基于ARM的多線程應(yīng)用程序設(shè)計

1、開放性實驗報告題目：基于ARM的多線程應(yīng)用程序設(shè)計院系名稱：電氣工程學院專業(yè)班級：自動1302學生姓名：張鵬濤學號：201323020219指導教師：張曉東成績：指導老師簽名： 日期：2017.1.6 目 錄1 系統(tǒng)概述與設(shè)計要求11。1 系統(tǒng)概述11。2 設(shè)計要求22 方案論證22.1 實現(xiàn)方法22.2 線程優(yōu)勢23 硬件設(shè)計33.1 樹莓派接口驅(qū)動LED電路設(shè)計34 軟件設(shè)計44.1 驅(qū)動三色LED燈44.1。1 驅(qū)動實現(xiàn)方法44.1.2 wiringPi庫安裝和軟件編程44。2 服務(wù)器和客戶端54。2。1 服務(wù)器設(shè)計方法54。2.2 客戶端設(shè)計方法55 系統(tǒng)調(diào)試6設(shè)計心得6參考文獻7附錄

2、1（LED驅(qū)動程序)8附錄2（服務(wù)器程序）10附錄3(客戶端程序代碼）161 系統(tǒng)概述與設(shè)計要求1.1 系統(tǒng)概述 本系統(tǒng)設(shè)計是基于樹莓派開發(fā)板上實現(xiàn)的，樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，Eben·Upton/埃·厄普頓為項目帶頭人.2012年3月，英國劍橋大學埃本·阿普頓（Eben Epton）正式發(fā)售世界上最小的臺式機，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi電腦板，中文譯名”樹莓派".它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤,卡片主板周

3、圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口）,可連接鍵盤、鼠標和網(wǎng)線,同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口,以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。而樹莓派2具有900MHz內(nèi)核頻率， 4核 ARM Cortex-A7，1GB 內(nèi)存，帶Micro SD 卡插槽(支持通過它啟動 Linux 操作系統(tǒng)，如 Fedora），40PIN接口（可以增加驅(qū)動外設(shè)）.本系統(tǒng)設(shè)計正式在樹莓派2環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)多線程設(shè)計,設(shè)計的主要功能就是兩個客戶端通過服務(wù)器互相收發(fā)信息。1。2 設(shè)計要求 要求多個客戶端能夠同時連接服務(wù)器,而服務(wù)器

4、需要創(chuàng)建線程來管理這多個客戶端，并且能夠把一個客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)進行解析，發(fā)給另一個客戶端，實現(xiàn)兩個甚至多個客戶端互相收發(fā)信息.能夠通過驅(qū)動三色燈來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的狀態(tài),紅色說明有錯誤發(fā)生，綠色說明正在正常運行,藍色說明有用戶連接，綠色說明有客戶端互相收發(fā)信息。2 方案論證2。1 實現(xiàn)方法 要實現(xiàn)服務(wù)器同時管理兩個甚至多個客戶端，就必須引入進程或線程。2。2 線程優(yōu)勢 一是和進程相比，它是一種非?！惫?jié)儉”的多任務(wù)操作方式。 進程是系統(tǒng)中程序執(zhí)行和資源分配的基本單位。我們知道,在Linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進程必須分配給它獨立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段,這就導致了

5、進程在進行切換等操作起到了現(xiàn)場保護作用， 這是一種”昂貴"的多任務(wù)工作方式。 但是為了進一步減少處理機的空轉(zhuǎn)時間支持多處理器和減少上下文切換開銷，進程演化中出現(xiàn)了另外一個概念，這就是線程，也被人稱為輕量級的進程。它是一個進程內(nèi)的基本調(diào)度單位。線程是在共享的內(nèi)存空間中并發(fā)的多道執(zhí)行路徑,它們共享一個進程的資源，比如文件描述符和信號處理等.因此，大大減少了上下文切換的開銷. 二是線程間方便的通信機制。 對不同進程來說，它們具有獨立的數(shù)據(jù)空間,要進行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進行，這種方式不僅費時,而且很不方便。線程則不然，由于同一進程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接

