信息安全系统设计基础实验二：固件设计

课程：信息安全系统设计基础
班级：1353
姓名：朱荟潼，韩玉琪
学号：20135337，20135317
实验日期：2015.11.10 15:30—17:30
实验名称：固件设计

实验目的与要求：

1.掌握程序的烧写方法;
2.能够实现Bootloader;
3.实现密码学中常见算法的固化。

实验仪器：

计算机		Lenovo		1
虚拟Linux环境		Redhat 9.0		1
Arm开发板		UP-NETARM2410-CL		1

一、实验内容

1.开发环境的配置同实验一。

2.将实验代码拷贝到共享文件夹中。

3.在虚拟机中编译代码。

对于多线程相关的代码，编译时需要加-lpthread 的库。

4.下载调试

在超级终端中运行可执行文件pthread,运行可执行文件term。

二、代码解析

（一）线程代码分析

（1）分析

• 这个代码是生产者－消费者问题模型的实现。
• 主程序中分别启动生产者线程和消费者 线程。生产者线程不断顺序地将0到1000的数字写入共享的循环缓冲区，同时消费者线程不断地从共享的循环缓冲区读取数据。
• 生产者首先要获得互斥锁，并且判断写指针+1 后是否等于读指针，如果相等则进入等待状态，等候条件 变量notfull；如果不等则向缓冲区中写一个整数，并且设置条件变量为notempty，最后释放互斥锁。

（2）线程相关函数

• 线程创建函数：

    int pthread_create (pthread_t * thread_id, __const pthread_attr_t * __attr,void *(*__start_routine) (void *),void *__restrict __arg)
  

• 获得父进程 ID：

    pthread_t pthread_self (void)
  

• 测试两个线程号是否相同：

    int pthread_equal (pthread_t __thread1, pthread_t __thread2)
  

• 线程退出：

    void pthread_exit (void *__retval)
  

• 等待指定的线程结束：

    int pthread_join (pthread_t __th, void **__thread_return)
  

• 互斥量初始化：

    pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *,__const pthread_mutexattr_t *)
  

• 销毁互斥量：

    int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *__mutex)
  

• 再试一次获得对互斥量的锁定（非阻塞） ：

    int pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *__mutex)
  

• 锁定互斥量（阻塞） ：

    int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex)
  

• 解锁互斥量：

    int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex)
  

• 条件变量初始化：

    int pthread_cond_init (pthread_cond_t *__restrict __cond,__const pthread_condattr_t *__restrict __cond_attr)
  

• 销毁条件变量 COND：

    int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *__cond)
  

• 唤醒线程等待条件变量：

    int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond)
  

• 等待条件变量（阻塞） ：

    int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond, pthread_mutex_t *__restrict __mutex)
  

• 在指定的时间到达前等待条件变量：

    int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t *__restrict __cond,pthread_mutex_t *__restrict __mutex, __const struct timespec *__restrict __abstime)
  

（3）源代码注释

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include "pthread.h"
#define BUFFER_SIZE 16

/* 设置一个整数的圆形缓冲区 */
struct prodcons {
    int buffer[BUFFER_SIZE]; /* 缓冲区数组 */
    pthread_mutex_t lock; /* 互斥锁 */
    int readpos, writepos; /* 读写的位置*/
    pthread_cond_t notempty; /* 缓冲区非空信号 */
    pthread_cond_t notfull; /*缓冲区非满信号 */
};

/*初始化缓冲区：初始化缓存指针信息（信号量）*/
void init(struct prodcons * b)
{
    pthread_mutex_init(&b->lock, NULL);
    pthread_cond_init(&b->notempty, NULL);
    pthread_cond_init(&b->notfull, NULL);
    b->readpos = 0;
    b->writepos = 0;
}

/* 向缓冲区中写入一个整数*/
void put(struct prodcons * b, int data)
{
    pthread_mutex_lock(&b->lock);//获取互斥锁

    /*等待缓冲区非满*/
    while ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos) //如果读写位置相同
	{
	    printf("wait for not full
");
	    pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock);//等待状态变量 b->notfull，不满则跳出阻塞
    }

    /*写数据并且指针前移*/
    b->buffer[b->writepos] = data;//写入数据
    b->writepos++;
    if (b->writepos >= BUFFER_SIZE) b->writepos = 0;

    /*设置缓冲区非空信号*/
    pthread_cond_signal(&b->notempty);//设置状态变量
    pthread_mutex_unlock(&b->lock);//释放互斥锁
}

/*从缓冲区中读出一个整数 */
int get(struct prodcons * b)
{
    int data;
    pthread_mutex_lock(&b->lock);//获取互斥锁

    /* 等待缓冲区非空*/
    while (b->writepos == b->readpos)//如果读写位置相同 
	{
	    printf("wait for not empty
");
	    pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock);//等待状态变量 b->notempty，不空则跳出阻塞。否则无数据可读。
    }

    /* 读数据并且指针前移 */
    data = b->buffer[b->readpos];//读取数据
    b->readpos++;
    if (b->readpos >= BUFFER_SIZE) b->readpos = 0;

    /* 设置缓冲区非满信号*/
    pthread_cond_signal(&b->notfull);//设置状态变量
    pthread_mutex_unlock(&b->lock);//释放互斥锁
    return data;
}

#define OVER (-1)
struct prodcons buffer;

