嵌入式应用课程设计(实训)报告书
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1.实训计划
2013.12.05~2013.12.05 2013.12.06、2013.12.09 2013.12.10~2013.12.12 2013.12.13~2013.12.13
选择实验任务，明确项目需求，查阅参考书籍 业务逻辑的分析和确定 项目分析和代码实现 项目演示、验收、评分
2.问题描述
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6.技术原理与分析
主要内容：本课题在设计过程中所遇到的技术原理及分析。 1．Linux 下的 C 技术原理： 一、 Linux 下 C 语言编程环境概述 Linux 下的 C 语言程序设计与在其他环境中的 C 程序设计一样，主要涉及到编 辑器、编译链接器、调试器及项目管理工具。 （1）编辑器 Linux 中最常用的编辑器有 Vi（Vim） （2）编译链接器 编译是指源代码转化生成可执行代码的过程，它所完成工作主要如图 1 所示。在 Linu x 中，最常用的编译器是 Gcc 编译器。 （3）调试器 Gdb 是绝大多数 Linux 开发人员所使用的调试器，它可以方便地设置断点、单步 跟踪等，足以满足开发人员的需要。 （4）项目管理器 Linux 中的项目管理器“make”有些类似于 Windows 中 Visual C++里的“工程”， 它是一种控制编译或者重复编译软件的工具，另外，它还能自动管理软件编译的内容、 方式和时机，使程序员能够把精力集中在代码的编写上而不是在源代码的组织上。 二、 进入 Vi(vi 文件名) 1、 Vi 的模式 Vi 有 3 种模式，分别为命令行模式、插入模式及底行模式能，下面具体进行介 绍。 （1）命令行模式 用户在用 Vi 编辑文件时，最初进入的为一般模式。在该模式中可以通过上下移 动光标进行“删除字符”或“整行删除”等操作，也可以进行“复制”、“粘贴”等操作，但无 法编辑文字。 （2）插入模式 只有在该模式下，用户才能进行文字编辑输入，用户按[ESC]键回到命令行模式。 （3）底行模式
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(5)编写 C 程：在 VC6.0 中编写 hello.c 文件的代码。 (6)编译 C 程序：打开 Ubuntu 系统中的“主文件夹”保存 hello.c 的文件，从 Windows 拖动到 Ubuntu 中即实现了复制文件，找到应用程序->附件->终端，使用命令 ls，可以 查看是否复制到此文件。使用命令 arm-linux-gcc –o hello hello.c 即可完成编译。主文件 夹上生成可执行文件，如图 2 所示：
图3
在我的电脑的地址栏输入 ftp://实验箱的 ip 地址，我们所使用的实验箱 ip 地址为 192.168.1.100 刚开始只有文件夹 www。
将文件复制到实验箱上：首先在 Ubuntu 的主文件夹中找到 hello 文件，先复制到 windows 中，然后复制到 ftp://192.168.1.100 下面，如图 4 所示：
九江学院 信息科学与技术学院 《嵌入式应用开发》课程设计
报告书
题 目：多线程式生产者-消费者同步互斥程序设计 专 业：计算机应用技术 班 级： 姓 名： 学 号： 同组人员： 指导老师： 设计时间：
目录
1.实训计划............................................................................................. 1 2.问题描述............................................................................................. 1 3.问题分析............................................................................................. 2 4.业务逻辑............................................................................................. 5 5.程序模块设计..................................................................................... 7 6.技术原理与分析...............................................................................10 7.系统测试........................................................................................... 15 8.心得体会........................................................................................... 21 9.参考文献........................................................................................... 22