6、為其它線程所用，這不僅快捷，而且方便。當然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時被兩個線程所修改，有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù)更有可能給多線程程序帶來災難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時最需要注意的地方。3 硬件設(shè)計3。1 樹莓派接口驅(qū)動LED電路設(shè)計圖 3。1 從圖3.1可以知道，要想讓三色燈的紅色亮起來，首先控制樹莓派GPIO.27引腳輸出低電平，同理可以控制GPIO。28、GPIO29引腳電瓶來控制綠、藍LED的啟動和關(guān)閉。樹莓派開發(fā)板上的相關(guān)引腳如圖3。2.圖 3。24 軟件設(shè)計4。1 驅(qū)動三色LED燈4。1。1 驅(qū)動實現(xiàn)方法 控制引腳電瓶的高低就能實現(xiàn)控制LED燈

7、的變化，實際上三色LED可以顯示無數(shù)種顏色，要想超過三種顏色的顯示實現(xiàn),就必須引入PWM.PWM是模擬脈寬調(diào)制來控制輸出引腳的實際輸出電瓶大小,此系統(tǒng)可以控制引腳從03.3V變化來顯示不同的顏色。wiringPi適合那些具有C語言基礎(chǔ),在接觸樹莓派之前已經(jīng)接觸過單片機或者嵌入式開發(fā)的人群。wiringPi的API函數(shù)和arduino非常相似，這也使得它廣受歡迎.作者給出了大量的說明和示例代碼，這些示例代碼也包括UART設(shè)備,I2C設(shè)備和SPI設(shè)備等.4。1.2 wiringPi庫安裝和軟件編程 首先需要在樹莓派上安裝wiringPi庫,我們選擇直接在網(wǎng)上下載安裝源碼,輸入命令:cd 進入根目錄

8、下,輸入命令:git clone git：//wiringPi 從網(wǎng)上下載源碼包,輸入命令cd wiringPi 進入安裝包目錄下,依次輸入命令：configure make make install來配置、編譯和安裝,最后輸入命令sudo 。/build 來執(zhí)行編譯之后生成的可執(zhí)行文件,完成安裝。最后輸入命令：gpio readall會出來引腳圖來確定已經(jīng)安裝成功。 接下來就需要運用庫的軟件編程來驅(qū)動led燈啦，在寫C文件時首先要加入庫的頭文件:#include wiringPi。h>和C語言必要的頭文件：include stdio。h，然后還需要加入實現(xiàn)軟

9、件PWM的頭文件：#include softPwm.h。接下來我們就需要運用庫的API函數(shù)wiringPiSetup（）初始化wiringPi，若初始化失敗會返回1；然后運用庫的API函數(shù)softPwmCreate(）創(chuàng)建軟件PWM,此函數(shù)有3個輸入?yún)?shù)，分別是控制引腳號，PWM最小值，PWM最大值;運用庫的API函數(shù)softPwmWrite(）寫PWM的值，此函數(shù)有2個輸入?yún)?shù),分別是控制那個引腳號，寫入的PWM的值,此值需要在最小最大值之間。 完整代碼如附錄1。4.2 服務(wù)器和客戶端4。2。1 服務(wù)器設(shè)計方法 為了方便起見，我們把服務(wù)器和客戶端都定義在本地IP上進行測試,服務(wù)器端的話，首先

10、我們需要把主函數(shù)傳入的端口號記錄下來,并且利用C語言標準函數(shù)atoi轉(zhuǎn)換成整型值。接著我們定義兩個整型數(shù)組來存放兩個客戶端的套接字，然后我們根據(jù)端口去創(chuàng)建服務(wù)器,創(chuàng)建服務(wù)器需要幾個函數(shù)來實現(xiàn)，第一個就是socket（）函數(shù)來創(chuàng)建一個服務(wù)器的套接字，此函數(shù)有3個輸入?yún)?shù)，我們選擇ipv4協(xié)議族，流式Socket，TCP協(xié)議類型。然后根據(jù)端口號和本地IP配置服務(wù)器，之后就是調(diào)用綁定bind（)，監(jiān)聽listen（）函數(shù)來完成服務(wù)器的創(chuàng)建。之后就是根據(jù)創(chuàng)建的套接字來進行循環(huán)，如果有客戶端連接,就保存客戶端套接字創(chuàng)建一個線程去處理,此處我們以兩個客戶端為例來進行操作.若是套接字編號0發(fā)來消息,我們就轉(zhuǎn)

