4110008032付水生基于ARM CortexM3的双以太网口通信的实现.doc
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1、 学号: 4110008032 泰山医学院毕业设计(论文) 题目: 基于ARM Cortex-M3的双以太网口通信的实现 院(部)系信息工程学院所 学 专 业计算机科学与技术年级、班级2010级本科1班完成人姓名付水生指导教师姓名专业技术职称彭磊 副教授 2014年 6 月 10 日论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成,如有抄袭、剽窃、雷同等现象,愿承担相应后果,接受学校的处理。专业:计算机科学与技术班级:2010级本科一班 签名: 年 月 日泰山医学院本科毕业设计(论文)摘要随着嵌入式系统技术的发展,嵌入式系统技术与以太网技术融合的也越来越紧密,虽然嵌入式系统的应用程序完全可以
2、在ARM裸机上运行,但是随着测控设备功能的增强,嵌入式系统所需完成的任务越来越复杂,需要管理的外设越来越多,传统的软件开发模式已经显得力不从心。而采用嵌入式操作系统作为软件开发平台,就可以由操作系统来完成任务的管理和系统资源的分配,开发工作的重点才能集中于实际应用系统性能的提高。此外,在操作系统基础上可实现统一规范的编程,使程序具有良好的可读性和可移植性,并可提高开发的效率。ARM Cortex-M3处理器结合了多种突破性技术,令芯片供应商提供超低费用的芯片。该处理器还集成了许多紧耦合系统外设,令系统能满足下一代产品的控制需求。本论文是基于ARM Cortex-M3微处理器MB9F618和近来
3、比较流行RT-Thread操作系统的双以太网口通信的研制过程为主要内容,阐述了其具体使用的技术和各模块的实现方法,区别于一般的TCP/IP协议,本系统采用了LwIP的通信协议,LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要的功能的基础上减少对RAM的占用,它只需要十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行,这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。在以上的硬件和软件的共同支持下,最终完成了双以太网口之间通信的研究。关键词: ARM Cortex-M3;RT-Thread;LwIP;双以太网的通信AbstractWith the development of embedded systems
4、 technology,embedded system technology and the integration of Ethernet technology is also more closely,though embedded systems applications can run on ARM bare metal , but with enhanced functionality and control devices , embedded systems needed to complete the task more complex, the need to manage
5、more and more peripherals , traditional software development model has appeared to be inadequate . The focus on distribution development of embedded operating system as the software development platform .In addition, the operating system can be realized on the basis of a standardized programming, th
6、e program has good readability and portability , and improve development efficiency.ARM Cortex-M3 processor combines multiple breakthrough technologies enable chip vendors to provide ultra-low cost of the chip . The processor also integrates a number of tightly-coupled system peripherals , so that t
7、he control system can meet the needs of the next generation of products.This thesis is based on the development process of dual Ethernet port communication ARM Cortex-M3 microprocessor MB9F618 and recently more popular RT-Thread operating system as the main content , technology and describes the imp
8、lementation of each module of its specific use , the difference in general TCP / IP protocol , the system uses a communication protocol LwIP focus LwIP achieve is to reduce the occupancy of RAM on the basis of maintaining the main features of the TCP protocol on , it takes about a dozen KB of RAM an
9、d 40K of ROM can run , which makes LwIP stack suitable for use in low-end embedded systems. In support of these common hardware and software , the final completion of the study of communication between the dual Ethernet ports . Keywords : ARM Cortex-M3 ;RT-Thread ;LwIP ;dual Ethernet communication泰山
10、医学院本科毕业设计(论文)目录前言1第一章 相关技术背景介绍31. 嵌入式系统的定义32. 嵌入式处理器分类与现状43. 嵌入式操作系统64. 网络协议栈65. 本章小结7第二章 系统硬件平台81. ARM Cortex-M3处理器82. 系统任务要求92.1 硬件方面92.1 软件方面93. 开发板MB9F618简介93.2 开发板外观93.2 配置说明104. 本章小结11第三章 软件的设计121. 嵌入式操作系统的选择121.1 RT-Thread操作系统的简介121.2 虚拟文件系统131.3 shell系统131.4 图形用户界面131.5 支持的平台131.6 RT-Thread的
11、内核对象模型141.7 内核对象管理工作模式141.8 线程状态152. LwIP协议栈162.1 LwIP协议栈简介162.2 LwIP的以太网数据接收183. LwIP协议栈的初始化214. MB9F618网口设置225. 主要函数功能的简介256. 本章小结25第四章 系统功能模块调试271. 程序烧写272. 程序烧写后273. 双网卡测试274. 网口的通信295. 本章小结31结论32参考文献33致谢34前言前言最近几年,嵌入式系统产品日臻完善,并在全世界各行业得到广泛应用。嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。随着信息化
12、、智能化、网络化的发展,嵌入式技术将全面展开,现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说,嵌入式系统分别在硬件和软件方面获得发展。嵌入式系统必将成为当今IT界的又一焦点,开发自主知识产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统,对于我们国家的民族IT产业来讲具有十分重要的战略意义。从国内IT市场来看,嵌入式系统及其产品在由家电产品和Internet衍生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。在消费家电的智能化的今天,嵌入式更显重要。像我们平常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3Player、数字相机(DC)、数字摄像机(DV)、U-Disk、机顶盒(Set To