3
图4
在超级终端中输入 ls 命令，可看到 hello 已被复制，如果 hello 文件名字不是蓝色 的，则说明不能执行此文件，因为未更改其权限，使用命令：chmod 777 hello,使用命 令./hello 便可执行。结果如图 5 所示。
图5
4
4.业务逻辑
这一部分需要详细描述解决问题的业务逻辑，即该实验到底应该怎么做。基本要 求：处理问题中的业务关系都要描述清楚。需要文字描述以及业务流图。
图2
(7)执行 hello.c 文件。若在终端上直接使用./hello 命令会出现“无法执行二进制文 件”的错误，这时需要使用到 FTP，是将编译好的文件，即可执行文件复制到实验箱。
(8)FTP 的使用。设置网段。右键单击“网上邻居”->属性->本地连接，双击本地连 接->属性，找到 TCP/IP,点击属性->高级->添加,添加的网段为：192.168.1.156，点击“确 定”。如图 3 所示：
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5.程序模块设计
按照模块（即函数）画出每个函数的流程图，并配合必要的文字说明。 生产者线程的流程图，流程图如图 7 所示。
图7
说明：首先先判断设置的日历时间与 end_time，若小于则继续，否则退出线程。通过调用函 数 sem_wait(&avail)判断是否为空缓冲区。若无空缓冲区，则阻塞当前线程，若有则调 用函数 sem_wait(&mutex)等待对临界资源的使用权，当 mutex 为 1 时，表示获得临界 资源，可将产品放入缓冲区，及时输出缓冲区的内容。最后调用函数 sem_post(&mutex) 释放缓冲区使用权和 sem_post(&full)增加满缓冲区信号量的值。
(1) Ubuntu 10.10 的安装 我们采用在 Windows 下安装虚拟机后，再在虚拟机中安装 Linux 操作系统的方案。 首先在 Windows 上安装虚拟机软件，常用的虚拟机软件为 Vmware，如何在 Vmware 上安装 Ubuntu10.10，安装完后还要安装嵌入式 Linux 的交叉编译环境和开发库以及 ARM-Linux 的所有源码。
（2）流程图，总流程图如图 6 所示。
图6
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（3）编写代码。本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有 3 个单元，每个单元为 5 字 节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程Fra Baidu bibliotek随机（采用 0~5s 的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右（这种 关系可以相反）。生产者一次生产一个单元的产品（放入“hello”字符串），消费者一 次消费一个单元的产品。
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消费者线程的流程图，流程图如图 8 所示。
图8
说明：消费者线程，先判断设置的日历时间与 end_time,若小于则继续，否则退出 线程。调用函数 sem_wait(&full)判断是否有满缓冲区。若无满缓冲区，则阻塞当前线程， 若有则调用函数 sem_wait(&mutex)等待对临界资源的使用权。当 mutex 为 1 时，表示 获得临界资源，可将产品放入缓冲区，及时输出缓冲区的内容然后依次调用函数 sem_post(&mutex)和 sem_post(&empty)来释放缓冲区使用权和增加空缓冲区信号量的 值。
主函数的流程图，流程图如图 9 所示。
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图9
说明：首先使用 mkfifo()创建有名管道，然后用 open()函数打开管道，使用 sem_init() 函 数 初 始 化 ， 创 建 3 个 信 号 量 ， 用 pthread_create() 函 数 创 建 两 个 线 程 ， 再 使 用 pthread_join()函数将线程挂起，最后结束。
（1）信号量。这里使用 3 个信号量，其中两个信号量 avail 和 full 分别用于解决生 产者和消费者之间的同步问题，mutex 用于解决这里个线程直接的互斥问题。其中，avail 表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为 N；full 表示有界缓冲区中的非空闲单元数， 初始值为 0；mutex 是互斥信号量，初始值为 1。
