基于ARM的网络数据传输技术研究

摘 要基于 ARM 处理器的网络数据传输技术结合了嵌入式设备工作稳定，实时性好，集成度高，环境适应能力强，成本低等优点与网络覆盖广泛及接口具有良好通用性的优点，在各种数据传输现场中具有越来越广泛的应用前景。本文是基于 RAM 处理器的网络数据传输技术的研究，网络数据以图像数据的传输为例，并且研究对象采用了通过网络传输图像数据的应用系统，所以本文提出在单芯片上实现全局控制+轻量级 RTOS 内核+精简 TCP/IP 协议栈的系统架构方式，设计一个基于 S3C2440 开发板的网络图像数据实时传输的嵌入式系统。关键词：网络数据传输 嵌入式 Linux TCP/IP 协议 AbstractUnified the embedded equipment work based on the ARM processor network data transmission technology to be stable, timeliness was good, the integration rate was high, environment adaptiveness, the cost low status merit and the network cover widespread and the connection had the good versatile merit, had the more and more widespread application prospect in each kind of data transmission scene.This article is based on the RAM processor network data transmission technology research, the network data take the image data transmission as an example, and the object of study has used through the network transmission image data application system, therefore this article proposed realizes the overall situation control + lightweight RTOS essence on the single chip + to simplify the TCP/IP agreement stack the system construction way, designs one based on the S3C2440 development board network image data real-time transmission embedded system.Key words： Data Transmission Network Embedded Linux TCP/IP AgreementI目 录第一章 绪 论 .11.课题的背景及其意义 .12.本文所做工作 .1第二章 嵌入式系统及图像的网络传输 .32.1 嵌入式系统概述 .32.1.1 嵌入式系统的定义 .32.1.2 嵌入式系统的特点 .32.1.3 嵌入式系统的组成 .42.1.4 嵌入式 Linux.52.1.5 嵌入式系统开发与调试 .52.2 基于嵌入式系统的图像的网 络传输 .62.3 嵌入式网络传输的图像压缩算法 .6本章小结 .7第三章 基于嵌入式系统 的图像网络传输的系统设计 .83.1 系统结构设计 .83.2 硬件平台设计 .93.2.1 S3C2440 体系结构及特点 .93.3 软件设计 .13本章小结 .13第四章 TCP/IP 协议概述 .144.1 网络分层结构 .144.1.1 OSI 七层参考模型 .144.1.2 TCP/IP 参考模型 .154.2 TCP/IP 网络协议 .164.2.1 嵌入式 TCP/IP 协议 .164.2.2 IP 协议 .164.2.3 UDP/TCP 协议 .174.2.4 ARP 协议 .17本章小结 .17第五章 基于嵌入式系统的图像网络传输的软件设计 .195.1 LINUX 在 ARM 硬件平台上的移植 .195.1.1 移植环境 .195.1.2 建立交叉编译环境 .195.1.3 BOOT LOADER .205.2 烧写和启动 LINUX 以及 LINUX 内核编译 .225.2.1 烧写 Linux 内核 .225.2.2 烧写根文件系统 .225.2.3 启动 Linux.23II5.2.4 安装编译工具 .235.2.5 编译内核 .245.2.6 cramfs 根文件系统的创建 .245.3 嵌入式 TCP/IP 协议栈的设计 .255.3.1 ARP 协议的实现 .265.3.2 IP 协议与 ICMP 协议的实现 .275.3.3 TCP 与 UDP 协 议的实现 .29本章小结 .32第六章 总结与展望 .336.1 全文总结 .336.2 不足与展望 .33参考文献 .35致 谢 .37附 录 .381第一章 绪 论1.课题的背景及其意义数据信号获取以及转移可以采用直接存储在采集现场本地，收集一段时间的数据后由工作人员到采集现场将数据取回，或者通过某种途径实时传输到后端，前者对实时性要求比较高的场合以及某些较为危险的工业现场缺乏实用价值，后者能实时将采集的数据信号传输到控制端，较为及时地反映出采集现场的实际情况，无疑具有更多的灵活性与实用价值，同时由于 Internet 的广泛的覆盖以及接口的通用性，传输的方式通过网络来进行，将会使成本降低并且让系统规划的难度减小的优势。采用通过网络实时传输数据的方式可以采用传统的PC+数据采集卡的方式或者基于具备网络功能的嵌入式设备的方式，前者虽然具备实现简单，功能多样化的优点，但也存在体积庞大，稳定性低，在恶劣环境中难以工作，成本较高，功能不可裁减等劣势，相比较而言，嵌入式设备具备工作稳定，易于携带和安装，操作灵活的特点，同时还具有实时性好，集成度高，环境适应能力强，系统成本低，同时也易于根据实际需要进行功能的添加与裁减等优点，在各种数据信号获取的各种应用场合，将得到越来越广泛的应用，是今后的一个发展趋势。在网络中传输图像数据，由于网络的传输速率有限，为了实现图像数据的稳定传输，必须对图像进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。由于嵌入式系统具有计算能力有限的特性，而这是设计面向一般 PC 或者工作站的图像压缩算法所不需要考虑的，其压缩算法有其固有的特点，需要单独对其进行研究。目前针对嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在对动态图像实时压缩算法实现的研究和基于专用图像压缩芯片构架实用系统上，对于对成本敏感，每秒需要传输的图像的帧数只要求在若干帧以内的场合下适用的压缩算法的研究还鲜有所闻，随着工业以太网技术和 Internet 的迅速发展，越来越多图像获取设备将接入网络，这种较为低端的网络图像传输设备的应用将越来越广泛，对于其上的图像压缩算法的进行一定的探讨，实现一个同时具备网络功能和图像压缩功能的嵌入式设备，对该领域进行一次有益的探索与尝试，是一项很有意义的工作。