13、p Box)、高清电视(HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等,都是典型的嵌入式系统。据预测,随着Internet的迅速发展和廉价微处理器的出现,嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。新的微处理器层出不穷,嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移植,能够在短时间内支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发成了一项系统工程,开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身,同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。各类嵌入式Linux操作系统迅速发展,由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络结构完整等特点,很适合信息家电等嵌
14、入式系统的需要,目前已经形成了能与Windows CE、Palm OS等嵌入式操作系统进行有力竞争的局面。网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出,以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一,结构变得更加复杂,网络互联成为必然趋势。精简系统内核,优化关键算法,降低功耗和软硬件成本。提供更加友好的多媒体人机交互界面。 21世纪无疑将足一个网络的时代,将嵌入式系统应用到各种网络环境中去的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,随着Internet的进一步发展,以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧
15、密,嵌入式设备与Internet的结合才是嵌入式技术的真正未来。信息时代和数字时代的到来,为嵌入式系统的发展带来了巨大的机遇,同时也对嵌入式系统厂商提出,新的挑战。目前,嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展,嵌入式系统的研究和应用产生了如下新的显著变化;随着ARM及其合作伙伴在嵌入式领域不断努力,芯片的成本不断降低,多种智能设备将通过互联网得以联动,形成一个体系。在这个网络中,所有的日常事物都将内置芯片,从而具备处理信息并与网络交流的能力,这就是所谓的物联网。与应用处理器(AP)相比,微控制器(MCU)应用和嵌入式系统开发领域无疑具有相当的多样性和复杂性。201
16、2年23日,中国农历年的除夕这一天, LSI公司今天宣布扩大与ARM的长期的战略合作伙伴关系。新闻明确的提出,LSI将借此合作进军网络应用。根据新授权许可, LSI不但可以访问包括包括了支持虚拟化的ARM Cortex-A15处理器的一系列ARM处理器,而且可以访问对于多核应用至关重要的ARM芯片的互连技术。回顾2013,10月份,AppliedMicro 的获得v8架构授权,8月份,海思半导体获ARM技术授权,用于新一代的3G/4G基站网络基础架构。2月份, Broadcom和ARM扩展了战略合作伙伴,1月份,Cavium的进行一代SoC的新闻,再算上一直有ARM架构Marvell,ARM越
17、来越多的和网络联系在一起。在国内,越来越多的开源软件,让一直倍受封闭系统折磨的电信OEM,开始从ARM强大的生态系统的受益。 当然,最重要的是,ARM的处理器不仅仅是在低功耗表现出色,它们在性能方面的优势逐步显现。因为网络应用永远都是性能饥渴的。将嵌入式系统技术与以太网技术集成在一起很早之前就产生了,但是有很多的客观因素制约了它的发展。早期的嵌入式系统中的处理器大部分是以8位、16位MCU微控制器为主,无论是运算速度还是存储容量都比较低。而且早期的以太网技术还不成熟,所以TCP/IP协议栈未能在嵌入式系统中得到广泛的运用。但是随着半导体微电子技术和以太网技术的高速发展,以上的问题正在逐步得到解
18、决,32位MCU微处理器也逐步得到广泛的应用。本文以ARM处理结构的嵌入式硬件系统为基础,实现了具有网络通信的实时操作系统,该应用可以广泛的在工业控制,通讯设备,家用电器等领域推广,使得更多的设备能够被远程控制和管理,改变传统的模式,进入互联网通信的世界。除此之外,本文是采用MB9F618这开发板,TR-Thread的操作系统,以及嵌入式的LwIP协议,最终来实现本系统的测试。1第一章 相关技术背景介绍第一章 相关技术背景介绍1. 嵌入式系统的定义嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬和软件的完整的计算机系统,它的定义是:“嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软
19、硬件可剪裁,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象的专用微处理器,但是功能比通用计算机专门化,具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。嵌入式系统一般指非PC系统,它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和IO端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(OS)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。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。嵌入式系统的核心是嵌
20、入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点:(1)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心的执行时间减少到最低限度。 (2)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。(3)可扩展的处理器结构,以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。(4)嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。(1)硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器(SDRAM、ROM、Flash等
21、)、通用设备接口和I/O接口(A/D、D/A、I/O等)。在一嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路,就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。(2)中间层硬件层与软件层之间为中间层,也称为硬件抽象层(Hardware Abstract Layer,HAL)或者版级支持包(Board Support Package,BSP),它半系统上层软件与底层硬件分离开来,使系统的底层驱动程序与硬件无关,上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况,根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。
22、实际上,BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次,包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作:嵌入工系统的硬件初始化的BSP功能,设计硬件相关的设备驱动。(3)系统软件层系统软件层由实时多任务操作系(Real-time Operation System,RTOS)、文件系统、图形用户接口(Graphic User Interface,GUI)、网络系统及通用组件模块组成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。2. 嵌入式处理器分类与现状图1-1 嵌入式处理器分类嵌入式微处理器(MPU):微机中的中央处理器(CPU)称为微处理器(MPU),是构
23、成微机的核心部件,也可以说是微机的心脏。它起到控制整个微型计算机工作的作用,产生控制信号对相应的部件进行控制,并执行相应的操作。在微机中,CPU被集成在一片超大规模集成电路芯片上,称为微处理器(MPU),微处理器插在主板的cpu插槽中。通常所说的16位机、32位机是指该计算机中微处理器内部数据总线的宽度,也就是CPU可同时操作的二进制数的位数。目前常用的CPU都是64位的,即一次可传送64位二进制数。嵌入式微控制器(MCU):(嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit,EMCU)嵌入式微控制器的典型代表是单片机,单片机从诞生之日起,就称为嵌入式微控制器。它体积
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