(2)VMware 的安装 首先找到其.exe 文件，双击，安装。打开此软件，双击桌面上的快捷方式，虚拟机 出现后，点击“打开此虚拟机”。 (3)在虚拟机上安装 Ubuntu 10.10 打开虚拟机，点击“Open a Virtual Machine”，弹出对话框，选择一配置过的 Ubuntu 系统，将光盘资料解压至要安装 Ubuntu 操作系统的磁盘中；选择.vmx 文件，打开返回 到虚拟机主页面。点击“开启其虚拟机”便可进行程序的开发。 3.1.2 对 hello world 程序的开发 (1)实验的开始在 PC 端做准备工作。首先需要将串口线、网线、电源线依次连接好， 完成硬件的连接。 (2)实验箱进入 Linux 操作系统。先打开实验箱的 power（开关）。首先进入的是 Android 系统，同时按 Vol+和 reset 键，reset 键按一下就，Vol+键按到出现凌阳的字样 即可。 (3) 打开 VM 虚拟机。打开虚拟机，会出现用户登录，密码输入 111111 即可，进 入后会看到 Ubuntu 界面。 (4)打开超级终端。在开始->附件->通讯->超级终端，名称任意，串口选用 COM1， 设置串口属性应该讲每位秒数设置为 115200，数据流控制选择无即可。超级终端会出 现 信 息 ， 登 陆 成 功 后 ， 配 置 ip 地 址 ， 使 用 命 令 ipconfig eth0 –i 192.168.1.100 –m 255.255.255.0 –g 192.168.1.1 配置,然后使用 service network restart 命令, 使用 ifconfig eth0 查看本地的地址。
生产者
1 2 3 …N
消费者
图 1 “生产者—消费者”问题描述
这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并且使用信号量解决“生产者—消费者” 问题同步与互斥问题。
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3.问题分析
这一部分以软件工程结构化分析方法中需求分析的内容为核心，对实验项目进行 详细的分析。基本要求：此部分内容非常重要，必须有详细的文字分析和相应的图例。 3.1 嵌入式 Linux 的 PC 开发环境
生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语： Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享 固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发 生的问题。有一个有限的缓冲池（这里用有名管道实现 FIFO 式缓冲区）和两个线程： 生产者和消费者，它们分别不停地那产品放入缓冲池和缓冲池中拿走产品。一个生产 者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因 为缓冲区是临界资源，所以生产者、消费者必须临界执行。它们之间的关系如图所示：
1.实训计划
2013.12.05~2013.12.05 2013.12.06、2013.12.09 2013.12.10~2013.12.12 2013.12.13~2013.12.13
选择实验任务，明确项目需求，查阅参考书籍 业务逻辑的分析和确定 项目分析和代码实现 项目演示、验收、评分
2.问题描述
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6.技术原理与分析
主要内容：本课题在设计过程中所遇到的技术原理及分析。 1．Linux 下的 C 技术原理： 一、 Linux 下 C 语言编程环境概述 Linux 下的 C 语言程序设计与在其他环境中的 C 程序设计一样，主要涉及到编 辑器、编译链接器、调试器及项目管理工具。 （1）编辑器 Linux 中最常用的编辑器有 Vi（Vim） （2）编译链接器 编译是指源代码转化生成可执行代码的过程，它所完成工作主要如图 1 所示。在 Linu x 中，最常用的编译器是 Gcc 编译器。 （3）调试器 Gdb 是绝大多数 Linux 开发人员所使用的调试器，它可以方便地设置断点、单步 跟踪等，足以满足开发人员的需要。 （4）项目管理器 Linux 中的项目管理器“make”有些类似于 Windows 中 Visual C++里的“工程”， 它是一种控制编译或者重复编译软件的工具，另外，它还能自动管理软件编译的内容、 方式和时机，使程序员能够把精力集中在代码的编写上而不是在源代码的组织上。 二、 进入 Vi(vi 文件名) 1、 Vi 的模式 Vi 有 3 种模式，分别为命令行模式、插入模式及底行模式能，下面具体进行介 绍。 （1）命令行模式 用户在用 Vi 编辑文件时，最初进入的为一般模式。在该模式中可以通过上下移 动光标进行“删除字符”或“整行删除”等操作，也可以进行“复制”、“粘贴”等操作，但无 法编辑文字。 （2）插入模式 只有在该模式下，用户才能进行文字编辑输入，用户按[ESC]键回到命令行模式。 （3）底行模式
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(5)编写 C 程：在 VC6.0 中编写 hello.c 文件的代码。 (6)编译 C 程序：打开 Ubuntu 系统中的“主文件夹”保存 hello.c 的文件，从 Windows 拖动到 Ubuntu 中即实现了复制文件，找到应用程序->附件->终端，使用命令 ls，可以 查看是否复制到此文件。使用命令 arm-linux-gcc –o hello hello.c 即可完成编译。主文件 夹上生成可执行文件，如图 2 所示：
