5.1.3BootLoaderBootLoader就是在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。從操作系統(tǒng)的角度看，BootLoader的總目標就是正確地調用內核來執(zhí)行。1．BootLoader所支持的CPU和嵌入式板每種不同的CPU體系結構都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多種體系結構的CPU，比如U-Boot就同時支持ARM體系結構和MIPS體系結構。除了依賴于CPU的體系結構外，BootLoader實際上也依賴于具體的嵌入式板級設備的配置。這也就是說，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種CPU而構建的，要想讓運行在一塊板子上的BootLoader程序也能運行在另一塊板子上，通常也都需要修改BootLoader的源程序。2．BootLoader的安裝媒介（InstallationMedium）系統(tǒng)加電或復位后，所有的CPU通常都從某個由CPU制造商預先安排的地址上取指令。比如基于ARM920T的CPU在復位時通常都從地址0x00000000取它的第一條指令。而基于CPU構建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲設備（比如：ROM、EEPROM或FLASH等）被映射到這個預先安排的地址上。以確保在系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行BootLoader程序。3．用來控制BootLoader的設備或機制主機和目標機之間一般通過串口建立連接，BootLoader軟件在執(zhí)行時通常會通過串口來進行I/0，比如：輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等。4．BootLoader的啟動過程有單階段（SingleStage）和多階段（MultiStage）之分。通常多階段的BootLoader能提供更為復雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲設備上啟動的BootLoader大多都是2階段的啟動過程，也即啟動過程可以分為Stagel和Stage2兩部分。依賴于CPU體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在Stagel中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，以達到短小精悍的目的。而Stage2則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)給復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。5．BootLoader的操作模式（OperationMode）大多數(shù)BootLoader都包含兩種不同的操作模式：“啟動加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別僅對于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，BootLoader的作用就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動加載模式與下載工作模式的區(qū)別。①啟動加載（BootLoading）模式：這種模式也稱為“自主”（Autonomous）模式。也即BootLoader從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。這種模式是BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時侯，BootLoader顯然必須工作在這種模式下。②下載（Downloading）模式：在這種模式下，目標機上的BootLoader將通過串口連接或網(wǎng)絡連接等通信手段從主機（Host）下載文件，比如：下載內核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從主機下載的文件通常首先被BootLoader保存到目標機的RAM中，然后再被BootLoader寫到目標機上的FLASH類固態(tài)存儲設備中。BootLoader的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用BootLoader的這種工作模式。工作于這種模式下的BootLoader通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口。