嵌入式控制系統(tǒng)綜合實驗性指導(dǎo)用書.docx

嵌入式控制系統(tǒng)綜合實驗指導(dǎo)書目 錄實驗一 熟悉嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境 1實驗二 串口通訊實驗 5實驗三 以太網(wǎng)通信實驗17實驗四 綜合設(shè)計實驗24實驗一 熟悉嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境一、實驗?zāi)康?、熟悉Linux 開發(fā)環(huán)境，學(xué)會基于S3C2410 的Linux 開發(fā)環(huán)境的配置和使用。2、使用Linux 的armv4l-unknown-linux-gcc 編譯，使用基于NFS 方式的下載調(diào)試，了解嵌入式開發(fā)的基本過程。二、實驗內(nèi)容本次實驗使用Redhat Linux 9.0 操作系統(tǒng)環(huán)境，安裝ARM-Linux 的開發(fā)庫及編譯器。創(chuàng)建一個新目錄，并在其中編寫hello.c 和Makefile 文件。學(xué)習(xí)在Linux 下的編程和編譯過程，以及ARM 開發(fā)板的使用和開發(fā)環(huán)境的設(shè)置。下載已經(jīng)編譯好的文件到目標(biāo)開發(fā)板上運行。三、預(yù)備知識C 語言的基礎(chǔ)知識、程序調(diào)試的基礎(chǔ)知識和方法，Linux 的基本操作。四、實驗設(shè)備及工具（包括軟件調(diào)試工具）硬件：UP-NETARM2410-S 嵌入式實驗平臺、PC 機(jī)Pentium 500 以上, 硬盤10G 以上。軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)REDHAT LINUX 9.0MINICOMARM-LINUX 開發(fā)環(huán)境五、實驗步驟1、建立工作目錄rootzxt smile# mkdir hellorootzxt smile# cd hello2、編寫程序源代碼在Linux 下的文本編輯器有許多，常用的是vim 和Xwindow 界面下的gedit 等，在開發(fā)過程中推薦使用vim，用戶需要學(xué)習(xí)vim 的操作方法，請參考相關(guān)書籍中的關(guān)于vim 的操作指南。 Kdevelope、anjuta 軟件的界面與vc6.0 類似，使用它們對于熟悉windows環(huán)境下開發(fā)的用戶更容易上手。實際的hello.c 源代碼較簡單，如下：include main()printf(“hello world n”);可以是用下面的命令來編寫hello.c 的源代碼，進(jìn)入hello 目錄使用vi 命令來編輯代碼：rootzxt hello# vi hello.c按“i”或者“a”進(jìn)入編輯模式，將上面的代碼錄入進(jìn)去，完成后按Esc 鍵進(jìn)入命令狀態(tài)，再用命令“：wq”保存并退出。這樣便在當(dāng)前目錄下建立了一個名為hello.c 的文件。3、編寫Makefile要使上面的hello.c 程序能夠運行，必須要編寫一個Makefile 文件，Makefile 文件定義了一系列的規(guī)則，它指明了哪些文件需要編譯，哪些文件需要先編譯，哪些文件需要重新編譯等等更為復(fù)雜的命令。使用它帶來的好處就是自動編譯，你只需要敲一個“make”命令整個工程就可以實現(xiàn)自動編譯，當(dāng)然本次實驗只有一個文件，它還不能體現(xiàn)出使用Makefile 的優(yōu)越性，但當(dāng)工程比較大文件比較多時，不使用Makefile 幾乎是不可能的。下面介紹本次實驗用到的Makefile 文件。CC= armv4l-unknown-linux-gccEXEC = helloOBJS = hello.oCFLAGS +=LDFLAGS+= staticall: $(EXEC)$(EXEC): $(OBJS)$(CC) $(LDFLAGS) -o $ $(OBJS)clean:-rm -f $(EXEC) *.elf *.gdb *.o下面來簡單介紹這個Makefile 文件的幾個主要部分： CC 指明編譯器 EXEC 表示編譯后生成的執(zhí)行文件名稱 OBJS 目標(biāo)文件列表 CFLAGS 編譯參數(shù) LDFLAGS 連接參數(shù) all: 編譯主入口 clean： 清除編譯結(jié)果注意：“$(CC) $(LDFLAGS) -o $ $(OBJS)”和“-rm -f $(EXEC) *.elf *.gdb *.o”前空白由一個Tab 制表符生成，不能單純由空格來代替。