ARM11嵌入式系統(tǒng)實時網(wǎng)絡通信和LCD顯示的實現(xiàn)

摘要：通過對ARM11嵌入式系統(tǒng)Linux下的實時網(wǎng)絡通信和LCD顯示進行研究，分析了網(wǎng)絡通信協(xié)議和LCD驅(qū)動方式。在ARM11嵌入式系統(tǒng)下設(shè)計了直接讀寫GPIO的LCD顯示程序，并實現(xiàn)網(wǎng)絡終端服務器和客戶端雙線程的工作模式，解決了網(wǎng)絡通信實時性和可靠性的問題。實際應用表明：該方法LCD顯示速度快、網(wǎng)絡通信實時性強可靠性好、ARM11和計算機的資源利用率高。
關(guān)鍵詞：ARM11；實時網(wǎng)絡通信；LCD；Linux

0 引言
    ARM11主頻為533 MHz，最高可達667 MHz，較ARM7主頻提高了10倍，且擁有更豐富的片上資源，處理速度更快，功能更強?；谏鲜鎏攸c，ARM11可完全適應實時性較強的網(wǎng)絡終端的設(shè)計。
    在以ARM11為核心的網(wǎng)絡終端設(shè)計中，需要LCD在終端實時顯示網(wǎng)絡通信的各項參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)，LCD的顯示內(nèi)容依靠網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)中的指令來控制，而網(wǎng)絡終端的操作數(shù)據(jù)也要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)接嬎銠C，因此網(wǎng)絡通信和LCD顯示需要很強的實時性才能合理使用計算機和ARM11的資源，從而提高系統(tǒng)的運行效率。
    該文以ARM11處理器S3C6410為平臺，基于Linux操作系統(tǒng)設(shè)計了一種在ARM11內(nèi)核直接控制LCD顯示的方法，并采用TCP／IP協(xié)議設(shè)計了一種同時作客戶端和服務器的終端工作模式。

1 ARM11網(wǎng)絡終端實時通信特性分析
1．1 數(shù)據(jù)流分析
    在計算機與ARM11通信的系統(tǒng)中，計算機的處理速度比ARM11快很多，如將數(shù)據(jù)處理等工作量大的任務分配給計算機去處理，則可大大減少ARM11的資源消耗，ARM11就可以更快地去響應其他操作，因此為了減少ARM11顯示任務的時間，可以將ARM11要顯示圖片的數(shù)據(jù)處理交給計算機，計算機按照ARM11顯示的數(shù)據(jù)要求處理好數(shù)據(jù)后再通過網(wǎng)絡傳到ARM11再完成LCD的顯示。此外，ARM11網(wǎng)絡終端還要向計算機傳輸設(shè)備工作狀態(tài)信息，計算機則還要向網(wǎng)絡終端傳輸一些控制命令。
1．2 通信協(xié)議分析
    網(wǎng)絡通信必然涉及到通信協(xié)議的問題，目前普遍采用的網(wǎng)絡協(xié)議有UDP協(xié)議和TCP／IP協(xié)議。在實時性要求較高的網(wǎng)絡通信中希望能做到想發(fā)就發(fā)，有數(shù)據(jù)就收。兩個協(xié)議中UDP比較符合這個要求，但是它不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕敂?shù)據(jù)較多時很可能會發(fā)生嚴重的丟包現(xiàn)象，尤其是像LCD顯示的圖片數(shù)據(jù)這類數(shù)據(jù)較大而且傳輸頻繁的數(shù)據(jù)，可能會嚴重影響液晶顯示這是不能被接受的。相比之下TCP／IP協(xié)議能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?br />     在TCP／IP協(xié)議ARM11網(wǎng)絡終端作為服務器或者客戶端是不能做到隨時想發(fā)就發(fā)，有數(shù)據(jù)就收的，比如作為服務器接收完來自計算機的數(shù)據(jù)后，如果計算機斷開了連接，那么網(wǎng)絡終端再想向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，就必須等到計算機再次作為客戶端向終端發(fā)起連接才行。為了解決TCP／IP協(xié)議的這種問題，本文設(shè)計了網(wǎng)絡終端和計算機既作客戶端又作服務器的雙線程工作模式，在這種工作模式下終端和計算機隨時能發(fā)起和斷開連接，從而做到隨時想發(fā)就發(fā)，有數(shù)據(jù)就收。