6．BootLoader與主機之間進行文件傳輸所用的通信設備及協(xié)議最常見的情況就是，目標機上的BootLoader通過串口與主機之間進行文件傳輸，傳輸協(xié)議通常是xmodem/ymodem/zmodem協(xié)議中的一種。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?，因此通過以太網(wǎng)連接并借助TFTP協(xié)議來下載文件是個更好的選擇，但此時一般需要主機方提供相應的軟件。比如，在通過以太網(wǎng)連接和TFTP協(xié)議來下載文件時，主機方必須有一個軟件用來的提供TFTP服務。5.2燒寫和啟動Linux以及Linux內核編譯5.2.1燒寫Linux內核（1）上電啟動開發(fā)板，進入BIOS界面。（2）USBDEVICE的連接線，選擇“1”，選擇USB下載，接著出現(xiàn)“Enteranewtemporarydownloadaddress：”的提示，在這個提示下輸入程序下載的地址，這里設置為0x32000000（不要與BIOS的地址0x30100000相沖突），同時要注意用USB下載要先在PC端裝好驅動程序，保證USB連接好，有時PC端出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)無法識別的USB設備時，在BIOS中輸入ESC取消下載，等幾秒鐘后再輸入“1”啟動USB下載。（3）點擊“USBPort”“Transmit”選項，選擇zlmage（這個映像文件在光盤目錄的“目標代碼”文件夾下），點擊“打開”，USB下載開始。下載結束后，會返回主功能菜單。（4）下載成功后，在出現(xiàn)主功能菜單后，選擇“4”，將出現(xiàn)提示，輸入“1”，在接下來的提示輸入“Y”，將zlmage燒寫到NANDFLASH的分區(qū)1中。燒寫成功后，會自動進入主功能菜單。5.2.2燒寫根文件系統(tǒng)（1）上電啟動開發(fā)板，進入BIOS界面。（2）USBDEVICE的連接線，選擇“1”，選擇USB下載，接著出現(xiàn)“Enteranewtemporarydownloadaddress：”的提示，在這個提示下輸入程序下載的地址，這里設置為0x32000000（不要與BIOS的地址0x30100000相沖突），同時要注意用USB下載要先在PC端裝好驅動程序，保證USB連接好，有時PC端出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)無法識別的USB設備時，在BIOS中輸入ESC取消下載，等幾秒鐘后再輸入“1”啟動USB下載。（3）當USBDEVICE成功枚舉后，點擊“USBPort”“Transmit”選項，選擇YLSBC2440_demo.cramfs（這個映像文件在光盤目錄的“目標代碼”文件夾下）。（4）下載成功后，在出現(xiàn)主功能菜單后，選擇“4.WritefiletoNandFlash”進行程序燒寫，在接下來的分區(qū)選擇中，選擇分區(qū)“2”，出現(xiàn)提示輸入后選擇“Y”（5）設置根文件系統(tǒng)分區(qū)位置參數(shù)，這個參數(shù)主要是傳遞給內核的，在主功能菜單中，選擇“7.Configparaments”進入系統(tǒng)參數(shù)配置，接著選擇“7.rootfs”對Linux啟動根目錄進行配置，然后回車，在出現(xiàn)“pleaseentervalue：”提示下輸入“2”設置Linux根文件系統(tǒng)為2分區(qū)，然后回車，然后再進行一次回車或者選擇“15”退出，會提示“Doyouwanttosaveparameters？pressyorYforsave.”，這時輸入“Y”，這樣就將根文件系統(tǒng)所在的分區(qū)位置參數(shù)保存了。（6）設置LCD顯示參數(shù)，因為在板子的LCD標準配置是Sharp3.5。在BIOS的主功能菜單中，選擇“8.Configparaments”。接著選擇“14.Userpara”，然后回車，在“pleaseentervalue：”提示下輸入“display=shp240”，然后回車，在進行一次回車或者選擇“15.Exit”退出，這是將提示“Doyouwanttosaveparameters？pressyorYforsave.”，接著輸入“Y”5.2.3啟動Linux將Linux內核和Linux根文件系統(tǒng)燒寫好之后，接下來就是啟動Linux了，啟動Linux有兩種方式：一種是通過BIOS的5號功能來啟動；另一種是設置Linux自啟動。1．通過BIOS的5號功能來啟動Linux。開發(fā)板進入BIOS主功能菜單后，選擇“5”2．Linux自啟動。