與上面編寫hello.c 的過程類似，用vi 來創(chuàng)建一個Makefile 文件并將代碼錄入其中rootzxt hello# vi Makefile4、編譯應(yīng)用程序在上面的步驟完成后，就可以在hello 目錄下運行“make”來編譯的程序了。如果進(jìn)行了修改，重新編譯則運行:rootzxt hello# make cleanrootzxt hello# make注意：編譯、修改程序都是在宿主機(jī)（本地PC 機(jī)）上進(jìn)行，不能在MINICOM 下進(jìn)行。5、下載調(diào)試在宿主PC 計算機(jī)上啟動NFS 服務(wù)，并設(shè)置好共享的目錄，具體配置請參照前面第一章第四節(jié)中關(guān)于嵌入式Linux 環(huán)境開發(fā)環(huán)境的建立。在建立好NFS 共享目錄以后，就可以進(jìn)入MINICOM 中建立開發(fā)板與宿主PC 機(jī)之間的通訊了。rootzxt hello# minicom/mnt/yaffs mount -t nfs -o nolock 6:/arm2410s /host注意： IP 地址需要根據(jù)宿主PC 機(jī)的實際情況修改成功掛接宿主機(jī)的arm2410s 目錄后，在開發(fā)板上進(jìn)入/host 目錄便相應(yīng)進(jìn)入宿主機(jī)的/arm2410s 目錄， 已經(jīng)給出了編輯好的hello.c 和Makefile 文件， 它們在/arm2410s/exp/basic/01_hello 目錄下。用戶可以直接在宿主PC 上編譯生成可執(zhí)行文件，并通過上面的命令掛載到開發(fā)板上，運行程序察看結(jié)果。如果不想使用提供的源碼的話，可以再建立一個NFS 共享文件夾。/root/share，我們把自己編譯生成的可執(zhí)行文件復(fù)制到該文件夾下，并通過MINICOM 掛載到開發(fā)板上。rootzxt hello# cp hello /root/sharerootzxt hello# minicom/mnt/yaffs mount -t nfs -o nolock 6:/root/share /host再進(jìn)入/host 目錄運行剛剛編譯好的hello 程序，查看運行結(jié)果。/mnt/yaffs cd /host/host ./hellohello world注意：開發(fā)板掛接宿主計算機(jī)目錄只需要掛接一次便可，只要開發(fā)板沒有重起，就可以一直保持連接。這樣可以反復(fù)修改、編譯、調(diào)試，不需要下載到開發(fā)板。六、思考題1Makefile 是如何工作的？其中的宏定義分別是什么意思？實驗二 串口通訊實驗一、實驗?zāi)康?、了解在linux 環(huán)境下串行程序設(shè)計的基本方法。2、掌握終端的主要屬性及設(shè)置方法，熟悉終端I /O 函數(shù)的使用。3、學(xué)習(xí)使用多線程來完成串口的收發(fā)處理。二、實驗內(nèi)容讀懂程序源代碼， 學(xué)習(xí)終端I /O 函數(shù)的使用方法，學(xué)習(xí)將多線程編程應(yīng)用到串口的接收和發(fā)送程序設(shè)計中。三、預(yù)備知識 有C 語言基礎(chǔ)。 掌握在Linux 下常用編輯器的使用。 掌握Makefile 的編寫和使用。 掌握Linux 下的程序編譯與交叉編譯過程四、實驗設(shè)備及工具硬件：UP-NETARM2410-S 嵌入式實驗平臺、PC 機(jī)Pentium 500 以上, 硬盤10G 以上。軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)REDHAT LINUX 9.0MINICOMARM-LINUX 開發(fā)環(huán)境五、實驗原理異步串行I /O 方式是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位(例如先低位、后高位)地傳送。數(shù)據(jù)的各不同位可以分時使用同一傳輸通道，因此串行IO 可以減少信號連線，最少用一對線即可進(jìn)行。接收方對于同一根線上一連串的數(shù)字信號，首先要分割成位，再按位組成字符。為了恢復(fù)發(fā)送的信息，雙方必須協(xié)調(diào)工作。在微型計算機(jī)中大量使用異步串行IO方式，雙方使用各自的時鐘信號，而且允許時鐘頻率有一定誤差，因此實現(xiàn)較容易。但是由于每個字符都要獨立確定起始和結(jié)束(即每個字符都要重新同步)，字符和字符間還可能有長度不定的空閑時間，因此效率較低。圖2.3.1 串行通信字符格式圖2.3.1 給出異步串行通信中一個字符的傳送格式。開始前，線路處于空閑狀態(tài)，送出連續(xù)“1”。傳送開始時首先發(fā)一個“”作為起始位，然后出現(xiàn)在通信線上的是字符的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。