11、發(fā)給套接字編號1，若是超過2個的客戶端連接進來我們直接關(guān)閉創(chuàng)建的線程就行，之后要是有客戶端掉線，就把線程和客戶端一塊銷毀。 具體代碼實現(xiàn)見附錄24.2。2 客戶端設(shè)計方法 首先我們封裝三個函數(shù)，分別是連接、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)，開始就調(diào)用連接函數(shù),在連接函數(shù)里我們創(chuàng)建客戶端并通過輸入的服務(wù)器ip和端口去連接服務(wù)器，然后我們創(chuàng)建兩個線程分別是讀和寫，在讀函數(shù)里我們不間斷讀鍵盤數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器，在寫函數(shù)里不間斷的讀服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)并顯示在屏幕上。 具體代碼實現(xiàn)見附錄3.5 系統(tǒng)調(diào)試 此系統(tǒng)的調(diào)試，我們選擇Linux虛擬機模擬調(diào)試，首先運行服務(wù)器和兩個客戶端，然后客戶端連接服務(wù)器，之后兩個客戶端互相收發(fā)

12、數(shù)據(jù).為了方便起見,我在PC機上運行和仿真,首先安裝虛擬機VMware8。0，然后安裝VMware Tools，虛擬機的工具是為了共享電腦上的文件，這樣可以在電腦上編寫代碼，在虛擬機上編譯運行. 編譯服務(wù)器的代碼,輸入命令gcc server。c o server。exe lpthread，回車之后會生成server。exe可執(zhí)行文件,之后我們運行服務(wù)器,輸入命令。/server.exe 6789，運行服務(wù)器，其中6789為輸入的端口號。之后編譯客戶端代碼，輸入命令gcc client。c -o client。exe lpthread，回車之后會生成client.exe可執(zhí)行文件，我們事先查看

13、虛擬機ip,輸入命令ifconfig回車就能看到虛擬機本機ip，為我們客戶端連接服務(wù)器所用.之后我們運行客戶端一,輸入命令。/client。exe 192.168.20。109 6789,回車,然后用同樣的命令運行客戶端二，之后我們在一個客戶端輸入信息回車,在另一個客戶端就能接收到,具體運行結(jié)果如圖5。1,5。2，5。3。圖 5。1圖5。2圖5。3設(shè)計心得此次開發(fā)性試驗設(shè)計讓我收獲甚多.一是要有一個積極的心態(tài)，獨立解決問題的意識，培養(yǎng)扎實基礎(chǔ)的認識.不要什么東西都感覺跟簡單（很多東西可能是看似簡單)就不去做了或者不屑一做，以至于性網(wǎng)上搜搜就可以了，這樣很不好。有自己的東西有自己的付出才會有程序

14、運行成功時的喜悅和小自豪，這樣也有助于培養(yǎng)自己的興趣。要時刻牢記態(tài)度決定一切。其次是興趣，感覺學習工作中興趣很關(guān)鍵，只是一個引發(fā)人積極性的問題,有了興趣就自覺了，效率自然就高了。再次要敢于嘗試和挑戰(zhàn)。不要安于現(xiàn)成的程序，而且不要害怕失敗，在程序調(diào)試的過程中這點尤為重要,“發(fā)現(xiàn)出問題然后解決問題”是一個積累經(jīng)驗的過程，而且很高效.最后要不懈追求.對于源代碼進行不斷的完善,要盡可能的實現(xiàn)課題所要求的功能.對于初學者或者開發(fā)較少的人來說，大量大寫程序還是有必要的，但同時要注意思考,理解其實現(xiàn)的內(nèi)在意義.還可以自己添加一些有意義的功能來實現(xiàn).當看到自己編寫的程序正常運行時，興趣也會隨之而來，樂此不疲,