進入BIOS的主功能菜單后，選擇“7”對啟動參數(shù)進行設置，在接著出現(xiàn)的選項中輸入“0”進行啟動系統(tǒng)選擇設置，然后回車，在出現(xiàn)“pleaseentervalue：”的提示下，輸入“1”，然后回車，接著再進行一次回車，將會提示“Doyouwanttosaveparameters？pressyorYforsave.”，這時輸入“5.2.4安裝編譯工具編譯嵌入式Linux內核前，要先安裝交叉編譯工具toolchain，隨板光盤已附帶編譯工具。編譯工具cross-3.4.1.tar.bz2,安裝此編譯器只需要在/usr/local目錄下建一個arm的目錄，先將光盤目錄“Linux源碼和工具”下“toolchain”文件夾下的cross-3.4.1.tar.bz2拷貝到某個目錄下，然后進入該目錄，執(zhí)行解包命令tarxjvfcross-3.4.1.tar.bz2即可，之后可編輯/etc/bashrc文件，在最后增加路徑exportPATH=/usr/local/arm/3.4.1/bin:$PATH，以后編譯內核或其他應用程序均可用arm-linux-來指定交叉編譯器。可以使用echo$PATH來查看環(huán)境變量中是否有/usr/local/arm/3.4.1/bin路徑變量。5.2.5編譯內核（1）解壓內核包：先將光盤目錄的“Linux源碼和工具”的Linux內核包拷貝到某個目錄下，進入這個目錄，然后解壓這個Linux源碼包，命令為：Tarxjvflinux-2.3.12-2440.tar.bz2（2）編輯Makefile文件：進入解壓的目錄后，運行命令：vimakefile找到“CROSS_COMPILE=”這行，將它改為“CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/3.4.1/bin/arm-linux-”（3）輸入命令：makemenuconfig，進入配置欄的“LoadanAlternateConfigurationFile”，輸入配置文件名kernel_2440.cfg并回車，在主菜單里選擇Exit退出并保存設置。（4）接著輸入命令：makezlmage。（5）編譯結束后，可在arch/arm/boot目錄下得到linux內核壓縮映像zlmage。5.2.6cramfs根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建（1）將YLSBC2440_camare_demo.cramfs拷貝到任意目錄下。（2）在該目錄下建立兩個文件：mkdirromsmkdirtmp（3）將YLSBC2440_camare_demo.cramfs掛接到chang目錄：mountYLSBC2440_camare_demo.cramfs.roms-oloop（4）將roms目錄下的內容壓縮：Tar-cvf1.tarroms這樣將在roms的上一級目錄產(chǎn)生一個1.tar的包。（5）將包解壓到tmp目錄下：umountromscd．．mv1.tartmpcdtmptar-xvf1.tarrm1.tar（6）經(jīng)過上面的步驟就可以將自己的驅動和應用程序添加到cramfs根文件系統(tǒng)中了。進入tmp目錄下的文件夾，在這個目錄下運行命令：MkcramfstmpYL2440_demo_test.cramfs運行成功后會在該目錄下生成YL2440_demo_test.cramfs根文件系統(tǒng)mkcramfs工具在光盤：Linux內核源碼和工具\toolchain下。（7）根文件系統(tǒng)制作成功后，就可以將YL2440_demo_test.cramfs燒寫到相應的地方。5.3嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設計眾所周知，TCP/IP是一個協(xié)議族，它由幾百種網(wǎng)絡通信協(xié)議組成，這些協(xié)議用于組織計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信。嵌入式系統(tǒng)是一種以應用為核心、以計算機技術為基礎、功能穩(wěn)定的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧其功能必定在嵌入式系統(tǒng)的定義范疇之內。因此，嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的功能是特定的，它不要求（也不可能）實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，其實現(xiàn)的必定是TCP/IP族的一個子集?；谶@一思想，我們在設計嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時在TCP/IP協(xié)議的子集中實現(xiàn)，降低設計的難度。