每個字符的數(shù)據(jù)位長可以約定為5 位、6 位、7 位或8 位，一般采用ASCII 編碼。后面是奇偶校驗位，根據(jù)約定，用奇偶校驗位將所傳字符中為“1”的位數(shù)湊成奇數(shù)個或偶數(shù)個。也可以約定不要奇偶校驗，這樣就取消奇偶校驗位。最后是表示停止位的“1”信號，這個停止位可以約定持續(xù)1 位、1.5 位或2 位的時間寬度。至此一個字符傳送完畢，線路又進(jìn)入空閑，持續(xù)為“1”。經(jīng)過一段隨機(jī)的時間后，下一個字符開始傳送才又發(fā)出起始位。每一個數(shù)據(jù)位的寬度等于傳送波特率的倒數(shù)。微機(jī)異步串行通信中，常用的波特率為50，95，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600 等。接收方按約定的格式接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行檢查，可以查出以下三種錯誤： 奇偶錯：在約定奇偶檢查的情況下，接收到的字符奇偶狀態(tài)和約定不符。 幀格式錯：一個字符從起始位到停止位的總位數(shù)不對。 溢出錯：若先接收的字符尚未被微機(jī)讀取，后面的字符又傳送過來，則產(chǎn)生溢出錯。每一種錯誤都會給出相應(yīng)的出錯信息，提示用戶處理。一般串口調(diào)試都使用空的MODEM 連接電纜，其連接方式如下：圖2.3.2 實用RS-232C 通訊連線六、程序分析Linux 操作系統(tǒng)從一開始就對串行口提供了很好的支持，為進(jìn)行串行通訊提供了大量的函數(shù)，我們的實驗主要是為掌握在Linux 中進(jìn)行串行通訊編程的基本方法。本實驗的程序流程圖如下：圖2.3.3 串口通訊實驗流程圖本實驗的代碼如下：#include #include #include #include #include #include #define BAUDRATE B115200#define COM1 /dev/ttyS0#define COM2 /dev/ttyS1#define ENDMINITERM 27 /* ESC to quit miniterm */#define FALSE 0#define TRUE 1volatile int STOP=FALSE;volatile int fd;void child_handler(int s)printf(stop!n);STOP=TRUE;/*-*/void* keyboard(void * data)int c;for (;)c=getchar();if( c= ENDMINITERM)STOP=TRUE;break ;return NULL;/*-*/* modem input handler */void* receive(void * data)int c;printf(read modemn);while (STOP=FALSE)read(fd,&c,1); /* com port */write(1,&c,1); /* stdout */printf(exit from reading modemn);return NULL;/*-*/void* send(void * data)int c=0;printf(send datan);while (STOP=FALSE) /* modem input handler */c+;c %= 255;write(fd,&c,1); /* stdout */usleep(100000);return NULL; /*-*/int main(int argc,char* argv)struct termios oldtio,newtio,oldstdtio,newstdtio;struct sigaction sa;int ok;pthread_t th_a, th_b, th_c;void * retval;if( argc 1)fd = open(COM2, O_RDWR );elsefd = open(COM1, O_RDWR ); /| O_NOCTTY |O_NONBLOCK);if (fd 0) error(COM1);exit(-1);tcgetattr(0,&oldstdtio);tcgetattr(fd,&oldtio); /* save current modem settings */tcgetattr(fd,&newstdtio); /* get working stdtio */newtio.c_cflag = BAUDRATE | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD; /*ctrol flag*/newtio.c_iflag = IGNPAR; /*input flag*/newtio.c_oflag = 0; /*output