2 LCD顯示的軟件設(shè)計
2．1 LCD的顯示方法分析
    (1)基于Framebuffer驅(qū)動方式。在Linux下有完善的Framebuffer驅(qū)動程序，所以可以利用ARM11集成的LCD控制器采用Framebuffer控制LCD，F(xiàn)ramebuffer是顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)，用戶通過內(nèi)存映射將其映射到進程地址空間之后，就可以直接進行讀寫操作，而操作可以直接反應到屏幕上。該方法反應速度快、執(zhí)行效率高，應用程序簡單，但是底層硬件驅(qū)動復雜，硬件變更后編寫難度大，不易實現(xiàn)。不帶控制器的LCD通常采用這種方法。
    (2)直接讀寫GPIO驅(qū)動方式。目前有很多類型的液晶屏自帶LCD控制器，ARM向控制器寫控制指令和數(shù)據(jù)就可以完成對LCD的初始化和內(nèi)容的顯示。這種顯示方法軟件設(shè)計相對簡單，占用的代碼空間小，可以通過簡單的控制芯片進行驅(qū)動。針對自帶控制器的LCD，本文設(shè)計了直接讀寫GPIO驅(qū)動LCD的方法。該方法在底層驅(qū)動向LCD控制器和LCD的應用程序提供接口，LCD控制器的讀寫時序全部在底層驅(qū)動中完成，底層驅(qū)動向應用程序提供初始化接口和顯示數(shù)據(jù)接口。該方法應用程序和內(nèi)核的交互少，程序執(zhí)行效率高。
2．2 LCD顯示的實現(xiàn)
    通過上述分析，本文設(shè)計直接讀寫GPIO驅(qū)動帶LCD控制器的液晶屏，該方法的程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    在底層驅(qū)動中主要包括以下幾個函數(shù)：
    (1)初始化函數(shù)s3c6410_inti。該函數(shù)包括2部分的初始化：一是對ARM11用于同LCD控制器相連GPIO口控制寄存器的初始化，核心語句是writel(tmp，S3C64XX_GPICON)，其中writel是驅(qū)動層的寫函數(shù)，tmp是寫入控制寄存器的數(shù)據(jù)，S3C64XX_GPICON是S3C6410中第I組GPIO口的控制寄存器，如果采用別的GPIO口就改用別的控制寄存器宏定義；二是對LCD控制器初始化。
    (2)寫數(shù)據(jù)函數(shù)s3c6410_WRData和寫命令函數(shù)s3c6410_WRCommand。這2個函數(shù)按照具體LCD控制寄存器的寫數(shù)據(jù)時序和寫命令時序，完成對LCD控制器的寫數(shù)據(jù)和寫命令，向GPIO寫數(shù)據(jù)的函數(shù)是writel(tmp，S3C64XX_GPIDAT)，writel和tmp與上述相同，S3C64XX_GPIDAT是S3C64 10中第I組GPIO口的數(shù)據(jù)寄存器。
    (3)顯示函數(shù)s3c6410_LCDdisplay。該函數(shù)通過調(diào)用寫命令函數(shù)和寫數(shù)據(jù)函數(shù)到達在液晶屏上具體位置顯示具體圖片或文字的效果。
    (4)系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)s3c64xx_ioctl(structfile*file，int cmd，long int data)。該函數(shù)定義s3c6410_inti和s3c6410_LCDdisplay2個函數(shù)接口通過系統(tǒng)調(diào)用iotcl(fd，1，xx)和iotcl(fd，2，xx)，以供應用程序調(diào)用，應用程序使用iotcl(fd，1，xx)就可初始化結(jié)晶屏，只需要向s3c6410_LCDdisplay的接口iotcl(fd，2，xx)中寫數(shù)據(jù)就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的LCD顯示。[!--empirenews.page--]

3 網(wǎng)絡通信和LCD顯示的整體設(shè)計
    在網(wǎng)絡通信和LCD顯示的整體設(shè)計上，從LCD顯示數(shù)據(jù)的有效性和網(wǎng)絡系統(tǒng)工作的實時性角度出發(fā)，本文擬采用TCP／IP協(xié)議設(shè)計服務器和客戶端雙線程工作模式，液晶顯示用直接讀寫GPIO的驅(qū)動方法，顯示數(shù)據(jù)由計算機處理好后發(fā)送給ARM11客戶端來實現(xiàn)。程序設(shè)計的流程圖如圖2所示。軟件首先通過系統(tǒng)調(diào)用iotcl(fd，1，xx)調(diào)用函數(shù)底層驅(qū)動的液晶屏初始化函數(shù)初始化結(jié)晶屏，然后使用pthread_create()創(chuàng)建服務器線程和客戶端線程。當線程建立后ARM11網(wǎng)絡終端同時進入兩個線程：服務器線程將一直等待客戶端發(fā)起連接，當客戶端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時只要發(fā)起連接就能保證和它連接上，接收到客戶端數(shù)據(jù)后用于LCD顯示或者其他處理，處理完成后再回到等待客戶端連接；客戶端線程則一直掃描終端狀態(tài)，一旦有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給服務器就馬上發(fā)起連接發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后繼續(xù)掃描。

    主程序核心代碼如下：


4 系統(tǒng)運行效果分析
    在系統(tǒng)中網(wǎng)絡終端和計算機的服務器線程一直處于工作狀態(tài)，這樣就保證了任何一端隨時能作為客戶端發(fā)起鏈接并鏈接成功，換個角度任何一端也能夠隨時收到客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了想發(fā)就發(fā)，有數(shù)據(jù)就收，達到了實時網(wǎng)絡通信的實時性要求。
    ARM11網(wǎng)絡終端上，將液晶顯示的圖片數(shù)據(jù)交由計算機處理，大大減少ARM11的處理時間，使得響應按鍵、開關(guān)等的速度更為迅速。LCD顯示上采用直接讀寫GPIO，LCD控制器的讀寫時序全部在底層驅(qū)動中完成，應用程序和內(nèi)核的交互少，試驗證明內(nèi)核的執(zhí)行速度在數(shù)量級上大于應用程序的執(zhí)行速度，程序運行效率高。

5 結(jié)語
    ARM11嵌入式系統(tǒng)以其體積小、處理速度快、功能強的特點，能實現(xiàn)實時性要求較高的網(wǎng)絡組網(wǎng)和網(wǎng)絡通信，從而進一步開拓了嵌入式系統(tǒng)的應用前景。本文通過設(shè)計TCP／IP協(xié)議服務器客戶端雙線程工作模式和直接讀寫GPIO驅(qū)動LCD，并將顯示圖片由網(wǎng)絡交給計算機處理，提高了實時網(wǎng)絡通信的可靠性和實時性，充分利用了計算機和ARM11的資源。同時該設(shè)計可移植性強，可應用到其他網(wǎng)絡終端的工作，對ARM11嵌入式系統(tǒng)的應用具有借鑒意義。