基于ARM-Linux的网络通讯设计实验(上位机)

基于ARM-Linux的网络通讯设计实验
——上位机实验部分一．实验目的
1. 掌握基于LabWindows/CVI的上位机网络通讯程序的设计。

2. 掌握上位机与下位机的联调方法。

二．实验内容
在Windows系统的LabWindows/CVI开发环境下用C语言编写基于TCP协议的数据收发的上位机程序，作为客户端，可与下位机服务器端（上次实验完成的ARM-Linux程序）进行数据通讯，即字符串的收与发。

三．预备知识
1. C语言。

2. TCP网络传输协议的原理及工作方式。

四．实验设备与工具
硬件：测试技术与嵌入式系统综合实践平台，微型计算机。

软件：Windows操作系统，LabWindows/CVI，超级终端，ARM-Linux系统的内核映像文件zImage和上次实验完成的ARM-Linux系统的文件系统映像压缩文件initrd.gz。

五．实验原理与说明
1. 网络传输协议
众所周知，当今国际互联网Internet是建立在TCP/IP体系架构基础上的，尽管大名鼎鼎的OSI体系架构是ISO组织为取代TCP/IP而指定的，但由于TCP/IP协议体系出现得较早，并得到了市场的认可和商业上的驱动，应用非常广泛，目前已成为事实上的国际标准。

参照OSI体系架构的术语和概念，可以将TCP/IP体系分为四层结构，从上向下依次是：应用层、传输
其中，网络接口层根据不同的网络物理介质而不同，如同轴电缆、双绞线、光纤、无线等等，一般由硬件实现，并对上层是透明的，软件开发中一般无需考虑这一层。

TCP/IP体系结构中的网络层、传输层和应用层一般是由系统软件实现的。

网络层只运行一个协议，即IP协议，主要是供传输层协议调用的，程序设计者不能直接调用，因此，一般也无需考虑这一层。

TCP/IP体系结构中的传输层运行了两个截然不同的协议，即TCP协议和UDP协议，它们是为不同的应用场合而设计的。

为了方便应用程序的设计，大多数操作系统都提供了TCP和UDP的库函数，如Windows 给出了相应的针对不同传输层协议的API函数，可供程序员选择以设计出满足特定需求的网络应用。

这一层是软件开发中需要考虑的。

TCP/IP体系结构中的应用层协议就很多了，如DNS、TELNET、SMTP、HTTP、FTP等等，它们实际上也是通过调用传输层的TCP协议或UDP协议，为某些特定的通用性很强的应用而设计的。

显然，调用应用层协议比调用传输层协议更简单、更有针对性。

然而，应用层协议一般是针对通用性很强的应用。

因此，网络应用程序的开发只能通过调用传输层的TCP协议或UDP协议来实现系统的网络通信功能。

那么，在测试系统的网络应用开发中，究竟是采用TCP协议还是UDP协议，这里需要进行具体的分析。

1）TCP协议的特点分析
TCP协议（即传输控制协议）是一个面向连接的，具有可靠传输特性的传输层协议，其主要特点有：端口功能和差错检测；差错检验范围是整个报文段；面向连接（需要建立连接及连接管理）；有确认重传的可靠性机制，数据按序到达；实现了流量控制和拥塞控制；TCP的首部长度不固定；支持全双工的可靠传输。

可见，TCP协议比较复杂。

其最大的好处就是数据传输的可靠性，尤其是在网络误码率较高的时候，TCP协议可以准确无误的把数据送达目的地。

它适用于数据量较大、且对数据的正确性要求较高的场合，如文件传输、远程登录、电子邮件、网页浏览等。

但TCP协议也因为它的优点而体现出了对应的缺点，那就是复杂的可靠机制降低了传输的效率，特别是连接管理和确认重传机制等措施。

对于数据量较小、且对实时性要求较高的场合，TCP协议就不再适用了。

这也是为什么TCP/IP协议体系需要两种传输层协议的原因。

2）UDP协议的特点分析
UDP协议（即用户数据报协议）和TCP协议相比就简单许多，它不需要建立连接，也不采用可靠的传输机制，其主要特点有：有端口功能和差错检测；差错检验范围是整个报文段；不建立连接、不确认，不重传，数据无序到达；不进行流量控制和拥塞控制；UDP的首部长度固定为简短的8个字节；在局域网内支持广播传输。