flag*/newtio.c_lflag = 0;newtio.c_ccVMIN=1;newtio.c_ccVTIME=0;/* now clean the modem line and activate the settings for modem */tcflush(fd, TCIFLUSH);tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio); /*set attrib*/sa.sa_handler = child_handler;sa.sa_flags = 0;sigaction(SIGCHLD,&sa,NULL); /* handle dying child */pthread_create(&th_a, NULL, keyboard, 0);pthread_create(&th_b, NULL, receive, 0);pthread_create(&th_c, NULL, send, 0);pthread_join(th_a, &retval);pthread_join(th_b, &retval);pthread_join(th_c, &retval);tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio); /* restore old modem setings */tcsetattr(0,TCSANOW,&oldstdtio); /* restore old tty setings */close(fd);exit(0);下面我們對這個程序的主要部分做一下簡單的分析 頭文件#include /*標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出定義*/#include /*標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫定義*/#include /*linux 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)定義*/#include #include #include /*文件控制定義*/#include /*PPSIX 終端控制定義*/#include /*錯誤號定義*/#include /*線程庫定義*/ 打開串口在Linux 下串口文件位于/dev 下，一般在老版本的內(nèi)核中串口一為/dev/ttyS0 ，串口二為 /dev/ttyS1， 在我們的開發(fā)板中串口設(shè)備位于/dev/tts/下，因為開發(fā)板中沒有ttyS0這個設(shè)備，所以我們要建立一個連接，方法如下：/mnt/yaffs cd /dev/dev ln sf /dev/tts/0 ttyS0打開串口是通過標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)來實現(xiàn)的int fd;fd = open( /dev/ttyS0, O_RDWR); /*以讀寫方式打開串口*/if (-1 = fd) /* 不能打開串口一*/perror( 提示錯誤！); 串口設(shè)置：最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置，效驗位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置 structtermios 結(jié)構(gòu)體的各成員值，關(guān)于該結(jié)構(gòu)體的定義可以查看/arm2410s/kernel-2410s/include/asm/termios.h 文件。struct termiounsigned short c_iflag; /* 輸入模式標(biāo)志 */unsigned short c_oflag; /* 輸出模式標(biāo)志 */unsigned short c_cflag; /* 控制模式標(biāo)志 */unsigned short c_lflag; /* local mode flags */unsigned char c_line; /* line discipline */unsigned char c_ccNCC; /* control characters */;設(shè)置這個結(jié)構(gòu)體很復(fù)雜，可以參考man 手冊或者由趙克佳、沈志宇編寫的UNIX 程序編寫教程，我這里就只考慮常見的一些設(shè)置：波特率設(shè)置：下面是修改波特率的代碼：struct termios Opt;tcgetattr(fd, &Opt);cfsetispeed(&Opt,B19200); /*設(shè)置為19200Bps*/cfsetospeed(&Opt,B19200);tcsetattr(fd,TCANOW,&Opt);校驗位和停止位的設(shè)置：無效驗 