由于系統(tǒng)資源有限，本文系統(tǒng)設計的協(xié)議棧的目標是一個能實現(xiàn)所需功能的盡量精簡的協(xié)議棧。本文系統(tǒng)中的ARP協(xié)議，IP協(xié)議及ICMP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧最基本的也是必須的協(xié)議，對于傳輸層協(xié)議，本文系統(tǒng)的協(xié)議棧根據(jù)具體需要實現(xiàn)了UDP與TCP。UDP沒有保證可靠性的機制，沒有其他的關卡機制，得以實現(xiàn)全速地發(fā)送（即充分發(fā)揮物理通信設備的速度）。考慮到本論文設計的系統(tǒng)需要傳輸大量的圖像數(shù)據(jù)，而圖像的傳送對實時性要求較高并且對于掉包不敏感，而由于在局域網(wǎng)環(huán)境下丟包錯序的現(xiàn)象很少見，同時可以在應用程序中適當?shù)靥砑雍唵蔚目刂茩C制對亂序進行處理，系統(tǒng)中圖像數(shù)據(jù)的傳輸采用UDP具有更優(yōu)的效果。相對于UDP，TCP的可靠性是以許多復雜措施及由此而增加的開銷為代價換來的，TCP提供可靠的數(shù)據(jù)流，但處理的開銷較大，傳輸率有所降低。通過遠程控制臺通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)的工作進行控制的過程具有數(shù)據(jù)量小，需要保證控制參數(shù)在發(fā)送與接受過程中的順序及內容的嚴格正確的特點，并且在一個完整的控制過程中的的交互當中，雙方應能了解對方當前的狀態(tài)，TCP的機制能有效地滿足這些要求，控制臺程序與圖像采集系統(tǒng)中的控制線程通過建立TCP連接進行通信是很有必要的。圖5.2實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議棧中各協(xié)議的關系5.3.1ARP協(xié)議的實現(xiàn)ARP協(xié)議即地址解析協(xié)議，是將IP地址與網(wǎng)絡物理地址一一對應的協(xié)議。在IPv4中地址長度是32位，在以太網(wǎng)中，設備的地址是48位（即MAC地址）。一張ARP表，用來支持在MAC地址和IP地址之間的一一對應關系。它提供兩者的相互轉換。主要流程為：當傳送一個的包要傳向一個局域網(wǎng)的主機時，當它到達網(wǎng)關時，網(wǎng)關要求ARP對應程序找到物理主機或與IP地址相對應的MAC地址，ARP對應程序在緩存中尋找，如果找到地址，則提供此地址，以傳送到主機，如果未找到，ARP對應程序就在網(wǎng)上廣播一個特殊格式的消息，如果一臺機器發(fā)現(xiàn)是自己的IP地址，它就發(fā)送回應，這樣就指出了相應的地址，ARP對應程序更新自己的緩存并將此包送到回應的MAC地址。程序設計時需要定義一個IP地址與以太網(wǎng)地址映射的表，在對方發(fā)送ARP請求包時，可以從該映射表中讀取相應的數(shù)據(jù)回復給對方，在接受到對方的ARP包時將對方的IP地址與以太網(wǎng)地址映射存儲到該表中，程序中通過兩個模塊ARPSend（）和ARPReceive（）來實現(xiàn)發(fā)送和接收ARP報文的功能。其中ARPReceive（）程序設計框圖如下：圖5.3ARPReceive（）程序設計框圖發(fā)送包模塊ARPSend（）的處理流程較簡單，先在映射表中查找有無相應IP地址與MAC地址映射的項，如果無則發(fā)送ARP請求包。5.3.2IP協(xié)議與ICMP協(xié)議的實現(xiàn)（1）IP協(xié)議。在IP協(xié)議的實現(xiàn)中，可以作以下的簡述：即不接收分片包。分片包需要根據(jù)包頭中的一些信息進行重組，這將會占用大量的存儲器空間與處理器資源，在系統(tǒng)資源比較緊張的情況下，可以考慮忽略。程序實現(xiàn)IP協(xié)議，在接收到IP數(shù)據(jù)包，需要對包中攜帶的信息進行檢查，根據(jù)這些信息分別做出丟棄該包的處理或者判斷該包中攜帶的數(shù)據(jù)由哪個處理程序進行處理。對發(fā)送而言則相對簡單，只需要對上層協(xié)議產(chǎn)生的包進行封裝，加上一個IP包頭。在本系統(tǒng)中的設計中，實現(xiàn)IP層功能的模塊分別是負責IP包的發(fā)送的IPSend（）模塊與接收處理的IPReceive（）模塊。這兩個模塊的處理流程分別通過框圖來表示：圖5.4IPSend（）流程框圖圖5.5IPReceive（）流程框圖（2）ICMP協(xié)議。ICMP協(xié)議是作為IP上面的傳輸層實現(xiàn)的，但它與IP層緊密結合在一起，經(jīng)常被認為是IP層的一個組成部分。