基于ARM的嵌入式网关多协议转换的研究

论文摘要

计算机网络技术的飞速发展,引发了传统的计算机控制网络结构的深刻变革,也带动了嵌入式网络的发展。然而对于大量的还在使用8/16位低端处理器的嵌入式监控设备而言,实现TCP/IP协议是不现实的。本文通过对现有的嵌入式Internet实现方案的分析,提出了采用嵌入式网关实现控制网络接入Internet的方案。在信息技术的研究领域中,嵌入式网络是一个非常重要的研究方向,而在嵌入式网络中,嵌入式网关又是一个非常重要的组成部分,它对嵌入式网络技术的发展有着举足轻重的意义。文中我们分析了构建嵌入式网关的一些关键技术,在对一些嵌入式技术进行分析的基础上,提出了一种嵌入式网关的设计方案,实现了CAN、RS-485与Internet之间的协议转换,并给出了具体实现。通过网关将嵌入式设备能连接起来形成一种分布式的网络,并提供一种成本低、可靠性高、灵活性好、控制方便的网络平台。嵌入式网络由网关通过网络接口接入各类网络,包括常见的Internet以及各种现场总线网络等,组成一个具有分布式网络信息处理能力和先进控制功能的网络系统。利用CAN、RS-485等总线将嵌入式设备组网,增加一个嵌入式网关,网关将这些嵌入式设备组成的网络与Internet实现互连。Internet上面的各种通信协议均由网关完成,而嵌入式设备系统仅实现数据采集与控制。当其本地子网上某一设备请求服务时,嵌入式网关可以连接到Internet站点。相反,当一个网络应用需要通信时,嵌入式网关负责处理来自远程网间连接器的通信要求。处理器我们采用了三星公司的ARM7系列S3C44B0X处理器,嵌入式操作系统选用uClinux。本文主要对嵌入式网关的设计方案,嵌入式网关系统的软硬件设计,uClinux操作系统的移植,网关协议栈的协议设计与转换等做了深入研究。具体涉及到建立开发环境,调试硬件电路,运行操作系统,移植操作系统及其应用函数库,编写一些特定设备的驱动程序,TCP/IP协议、CAN协议、RS-485协议的详细设计与他们之间的协议转换实现等。我们研究的这个嵌入式网关具有成本低,效率高的特点,有较高的实践和研究价值,值得推广。最后,本论文对所做的工作进行了总结,并且指出了本嵌入式网关后续开发需要完善的地方。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 嵌入式网关研究背景
• 1.1.2 目前存在的问题与研究意义
• 1.2 相关技术国内外发展现状
• 1.2.1 嵌入式设备网络化现状
• 1.2.2 网关技术的发展现状
• 1.3 嵌入式网关系统
• 1.3.1 嵌入式系统定义
• 1.3.2 嵌入式网关简介
• 1.3.3 嵌入式网关分类
• 1.4 研究内容与章节安排
• 1.5 本章小结
• 2 系统总体分析与设计
• 2.1 设计需要注意的地方
• 2.2 系统工作原理分析
• 2.3 系统总体设计
• 2.3.1 网关硬件系统
• 2.3.2 系统软件
• 2.4 开发流程与平台的建立
• 2.5 本章小结
• 3 系统硬件平台分析与实现
• 3.1 存储系统电路设计
• 3.1.1 FLASH 存储器
• 3.1.2 SDRAM 存储器
• 3.2 电源、晶振及复位电路设计
• 3.2.1 电源电路
• 3.2.2 晶振电路
• 3.2.3 复位电路
• 3.3 输入输出电路设计
• 3.3.1 串行接口电路
• 3.3.2 以太网接口电路
• 3.3.3 CAN 总线接口电路
• 3.3.4 光纤接口电路
• 3.3.5 JTAG 接口电路
• 3.4 系统电路的功能调试
• 3.4.1 RTL8019AS 功能调试
• 3.4.2 其他接口电路调试
• 3.5 本章小结
• 4 系统软件平台分析与实现
• 4.1 嵌入式操作系统uClinux
• 4.1.1 uClinux 内核结构特点分析
• 4.1.2 uClinux 源文件组织结构分析
• 4.2 启动代码Bootloader 实现
• 4.3 uClinux 系统的移植
• 4.3.1 uClinux 的内核配置
• 4.3.2 修改内核
• 4.3.3 编译uClinux 内核
• 4.3.4 配置生成uClinux 的文件系统
• 4.3.5 在开发板上运行uClinux
• 4.3.6 下载到开发板上的Flash 中
• 4.4 驱动程序的开发
• 4.4.1 uClinux 驱动程序分析
• 4.4.2 串口驱动程序实现
• 4.4.3 CAN 总线驱动程序实现
• 4.4.4 RTL8019AS 网络控制芯片驱动实现
• 4.5 本章小结
• 5 协议转换的分析与实现
• 5.1 网关协议栈的构建与分析
• 5.2 TCP/IP 协议栈分析
• 5.3 ARP 协议设计
• 5.3.1 ARP 协议分析
• 5.3.2 ARP 主要数据结构及数据报格式的设计
• 5.3.3 ARP 协议的实现
• 5.4 IP 协议设计
• 5.4.1 IP 协议分析
• 5.4.2 IP 主要数据结构及数据报格式的设计
• 5.4.3 IP 协议的实现
• 5.5 ICMP 协议设计
• 5.5.1 ICMP 协议分析
• 5.5.2 ICMP 主要数据结构及数据报格式的设计
• 5.5.3 ICMP 协议的实现
• 5.6 UDP 协议设计
• 5.6.1 UDP 协议分析
• 5.6.2 UDP 主要数据结构及数据报格式的设计
• 5.6.3 UDP 协议的实现
• 5.7 TCP 协议设计
• 5.7.1 TCP 协议分析
• 5.7.2 TCP 主要数据结构及数据报格式的设计
• 5.7.3 TCP 协议的实现
• 5.8 CAN 协议栈设计
• 5.8.1 CAN 协议分析
• 5.8.2 CAN 帧格式约定
• 5.8.3 CAN 链路层设计
• 5.8.4 CAN 协议错误检测
• 5.9 485 协议栈设计
• 5.9.1 485 协议分析
• 5.9.2 485 链路层设计
• 5.9.3 485 停止等待协议的实现
• 5.10 网络协议栈的API 实现
• 5.11 网关协议转换的实现
• 5.11.1 网络接口数据结构的定义
• 5.11.2 协议转换任务分析
• 5.11.3 TCP/IP 和485 协议转换的实现
• 5.11.4 TCP/IP 和CAN 协议转换的实现
• 5.11.5 CAN 和485 协议转换的实现
• 5.12 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ：研究生在读期间公开发表的学术论文及科研成果一览表
• 附录Ⅱ：发表的学术论文全文
• 致谢
• 中文详细摘要