8 位Option.c_cflag &= PARENB;Option.c_cflag &= CSTOPB;Option.c_cflag &= CSIZE;Option.c_cflag |= CS8;奇效驗(Odd) 7 位Option.c_cflag |= PARENB;Option.c_cflag &= PARODD;Option.c_cflag &= CSTOPB;Option.c_cflag &= CSIZE;Option.c_cflag |= CS7;偶效驗(Even) 7 位Option.c_cflag &= PARENB;Option.c_cflag |= PARODD;Option.c_cflag &= CSTOPB;Option.c_cflag &= CSIZE;Option.c_cflag |= CS7;Space 效驗 7 位Option.c_cflag &= PARENB;Option.c_cflag &= CSTOPB;Option.c_cflag &= &CSIZE;Option.c_cflag |= CS8;設(shè)置停止位：1 位：options.c_cflag &= CSTOPB;2 位:options.c_cflag |= CSTOPB;注意：如果不是開發(fā)終端之類的，只是串口傳輸數(shù)據(jù)，而不需要串口來處理，那么使用原始模式(Raw Mode)方式來通訊，設(shè)置方式如下：options.c_lflag &= (ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); /*Input*/options.c_oflag &= OPOST; /*Output*/ 讀寫串口設(shè)置好串口之后，讀寫串口就很容易了，把串口當(dāng)作文件讀寫就可以了。 發(fā)送數(shù)據(jù)：char buffer1024;int Length1024;int nByte;nByte = write(fd, buffer ,Length) 讀取串口數(shù)據(jù)：使用文件操作read 函數(shù)讀取，如果設(shè)置為原始模式(Raw Mode)傳輸數(shù)據(jù)，那么read 函數(shù)返回的字符數(shù)是實際串口收到的字符數(shù)?？梢允褂貌僮魑募暮瘮?shù)來實現(xiàn)異步讀取，如fcntl，或者select 等來操作。char buff1024;int Len1024;int readByte = read(fd, buff, Len); 關(guān)閉串口關(guān)閉串口就是關(guān)閉文件。close(fd);七、實驗步驟1、閱讀理解源碼進(jìn)入expbasic03_tty 目錄，使用vi 編輯器或其他編輯器閱讀理解源代碼。2、編譯應(yīng)用程序運行make 產(chǎn)生term 可執(zhí)行文件rootzxt root# cd /arm2410s/exp/basic/03_tty/rootzxt 03_tty# makearmv4l-unknown-linux-gcc -c -o term.o term.carmv4l-unknown-linux-gcc -o ./bin/term term.o -lpthreadarmv4l-unknown-linux-gcc -o term term.o -lpthreadrootzxt 03_tty# lsMakefile Makefile.bak term term.c term.o tty.c3、下載調(diào)試切換到minicom 終端窗口，使用NFS mount 開發(fā)主機(jī)的/arm2410s 到/host 目錄。進(jìn)入expbasic03_tty 目錄，運行term，觀察運行結(jié)果的正確性。rootzxt root# minicom/mnt/yaffs mount -t nfs -o nolock 6:/arm2410s /host/mnt/yaffscd /host/exp/basic/03_tty/host/exp/basic/03_tty./termread modemsend data123456789:;?ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX由于內(nèi)核已經(jīng)將串口1 作為終端控制臺，所以可以看到term 發(fā)出的數(shù)據(jù)，卻無法看到開發(fā)主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，可以使用另外一臺主機(jī)連接串口2 進(jìn)行收發(fā)測試。Ctrl+c 可使程序強行退出。注意：如果在執(zhí)行./term 時出現(xiàn)下面的錯誤，可以通過我們前文提到的方法建立一個連接來解決。