图3
在我的电脑的地址栏输入 ftp://实验箱的 ip 地址，我们所使用的实验箱 ip 地址为 192.168.1.100 刚开始只有文件夹 www。
将文件复制到实验箱上：首先在 Ubuntu 的主文件夹中找到 hello 文件，先复制到 windows 中，然后复制到 ftp://192.168.1.100 下面，如图 4 所示：
九江学院 信息科学与技术学院 《嵌入式应用开发》课程设计
报告书
题 目：多线程式生产者-消费者同步互斥程序设计 专 业：计算机应用技术 班 级： 姓 名： 学 号： 同组人员： 指导老师： 设计时间：
目录
1.实训计划............................................................................................. 1 2.问题描述............................................................................................. 1 3.问题分析............................................................................................. 2 4.业务逻辑............................................................................................. 5 5.程序模块设计..................................................................................... 7 6.技术原理与分析...............................................................................10 7.系统测试........................................................................................... 15 8.心得体会........................................................................................... 21 9.参考文献........................................................................................... 22
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图4
在超级终端中输入 ls 命令，可看到 hello 已被复制，如果 hello 文件名字不是蓝色 的，则说明不能执行此文件，因为未更改其权限，使用命令：chmod 777 hello,使用命 令./hello 便可执行。结果如图 5 所示。
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4.业务逻辑
这一部分需要详细描述解决问题的业务逻辑，即该实验到底应该怎么做。基本要 求：处理问题中的业务关系都要描述清楚。需要文字描述以及业务流图。
图2
(7)执行 hello.c 文件。若在终端上直接使用./hello 命令会出现“无法执行二进制文 件”的错误，这时需要使用到 FTP，是将编译好的文件，即可执行文件复制到实验箱。
(8)FTP 的使用。设置网段。右键单击“网上邻居”->属性->本地连接，双击本地连 接->属性，找到 TCP/IP,点击属性->高级->添加,添加的网段为：192.168.1.156，点击“确 定”。如图 3 所示：
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5.程序模块设计
按照模块（即函数）画出每个函数的流程图，并配合必要的文字说明。 生产者线程的流程图，流程图如图 7 所示。
图7
说明：首先先判断设置的日历时间与 end_time，若小于则继续，否则退出线程。通过调用函 数 sem_wait(&avail)判断是否为空缓冲区。若无空缓冲区，则阻塞当前线程，若有则调 用函数 sem_wait(&mutex)等待对临界资源的使用权，当 mutex 为 1 时，表示获得临界 资源，可将产品放入缓冲区，及时输出缓冲区的内容。最后调用函数 sem_post(&mutex) 释放缓冲区使用权和 sem_post(&full)增加满缓冲区信号量的值。
(1) Ubuntu 10.10 的安装 我们采用在 Windows 下安装虚拟机后，再在虚拟机中安装 Linux 操作系统的方案。 首先在 Windows 上安装虚拟机软件，常用的虚拟机软件为 Vmware，如何在 Vmware 上安装 Ubuntu10.10，安装完后还要安装嵌入式 Linux 的交叉编译环境和开发库以及 ARM-Linux 的所有源码。