15、形成一個良性循環(huán)。  短短一周的開放性ARM多線程設(shè)計很快結(jié)束了，我發(fā)現(xiàn)我對嵌入式這個方向、對嵌入式技術(shù)、對Linux都有了新的認識。通過這次的編程,我了解到，要真真正正的掌握計算機程序還不是一件簡單容易的事兒,但真正掌握后，它帶給我們的將是無窮的便捷與科技，我喜歡高端便捷的生活.我希望我能做計算機這個萬能機器人的主人而不是奴隸,我會努力加油的！參考文獻1徐千洋.Linux C函數(shù)庫參考手冊.M中國青年出版社。2002  2馬忠梅，馬廣云，徐英慧,田譯。ARM嵌入式處理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)M。北京航空航天大學出版社。2002 3鄒思鐵.嵌入式Linu

16、x設(shè)計與應(yīng)用M.北京清華大學出版社。2002 4杜春雷。ARM體系結(jié)構(gòu)與編程M.清華大學出版社。2003 5田澤。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用M.北京航空航天大學出版社.2005 11陳鑫.嵌入式軟件技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向M.軟件世界.2001 6田澤。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實驗教程M.北京航空航天大學出版社。2004 7Alessandro Rubini，Jonathan Corbet.Linux設(shè)備驅(qū)動程序M。中國電力出版社.2002附錄1（LED驅(qū)動程序）include wiringPi.h>include softPwm。

17、h>include stdio.h>#define uchar unsigned chardefine LedPinRed 27define LedPinGreen 28define LedPinBlue 29void ledInit（void） softPwmCreate（LedPinRed， 0， 100）; softPwmCreate（LedPinGreen，0， 100)； softPwmCreate（LedPinBlue， 0， 100）；void ledColorSet(uchar r_val， uchar g_val， uchar b_val) softPwmWrit

18、e（LedPinRed， r_val)； softPwmWrite（LedPinGreen, g_val); softPwmWrite（LedPinBlue, b_val）；int main(void） int i； if（wiringPiSetup（) = 1) printf(”setup wiringPi failed ！”）； return 1; ledInit(）; while（1) ledColorSet(0xff,0x00，0x00）； /red delay（500）； ledColorSet（0x00，0xff，0x00）; /green delay(500）； ledColor

19、Set(0x00，0x00，0xff）; /blue delay（500)； return 0；附錄2（服務(wù)器程序）include <stdio。h include <stdlib.h> include string。h #include <signal。h #include <unistd.h include error。h include errno。h> include <fcntl。h> include <sys/types.h> include sys/socket。h> include sys/epoll.h>

20、 include <netinet/in.h> include <arpa/inet。h #include pthread。h define BUFSIZE 1024 int socket_client2； int socket_create（int port) int st = socket(AF_INET， SOCK_STREAM, 0)； int on = 1； if （setsockopt(st， SOL_SOCKET， SO_REUSEADDR, on， sizeof(on) = 1） printf（”setsockopt is failed %sn”, strer

21、ror（errno)）； return 0; struct sockaddr_in addr； memset(addr， 0, sizeof（addr）； addr。sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons（port)； addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY)； if （bind（st， （struct sockaddr ） &addr， sizeof(addr） = 1） printf（"zhang.pt：bind is failed sn"， strerror（errno）;

22、 return 0； if （listen（st, 300) = 1） printf（”zhang。pt：listen is failed %sn", strerror（errno）； return 0； return st； void deliver(int index， const char buf， ssize_t len) ssize_t rc = 0； if（index = 0） if （socket_client1 = 0） printf（”%d:user not onlinen”, index); else rc = send（socket_client1， buf，