22.本文所做工作本文第二章介绍了相关的背景知识，包括嵌入式系统，图像的网络传输，以及两者相结合的讨论。第三章从系统架构的角度对实现的系统进行描述，介绍了系统总体方案，芯片选型的考虑和系统集成的具体工作。第四章重点介绍了 TCP/IP 协议以及相关协议，为下一章的的网络传输TCP/IP 协议的设计做好理论铺垫。第五章全面地介绍了系统的软件设计工作，包括操作系统的移植过程，嵌入式 TCP/IP 协议的设计，以及在应用层实现网络图像数据传输。第六章对全文进行简明的总结，并对该领域的研究进行展望。3第二章 嵌入式系统及图像的网络传输2.1 嵌入式系统概述2.1.1 嵌入式系统的定义根据 IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置（devices used to control，monitor ，or assist the operation of equipment，maehinery or plants） 。嵌入式系统定义：是现代科学的多学科互相融合的以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器，进入 Internet 网络连接，适应应用环境的产品。2.1.2 嵌入式系统的特点（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的专用性很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般需要针对硬件进行系统的移植，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念。（2）系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（3）高实时性嵌入式操作系统。这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。（5）嵌入式软件开发走向标准化。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配 RTOS（Real Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。（6）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。42.1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统包括硬件和软件两部分。应 用 程 序操 作 系 统 内 核设 备 驱 动专 有 硬 件A P I S图 2.1 嵌入式系统的组成框图1专用硬件包括嵌入式处理器、存储器和 I/O 端口及外围设备等。其核心是嵌入式处理器。嵌入式处理器一般具备以下 4 个特点：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器为准；嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此。2应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，包括操作系统软件和应用程序。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统软件的特征如下：软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片或单片机本身中，而不存贮于磁盘等载体中；软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度；系统软件（OS）的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化5编写的系统软件来完成。2.1.4 嵌入式 Linux本文选择的嵌入式系统为 Linux。嵌入式 Linux 支持多种体系结构，有强大的网络功能支持，支持多文件系统，有丰富的外设驱动，此外 Linux 还具备一整套工具链，使用户容易自行建立嵌入式系统的开发环境、交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用 Linux 系统做原型的时候，可以绕过这个障碍，直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。嵌入式应用系统的体系结构可用图 2.2 分层方式描述：第五层 嵌入式应用软件第四层 中间支撑软件层第三层 硬件无关的操作系统内核层第二层 硬件抽象层（HAL）第一层 硬件系统图 2.2 嵌入式应用系统的体系结构分层体系结构层与层之间的依赖关系是上层完全依赖于下层，这种依赖主要是由明确定义的接口来实现的，能很好的满足体系结构的要求。2.1.5 嵌入式系统开发与调试由于开发平台受到存储容量和功能的限制，嵌入式应用的开发和调试需要借助一套专门的开发工具和软硬件环境来完成。硬件环境包括：具有文件传送功能的宿主机，具有编译调试功能的仿真器。软件包括：操作系统软件、编译调试软件、文件传输软件等。嵌入式应用系统设计完成以后，一般不具备在其上进行进一步开发的能力，如果要进行功能的扩充和改进，必须在宿主机上进行重新设计。嵌入式应用软件开发可以通过两种途径进行：一种是直接利用汇编和嵌入式高级语言对硬件编程，由于嵌入式程序具有直接在 CPU 芯片上运行的能力，这种程序只需要在其开发调试仿真器环境下编译运行通过后直接下载 ROM 即可；第二种是为了利用 CPU 的强大功能，便于对硬件和软件的管理，引入嵌入式的操作系统和相应的编译环境，由操作系统来管理软硬件资源(存储管理，文件管理，进程管理，中断管理等)。由于操作系统对高级语言(C 语言)的支持和其强大的网络功能，我们可以进行高级语言的编程，屏蔽对低层的直接访问，使得具有复杂功能的应用程序的编写和实现变得更加容易和方便。62.2 基于嵌入式系统的图像的网络传输在网络中传输图像数据，由于网络的传输速率有限，为了实现图像数据的稳定传输，必须对图像数据进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。由于嵌入式系统具有计算能力有限的特性，需要基于该特点考虑具有适用性和实用性的压缩算法。目前针对嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在以下的两个方面：（1）动态图像的实时压缩：要求对视频信号进行实时的压缩，压缩算法基于通用的标准，应用为视频监控系统或者视频会议系统，标准为 MPEG-2，MPEG-4，H.264 等，一般使用高端数字信号处理器如 TI 的 6200 系列或者Philps 的 Trimedia 来实现算法，配合处理能力强的高端控制器如ARM9，XScale ，使用嵌入式 Linux 或者嵌入式 Windows XP 作为操作系统，或者是使用高中端处理器配合视频压缩专用芯片来构架系统，这种技术的典型应用是银行系统中的 24 小时实时监控