ICMP傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。ICMP報文通常被IP層或者跟高層協(xié)議使用。ICMP報文是被封裝在IP數(shù)據(jù)報中傳輸?shù)?，ICMP有許多種類型，對于一個只需要基本功能的精簡的協(xié)議棧而言，只需要實現(xiàn)一個“回顯應答”（PING）功能就可以了。實現(xiàn)ICMP協(xié)議主要通過模塊ICMPSend（）和ICMPReceive（）來實現(xiàn)，ICMPReceive（）對接收到的ICMP數(shù)據(jù)報進行處理。如果類型字段是ECHO_REQUEST,就需要調用相關拷貝函數(shù)將該ICMP報文拷貝到發(fā)送緩沖區(qū)，修改其類型字段和IP后返回；ICMPSend（）只是簡單地將包往下交給IP層。圖5.6ICMPReceive（）流程框圖5.3.3TCP與UDP協(xié)議的實現(xiàn)用TCP協(xié)議傳輸?shù)乃^數(shù)據(jù)實際指的是數(shù)據(jù)流中的段，而用UDP協(xié)議傳輸?shù)乃^數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)報。TCP和UDP都屬于IP上層的傳輸層協(xié)議。二者都使用端口號作為送往主機的解碼地址。端口號由各個具體應用所確定，同時使用多個端口號能完成“一機多網(wǎng)”的操作。每個UDP數(shù)據(jù)包和TCP數(shù)據(jù)段中都含源端口號和目的端口號。為接收遠端的輸入而等待著執(zhí)行接入操作的主機是所謂的服務器，發(fā)起接入請求的主機就是所謂的客戶機。服務器為最常服務的應用如FTP（文件傳輸協(xié)議）、Email和HTTP，分配了知名的端口號并對其進行持續(xù)地監(jiān)聽。作為傳輸源的客戶機通常選擇隨機的端口號，并向已分配了知名端口號的服務器發(fā)出接入請求。客戶應用所取的端口號應大于1024，1024以下的端口號是為知名應用而預留的。對于應用程序中的每個TCP與UDP的套接口，系統(tǒng)維護兩個Socket鏈，分別對應TCP與UDP，每個節(jié)點對應一個應用程序正在使用的套接口，維護相關的必要信息，在一個新的套接口建立時，關于該套接口的節(jié)點插入到Socket鏈的頭部，對于每個接收到的TCP報文或者UDP報文將通過遍歷相應的Socket鏈來獲取必要信息及轉到相應處理程序中，同樣在發(fā)送每個TCP報文或者UDP報文時，同時需要根據(jù)對應的Socket節(jié)點進行一定的操作。（1）UDP協(xié)議在上文所描述的Socket鏈中每個UDP套接口的節(jié)點相關的數(shù)據(jù)結構中需要包含：套接口的四元組字段；是否接收到提交到應用程序的新數(shù)據(jù)和應用程序是否有新數(shù)據(jù)發(fā)送的判斷字段；接收到的提交到應用程序的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址字段；從應用程序中獲得的需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址字段等必須的字段。(2)TCP協(xié)議在程序中實現(xiàn)這個狀態(tài)機，需要為每個TCP連接維護其狀態(tài)，在上文所描述的Socket鏈中每個TCP套接口的節(jié)點相關的數(shù)據(jù)結構中需要包含：狀態(tài)字段；套接口的四元組字段；收發(fā)序號字段；是否接收到提交到應用程序的新數(shù)據(jù)和應用程序是否有新數(shù)據(jù)發(fā)送的判斷字段；接收到的提交到應用程序的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址字段；從應用程序中獲得的需要發(fā)送的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)首地址字段等必要的元素以提供狀態(tài)機運行時必須的信息，狀態(tài)機運行時根據(jù)接收到的TCP包中的信息與對應的Socket節(jié)點中的字段進行比較并根據(jù)需要修改字段的內容，發(fā)送包則直接更新對應的Socket節(jié)點中的字段內容。狀態(tài)機通過函數(shù)TCP_Handler來實現(xiàn)，TCPHandler的實現(xiàn)流程如圖5.7所示，該函數(shù)對應用程序透明。圖5.7TCPHandler函數(shù)流程圖程序提供的接口函數(shù)主要為：1．TCP_Open：主動發(fā)起TCP連接；2．