（2）流程图，总流程图如图 6 所示。
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（3）编写代码。本实验的代码中采用的有界缓冲区拥有 3 个单元，每个单元为 5 字 节。为了尽量体现每个信号量的意义，在程序中生产过程和消费过程Fra Baidu bibliotek随机（采用 0~5s 的随机时间间隔）进行的，而且生产者的速度比消费者的速度平均快两倍左右（这种 关系可以相反）。生产者一次生产一个单元的产品（放入“hello”字符串），消费者一 次消费一个单元的产品。
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消费者线程的流程图，流程图如图 8 所示。
图8
说明：消费者线程，先判断设置的日历时间与 end_time,若小于则继续，否则退出 线程。调用函数 sem_wait(&full)判断是否有满缓冲区。若无满缓冲区，则阻塞当前线程， 若有则调用函数 sem_wait(&mutex)等待对临界资源的使用权。当 mutex 为 1 时，表示 获得临界资源，可将产品放入缓冲区，及时输出缓冲区的内容然后依次调用函数 sem_post(&mutex)和 sem_post(&empty)来释放缓冲区使用权和增加空缓冲区信号量的 值。
主函数的流程图，流程图如图 9 所示。
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说明：首先使用 mkfifo()创建有名管道，然后用 open()函数打开管道，使用 sem_init() 函 数 初 始 化 ， 创 建 3 个 信 号 量 ， 用 pthread_create() 函 数 创 建 两 个 线 程 ， 再 使 用 pthread_join()函数将线程挂起，最后结束。
（1）信号量。这里使用 3 个信号量，其中两个信号量 avail 和 full 分别用于解决生 产者和消费者之间的同步问题，mutex 用于解决这里个线程直接的互斥问题。其中，avail 表示有界缓冲区中的空单元数，初始值为 N；full 表示有界缓冲区中的非空闲单元数， 初始值为 0；mutex 是互斥信号量，初始值为 1。
(2)VMware 的安装 首先找到其.exe 文件，双击，安装。打开此软件，双击桌面上的快捷方式，虚拟机 出现后，点击“打开此虚拟机”。 (3)在虚拟机上安装 Ubuntu 10.10 打开虚拟机，点击“Open a Virtual Machine”，弹出对话框，选择一配置过的 Ubuntu 系统，将光盘资料解压至要安装 Ubuntu 操作系统的磁盘中；选择.vmx 文件，打开返回 到虚拟机主页面。点击“开启其虚拟机”便可进行程序的开发。 3.1.2 对 hello world 程序的开发 (1)实验的开始在 PC 端做准备工作。首先需要将串口线、网线、电源线依次连接好， 完成硬件的连接。 (2)实验箱进入 Linux 操作系统。先打开实验箱的 power（开关）。首先进入的是 Android 系统，同时按 Vol+和 reset 键，reset 键按一下就，Vol+键按到出现凌阳的字样 即可。 (3) 打开 VM 虚拟机。打开虚拟机，会出现用户登录，密码输入 111111 即可，进 入后会看到 Ubuntu 界面。 (4)打开超级终端。在开始->附件->通讯->超级终端，名称任意，串口选用 COM1， 设置串口属性应该讲每位秒数设置为 115200，数据流控制选择无即可。超级终端会出 现 信 息 ， 登 陆 成 功 后 ， 配 置 ip 地 址 ， 使 用 命 令 ipconfig eth0 –i 192.168.1.100 –m 255.255.255.0 –g 192.168.1.1 配置,然后使用 service network restart 命令, 使用 ifconfig eth0 查看本地的地址。
生产者
1 2 3 …N
消费者
图 1 “生产者—消费者”问题描述
这里要求使用有名管道来模拟有限缓冲区，并且使用信号量解决“生产者—消费者” 问题同步与互斥问题。
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3.问题分析
这一部分以软件工程结构化分析方法中需求分析的内容为核心，对实验项目进行 详细的分析。基本要求：此部分内容非常重要，必须有详细的文字分析和相应的图例。 3.1 嵌入式 Linux 的 PC 开发环境
生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语： Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享 固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发 生的问题。有一个有限的缓冲池（这里用有名管道实现 FIFO 式缓冲区）和两个线程： 生产者和消费者，它们分别不停地那产品放入缓冲池和缓冲池中拿走产品。一个生产 者在缓冲区满的时候必须等待，一个消费者在缓冲区空的时候也必须等待。另外，因 为缓冲区是临界资源，所以生产者、消费者必须临界执行。它们之间的关系如图所示：