/*实现一个生产者程序：生产者线程不断顺序地将0到1000的数字写入共享的循环缓冲区，当生产-1时，程序终止。*/
void * producer(void * data)
{
    int n;
    for (n = 0; n < 1000; n++) {
	    printf(" put-->%d
", n);
	    put(&buffer, n);
    }
    put(&buffer, OVER);
    printf("producer stopped!
");
    return NULL;
}

/*消费掉缓存中生产出来的数据：消费者线程不断地从共享的循环缓冲区读取数据，当消费-1时，程序终止*/
void * consumer(void * data)
{
    int d;
    while (1) 
	{
	    d = get(&buffer);
	    if (d == OVER ) break;
	    printf(" %d-->get
", d);
    }
    printf("consumer stopped!
");
    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t th_a, th_b;
    void * retval;
    init(&buffer);
	//创建生产者线程
	pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);
	//创建消费者线程
	pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);
    /* 等待生产者和消费者结束 */
    pthread_join(th_a, &retval);
    pthread_join(th_b, &retval);
    return 0;
}

（二）串行口代码分析

• 头文件

    #include <stdio.h> /*标准输入输出定义*/
    #include <stdlib.h> /*标准函数库定义*/
    #include <unistd.h> /*linux 标准函数定义*/
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h> /*文件控制定义*/
    #include <termios.h> /*PPSIX 终端控制定义*/
    #include <errno.h> /*错误号定义*/
    #include <pthread.h>  /*线程库定义*/
  

• 打开串口是通过标准的文件打开函数来实现的

    int fd;
    fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR); /*以读写方式打开串口*/
    if (-1 == fd)/* 不能打开串口一*/
    { 
    	perror(" 提示错误！");
    }
  

• 串口设置

  最基本的设置串口包括波特率设置，效验位和停止位设置。串口的设置主要是设置struct termios结构体的各成员值。
  
  - 波特率设置：
  	struct termios Opt;
  	tcgetattr(fd, &Opt);
  	cfsetispeed(&Opt,B19200); /*设置为 19200Bps*/
  	cfsetospeed(&Opt,B19200);
  	tcsetattr(fd,TCANOW,&Opt);
  
  - 校验位和停止位的设置：
  	无效验 8 位
  	Option.c_cflag &= ~PARENB;Option.c_cflag &= ~CSTOPB;Option.c_cflag &= ~CSIZE;Option.c_cflag |= ~CS8;
  	奇效验(Odd) 7 位
  	Option.c_cflag |= ~PARENB;Option.c_cflag &= ~PARODD;Option.c_cflag &= ~CSTOPB;Option.c_cflag &= ~CSIZE;Option.c_cflag |= ~CS7;
  	偶效验(Even) 7 位
  	Option.c_cflag &= ~PARENB;Option.c_cflag |= ~PARODD;Option.c_cflag &= ~CSTOPB;Option.c_cflag &= ~CSIZE;Option.c_cflag |= ~CS7;
  	Space 效验 7 位
  	Option.c_cflag &= ~PARENB;Option.c_cflag &= ~CSTOPB;Option.c_cflag &= &~CSIZE;Option.c_cflag |= CS8;
  
  - 设置停止位：
  	1 位：options.c_cflag &= ~CSTOPB;
  	2 位:options.c_cflag |= CSTOPB;
  
  注：如果不是开发终端，只是串口传输数据，而不需要串口来处理，那么使用原始模式(Raw Mode) 方式来通讯，设置方式如下：
  	options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); /*Input*/
  	options.c_oflag &= ~OPOST; /*Output*/
  

• 读写、关闭串口

    设置好串口之后，读写串口就很容易了，把串口当作文件读写就可以了。
  
    - 发送数据：
    	char buffer[1024];
    	int Length＝1024;
    	int nByte;
    	nByte = write(fd, buffer ,Length)
    
    - 读取串口数据：
    使用文件操作read函数读取，如果设置为原始模式(Raw Mode)传输数据，那么read函数返回的字符数是实际串口收到的字符数。可以使用操作文件的函数来实现异步读取，如 fcntl，或者select等来操作。
    	char buff[1024];
    	int Len＝1024;
    	int readByte = read(fd, buff, Len);
    
    - 关闭串口就是关闭文件。
    	close(fd);
  

三、遇到的问题及解决

1.找不到文件

• 文件夹压缩拷贝到共享文件夹bc之后，进入虚拟机，在命令行输入./install.sh配置编译环境失败。显示install.sh not found。

• 我们打开的命令行所在的是系统默认位置，应该进入bc再输入命令。

2.执行./term错误

• 在 Linux 下串口文件位于/dev 下，一般在老版本的内核中串口一为
  /dev/ttyS0 ，串口二为 /dev/ttyS1， 在我们的开发板中串口设备位于
  /dev/tts/下， 因为开发板中没有ttyS0这个设备， 所以我们要建立一个连接。
• 首先在超级终端中进入/dev文件夹中。
• 输入命令“ln –sf /dev/tts/0 /dev/ttyS0”

• 注意中间的空格。

四、参考资料

参考资料1：Linux多进程实例与代码优化
参考资料2：Linux下的多线程机制--生产者和消费者实例
参考资料3：缓冲区实现（一）——循环缓冲区（操作固定长度数据）
参考资料4：由环形队列消锁引发的思考