TCP_Listen：創(chuàng)建監(jiān)聽套接口；3．TCP_Send：發(fā)送數(shù)據(jù)；4．TCP_Flush：發(fā)送緊急數(shù)據(jù)；5．TCP_Close：關閉套接口。應用程序通過調用這些函數(shù)來實現(xiàn)相應的TCP相關的操作。實現(xiàn)了上述的協(xié)議，系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡功能就構架起來了，在這個基礎上圖像的傳輸以及接收控制臺的控制命令兩大功能可以得到實現(xiàn)。通過網(wǎng)關還可以接入公網(wǎng)。在本文實現(xiàn)的基本網(wǎng)絡功能的基礎上進一步的工作可以考慮編寫PPP協(xié)議使設備直接接入公網(wǎng)，以及編寫HTTP協(xié)議并通過CGI技術使得控制可以通過WEB來實現(xiàn)等。本章小結本章主要講述了將Linux內核移植到ARM平臺的過程，第二章介紹了ARMS3C2440處理器的體系結構，本章在此基礎上給出了具體的開發(fā)環(huán)境并搭建了交叉編譯環(huán)境，進行了燒寫和啟動Linux，并進行了Linux內核的編譯，最后還實現(xiàn)了根文件系統(tǒng)的移植。還介紹了系統(tǒng)設計中的軟件工作，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇并移植適用的操作系統(tǒng)，編寫精簡的網(wǎng)絡協(xié)議棧，設計應用程序，并提供了一個簡單的控制臺程序設計思路。第六章總結與展望6.1全文總結ARM平臺是目前使用廣泛的主流的嵌入式處理器體系結構。因此也是學習和開發(fā)的熱點。本文主要圍繞著建立ARM——Linux嵌入式開發(fā)平臺的幾個核心技術展開討論。通過對嵌入式處理器S3C2440的深入學習和對嵌入式Linux操作系統(tǒng)的研究，學習了基于ARM的嵌入式軟件開發(fā)和操作系統(tǒng)及其驅動的移植開發(fā)技術。由于嵌入式操作系統(tǒng)專用、多樣的特性，探索嵌入式操作系統(tǒng)移植的原理與方法不但可以加深對操作系統(tǒng)與計算機體系結構的理解，還為將來開發(fā)新型嵌入式操作系統(tǒng)打下了基礎。因此，對于嵌入式操作系統(tǒng)的移植與驅動開發(fā)研究具有重要的理論與實用價值。本文設計了一個基于S3C2440處理器的網(wǎng)絡傳輸圖像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，提供了一個具體實現(xiàn)的模型，在系統(tǒng)上實現(xiàn)了根據(jù)網(wǎng)絡傳輸要求的低比特率特性所提出了基于小波零樹編碼算法的圖像壓縮算法。各種具體的應用可以在本文設計的系統(tǒng)的框架基礎上進行一些微小的改變而得以快速實現(xiàn)。通過以上的研究，本文取得了以下成果：（1）通過對ARM9處理器的學習，了解并掌握了ARM9處理器S3C2440的基本性能和寄存器配置，并在此基礎上成功移植了嵌入式linux操作系統(tǒng)，加快了項目開發(fā)進展。（2）對嵌入式操作系統(tǒng)進行了深入研究，比較分析了多種操作系統(tǒng)的特點，最后采用Linux操作系統(tǒng)為研究對象并以官方發(fā)布的內核版本為基礎，在實驗室已有的目標板上成功移植了一個穩(wěn)定、高效的嵌入式Linux系統(tǒng)。（3）通過對嵌入式Linux下驅動開發(fā)的研究，加深了對計算機操作系統(tǒng)與體系結構的理解。了解了CAN設備、矩陣鍵盤、LCD等驅動程序。（4）利用芯片中的原來未利用的硬件接口，添加網(wǎng)絡協(xié)議，使得系統(tǒng)能直接接入公網(wǎng)。6.2不足與展望對于嵌入式系統(tǒng)的研究需要深厚的計算機軟件、硬件知識背景，不但要掌握很多軟、硬件開發(fā)工具，還要熟悉開發(fā)原理與流程。通過一個項目是難以對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)獲得深入、全面的理解，因此，在本文的基礎上對于嵌入式研究開有許多工作需要進一步完善：（1）目標板具有豐富的外設接口，本論文只是涉及了其中的一小部分，還有很多接口比如觸摸屏等有待進一步研究。（2）Linux操作系統(tǒng)是一個功能強大、源代碼開發(fā)的操作系統(tǒng)，是作為對操作系統(tǒng)進行研究的最佳對象。由于對Linux的理解還不全面，尚有大量實用的相關功能和技術未能引入本文。展望將來對于每秒只需要傳輸少量數(shù)據(jù)幀的圖像采集與網(wǎng)絡傳輸?shù)膽妙I域的研究，對壓縮算法的改進與優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率