可见，简单就意味着高效，UDP协议省去了复杂的连接管理和确认重传的可靠机制，并且其首部长度仅有8个字节，有效数据的占比得以大幅提高。

这种简单的机制带来的最大好处就是数据传输的高效率，非常适用于对实时性要求较高、而对数据正确性要求不高的场合。

然而，对于数据量较大、且对数据的正确性要求较高的场合，UDP协议的数据无序到达和不可靠传输等缺点，使得其无法胜任，尤其是网络状况较差的时候更是如此。

诚然，TCP和UDP是两个优缺点互补的传输层协议，UDP协议的优点恰恰就是TCP协议的缺点，TCP 协议的优点就正是UDP的缺点。

对于测试系统而言，数据传输的有效性和正确性是首要的考虑因素，数据错了，传得再快也无济于事。

因此，对于测试数据的传输，通常采用的传输协议是TCP。

2. LabWindows/CVI 库函数简介
LabWindows/CVI是一款基于C语言的可视化软件开发工具。

它提供了方便快捷的函数模板（Function Panel），指导用户调用函数。

使用方法：在函数名上点右键，选择快捷菜单的“Recall Function Panel ”项，如下图所示。

在各参数上点右键即可弹出该参数的说明，在面板空白处点右键即可弹出该函数的说明。

填写完参数后，点击“Insert Function Call ”工具按钮，即可在源程序的当前光标位置自动插入该语句。

1）建立与TCP服务器连接的函数
ConnectToTCPServer ( ) Establishes a connection between your program and a TCP server specified by a port number and server host name. Your program becomes a TCP client.Thereafter, all
messages from the server are routed through the specified client callback function.
Prototype
int ConnectToTCPServer (
unsigned int * Conversation_Handle,
unsigned int Port_Number,
char Server_Host_Name[],
tcpFuncPtr Callback_Function,
void * Callback_Data,
unsigned int T ime_Out );
2）TCP发送数据的函数
ClientTCPWrite ( ) Allows your program, acting as a TCP client, to send data to the server.The function waits until some data is available at the port or until the specified interval expires. In
previous versions of LabWindows/CVI, the function did not wait if no data was
available at the port. This change might require modifications to your existing source
code.
Prototype
int ClientTCPWrite (
unsigned int Conversation_Handle,
void * Data_Pointer,
unsigned int Data_Size,
unsigned int Time_Out );
3）TCP接收数据的函数
ClientTCPRead ( ) Allows your program, acting as a TCP client, to request data from the server.
The function waits until some data is available at the port, or until the specified interval
expires. In previous versions of LabWindows/CVI, the function did not wait if no data
was available at the port. This change might require modifications to your existing
source code.
Prototype
int ClientTCPRead (
unsigned int Conversation_Handle,
void * Data_Buffer,
unsigned int Data_Size,
unsigned int Time_Out );
六．实验步骤
1. 在Windows操作系统下找到LabWindows/CVI应用程序图标，点击进入LabWindows/CVI编程坏境
2. 源程序的编写。

在LabWindows/CVI坏境下打开client工程文件，根据提示补全相关代码。

图1建立与TCP服务器连接
图2 TCP发送数据
图3 TCP接收数据
图4 断开与TCP服务器的连接
3. 上位机与下位机的TCP网络通讯测试。

步骤如下：
（1）连接实验平台。

用串口线和交叉网线将实验平台的ARM模块与PC机的对应接口连接，然后接通实验平台的电源线。

（2）打开超级终端，如下图所示。

首次设置超级终端将会出现如下图所示的对话框，点击“确定”。

（3）设置超级终端。

首次设置超级终端将会出现如下图所示的对话框，输入任意的区号（如028），点击“确定”。

接着出现如下图所示的对话框，直接点击“确定”。

接着出现如下图所示的对话框，输入任意名称，如9200 。

点击“确定”。

接着出现如下图所示的对话框，选择串口（默认为COM1）。

直接点击“确定”。

接着出现如下图所示的对话框，设置属性，请按下图设置为：115200，8，无，1，无。

点击“确定”。

至此，超级终端的设置完毕。

（4）实验平台通电或按下ARM板上的复位按钮，可以看到ARM板上的指示灯闪亮。

此时，超级终端中将显示ARM的启动过程（说明：超级终端作为ARM的控制台，起到键盘和显示器的作用）。

在时间提示出现时马上按下回车键，进入Uboot命令行模式，如下所示。

（说明：Uboot类似于PC机的BIOS程序，用于引导和启动ARM系统，并提供了一些简单的操作命令）
（5）Uboot网络参数的设置。

注意：PC机必须和ARM模块在一个网段（IP地址的前三个数相同，最后一个数不同）
首先，PC机的IP地址可在Windows桌面的网上邻居的属性中设置。

然后，在超级终端窗口的Uboot命令行中输入如下命令：
printenv （查看当前的Uboot环境参数的设置情况）
setenv ipaddr IP地址（设置ARM模块的Uboot系统的IP地址，要求与PC机在同一网段，且与
server.c中设置的IP地址不同）
setenv serverip 服务器IP地址（服务器IP地址就是PC机本身的IP地址）
（6）在PC上运行一个TFTP服务器程序，以便用TFTP协议与ARM模块上的Uboot进行网络通讯，本实验采用的是TFTPD32。

运行TFTPD32后如下图所示。

点击“Browse”设置当前目录为文件zImage和initrd.gz所在的目录，“Server interfaces”为PC机与ARM模块连接的网口的IP。

（7）输入命令（区分大小写）：
tftp 20008000 zImage，传输Linux内核到SDRAM的20008000地址。

（8）输入命令：
tftp 20700000 initrd.gz，传输Linux文件系统到SDRAM的20700000地址。

（9）输入命：
go 20008000 ，从内核的起始地址20008000开始运行ARM_Linux系统。

（10）运行上位机测试程序client.c，输入ARM模板的IP地址（在ARM_Linux程序server.c中设置的），点击“连接”与ARM模块建立TCP连接，然后发送字符串，验证接收到的字符串是否正确，如下图所示。

同时，在超级终端中观察ARM模块显示的信息。