/dev/ttyS0: No such file or directory解決方法：/mnt/yaffs cd /dev/dev ln sf /dev/tts/0 ttyS0 （注意首字母是l, 不是數(shù)字1）八、思考題1編寫一個簡單的文件收發(fā)程序完成串口文件下載。2終端對特殊字符的處理。實驗三 以太網(wǎng)通信實驗一、實驗?zāi)康?、掌握在ARM 開發(fā)板實現(xiàn)一個簡單WEB 服務(wù)器的過程。2、學(xué)習(xí)在ARM 開發(fā)板上的SOCKET 網(wǎng)絡(luò)編程。3、學(xué)習(xí)Linux 下的signal()函數(shù)的使用。二、實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)使用socket 進(jìn)行通訊編程的過程，了解一個實際的網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用程序整體設(shè)計，閱讀HTTP 協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)幾個重要的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的使用方法。讀懂HTTPD.C 源代碼。在此基礎(chǔ)上增加一些其他功能。在PC 計算機(jī)上使用瀏覽器測試嵌入式WEB 服務(wù)器的功能。三、預(yù)備知識 C 語言的基礎(chǔ)知識、程序調(diào)試的基礎(chǔ)知識和方法，Linux 環(huán)境下常用命令和Vi 編輯器的操作。 HTTP1.0 協(xié)議的基本知識。 SOCKET 編程的幾個基本函數(shù)的使用方法。四、實驗設(shè)備及工具硬件：UP-NETARM2410-S 嵌入式實驗平臺、PC 機(jī)Pentium 500 以上, 硬盤10G 以上。軟件：PC 機(jī)操作系統(tǒng)REDHAT LINUX 9.0MINICOMARM-LINUX 開發(fā)環(huán)境五、程序分析1、主程序設(shè)計1）功能說明系統(tǒng)的總?cè)肟?，也是系統(tǒng)的主要控制函數(shù)。分別完成如下功能： 建立環(huán)境設(shè)置。 設(shè)置信號處理方式。 建立偵聽TCP 流方式SOCKET 并綁定80 端口。 建立連接偵聽及客戶連接處理調(diào)用主循環(huán)。2）算法流程圖算法流程圖如圖2.7.5 所示：圖2.7.5 算法流程圖3）命令行輸入處理用戶在命令行輸入?yún)?shù) -i ,則將客戶輸入文件描述字設(shè)為0，即標(biāo)準(zhǔn)輸入。用于在本機(jī)進(jìn)行測試。其他輸入全部忽略。2、客戶連接處理模塊設(shè)計1）功能說明用于初步處理客戶的連接請求，并將請求信息傳遞給客戶請求解析函數(shù)處理。2）算法具體算法如圖2.7.6 所示：圖2.7.6 算法流程圖3、客戶請求解析處理模塊設(shè)計1）功能說明用于解析客戶的請求，并根據(jù)請求信息調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行請求處理。2）算法算法流程圖如圖2.7.7 所示：圖2.7.7 算法流程圖4、發(fā)送HTTP 協(xié)議數(shù)據(jù)頭模塊設(shè)計1）功能說明根據(jù)參數(shù)的不同，發(fā)送不同的HTTP 協(xié)議頭信息。2）算法函數(shù)定義為：int PrintHeader(FILE *f, int content_type) 發(fā)送請求成功信息：HTTP/1.0 200 OK。根據(jù)文檔類型發(fā)送相應(yīng)的信息：fprintf()，函數(shù)中的第一個參數(shù)f 為客戶連接文件流句柄。switch (content_type)case t:fprintf(f,Content-type: text/plainn);break;case g:fprintf(f,Content-type: image/gifn);break;case j:fprintf(f,Content-type: image/jpegn);break;case h:fprintf(f,Content-type: text/htmln);break; 發(fā)送服務(wù)器信息：fprintf(f,Server: AMRLinux-httpd 0.2.4n); 發(fā)送文件過期為永不過期：fprintf(f,Expires: 0n);六、實驗步驟1、閱讀理解源碼進(jìn)入/arm2410s/exp/basic/09_httpd 目錄，使用vi 編輯器或其他編輯器閱讀理解源代碼2、編譯應(yīng)用程序運行make 產(chǎn)生可執(zhí)行文件httpdrootzxt /#