23、len, 0）; printf（”send:%s，send：%u bytesn”, buf, rc); if （rc = 0) if （rc = 0） printf（”zhang。pt：send failed， disconnection，n”）； else printf（”zhang。pt：send failed, sn”, strerror（errno）); if(index = 1） if(socket_client0 = 0) printf（”d：user not onlinen”, index）; else rc = send（socket_client0， buf, len, 0）

24、; printf(”send：s,send:%u bytesn"， buf， rc）; if（rc <= 0） if (rc = 0） printf("zhang。pt:send failed， disconnection，n”）； else printf("zhang。pt：send failed， sn"， strerror（errno)）; void socket_work（int index） char bufBUFSIZE； ssize_t rc = 0; while（1) memset(buf， 0, sizeof(buf）); rc

25、= recv(socket_clientindex, buf, sizeof（buf)， 0); if （rc = 0) if （rc = 0） printf（"%d:recv disconnectionn", index）; else printf（”d:recv failed， %sn”, index， strerror（errno）; close（socket_clientindex); socket_clientindex = 0; break； else printf（”d：recv：s，recv：u bytesn”, index， buf， rc）； deliv

26、er(index， buf， rc）； void socket_handle(void arg） int client_st = （int )arg； free（int )arg); printf（”zhang。pt：handle_thread is beginn”）; int index = 0; if （socket_client0 = 0) socket_client0 = client_st； else if （socket_client1 = 0) socket_client1 = client_st； index = 1; else close（client_st)； return

27、 NULL； socket_work(index)； printf("zhang.pt：handle_thread is endn"）； return NULL; void sockaddr_toa（const struct sockaddr_in addr， char IPAddr） unsigned char p = (unsigned char *)（addrsin_addr。s_addr)； sprintf(IPAddr， ”u。u.%u。%u”， p0， p1， p2， p3）； void socket_accept(int st) pthread_t thr_d

28、; pthread_attr_t attr； pthread_attr_init（attr）； pthread_attr_setdetachstate（&attr， PTHREAD_CREATE_DETACHED）； struct sockaddr_in client_addr； socklen_t len = sizeof（client_addr）; while(1） memset（&client_addr， 0， sizeof(client_addr)）； int client_st = accept（st， （void ）&client_addr, len）； i

29、f(client_st = -1） printf（”zhang。pt:accept failed sn”， strerror（errno）)； break； else char sIP32; memset（sIP， 0, sizeof（sIP)； sockaddr_toa（client_addr， sIP）; printf(”zhang。pt：accept by %sn"， sIP)； int tmp = malloc(sizeof（int)）； tmp = client_st； pthread_create（thr_d， &attr, socket_handle, tmp)

30、； pthread_attr_destroy(attr)； int main(int arg, char *args) if（arg 2） printf（"zhang。pt:server port error!n”）; return 0； int iport = atoi（args1)； if(iport = 0) printf（”zhang。pt：port %d is invalid!n", iport); return 0； printf（”zhang.pt：server is begin*v！n”）; memset（socket_client， 0, sizeof(s

31、ocket_client)）； int st = socket_create(iport）； if（st = 0） return 0； socket_accept（st）; close（st); printf（”zhang。pt：server is endn"）； return 0; 附錄3(客戶端程序代碼）include <stdio。h> include <stdlib。h include <string。h> include <errno。h include unistd.h include arpa/inet.h> include &

32、lt;sys/types。hinclude sys/socket.h include <pthread。h define BUFSIZE 1024 void *socket_read（void arg） int st = *（int ）arg; char bufBUFSIZE； while(1） memset（buf， 0, sizeof（buf)）； ssize_t rc = recv(st, buf, sizeof（buf）， 0）； if(rc = 0) printf（"zhang。pt:recv failed， %sn"， strerror（errno)）； break； else printf（”zhang.pt：recv：s,recv：u byten”, buf， rc); return NULL; void socket_write(void arg） int st = *（int *)arg; char bufBUFSIZE; while（1） memset(buf， 0， sizeof（buf）； read（STDIN_FILENO, buf, sizeof（buf)）； int ilen = strlen（buf）； if(bufilen - 1 = 'n) bufilen 1 = 0； ssize_t rc = s