实验二-固件设计 20135211李行之 20135216刘蔚然

北京电子科技学院（BESTI）

实 验 报 告

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课程：信息安全系统设计基础                               班级：1352                                                   姓名：（按贡献大小排名）李行之 刘蔚然 

学号：（按贡献大小排名）20135211 20135216                   成绩：                     指导教师：娄嘉鹏                 实验日期：2015.11.24

实验密级：            预习程度：                      实验时间：15:30—17:30               仪器组次：11                必修/选修：必修                  实验序号：2 

实验名称： 固件设计 

实验目的与要求： 

1.在掌握基于 S3C2410 的 linux 开发环境的配置和使用的基础上进行多线程编译。 

2.了解多线程程序设计的基本原理，学会使用prthread库函数。

3.（要求）正确使用连接线等实验仪器，并注意保护实验箱。实验结束之后将实验箱送回。 

实验仪器： - （名称）             （型号）            （数量） 

                   - 嵌入式开发平台 UP-NETARM2410-CL 1 

                   - PC机                                                      1

正文

一、实验内容：

（同实验一）本次实验建立在掌握嵌入式开发平台使用方法和配置方法的基础上，要求使用windows xp,linux(red hat),arm三个系统（即NFS方式）；在linux系统中安装arm系统，然后利用arm平台完成linux系统中C语言源文件的编译，并在windows系统中执行生成的可执行文件。

此外，本次实验要求掌握多线程编译方法；读懂pthread.c源代码，并且熟悉几个重要的PTHREAD库函数的使用。

二、实验原理：

1.实验相关原理

• 关于“什么是多线程”的问题：多线程是一种多任务、并发的方式。操作系统会保证线程数目不大于当前CPU数目，使得不同的线程运行在不同的CPU上。也就是说，多线程其实相当于操作系统控制下的多个任务“齐头并进”策略，避免了某个耗时较长的进程长时间独占操作系统（比如我们可以考虑把某个长进程分解为多个短的进程）。

• 关于本次实验中的源代码理解：

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <time.h>
  #include "pthread.h"
  
  #define BUFFER_SIZE 16
  
  /* 设置一个缓冲区（结构体） */
  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 */
  };
  
  /* Initialize a buffer */
  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;
  }
  /*--------------------------------------------------------*/
  /* Store an integer in the buffer */
  void put(struct prodcons * b, int data)
  {
      pthread_mutex_lock(&b->lock);
  
      /*等待缓冲区非满的时候，才可以向其中写入数据 */
      while ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos) {
          printf("wait for not full
  ");
  pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock);
  }
   /* 写过数据之后，将指针向前移动一位 */
      b->buffer[b->writepos] = data;
      b->writepos++;
      if (b->writepos >= BUFFER_SIZE) b->writepos = 0;
  /* 设置非空信号 */
      pthread_cond_signal(&b->notempty);
  
      pthread_mutex_unlock(&b->lock);
  }
  
  /* 其实读和写的代码基本上差不多，只不过最后要把非空设置为非满 */
  int get(struct prodcons * b)
  {
  int data;
  pthread_mutex_lock(&b->lock);
  
  /* Wait until buffer is not empty */
  while (b->writepos == b->readpos) {
  printf("wait for not empty
  ");
      pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock);
  }
  /* Read the data and advance read pointer */
  data = b->buffer[b->readpos];
  b->readpos++;
  if (b->readpos >= BUFFER_SIZE) b->readpos = 0;
  /* Signal that the buffer is now not full */
  pthread_cond_signal(&b->notfull);//设置状态信号量，这个是为了“我们”（操作系统）方便地“看出来”这个单元到底可不可用
  
  pthread_mutex_unlock(&b->lock);//释放互斥锁。这一步是很重要的，因为某一个单元在同一时刻只能被一个消费者/生产者使用（不可能同时写数据或者读数据，甚至也不可能同时有两个“人”读或者写数据）
  return data;
  }
  /*--------------------------------------------------------*/
  #define OVER (-1)
  struct prodcons buffer;
  /*下面的函数是生产者和消费者的主要的调用函数（调用上面的函数）*/
  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;
  }       
      /*--------------------------------------------------------*/
  void * consumer(void * data)
  {
    int d;
  while (1) {
  d = get(&buffer);
  if (d == OVER ) break;
  printf("  %d-->get
  ", d);
  }
  printf("consumer stopped!
  ");
  return NULL;
  }
  /*主函数：可以注意到先有生产者再有消费者*/
  int main(void)
  {
      pthread_t th_a, th_b;
      void * retval;
  
  init(&buffer);
  pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);
  pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);
  /* Wait until producer and consumer finish. */
  pthread_join(th_a, &retval);
  pthread_join(th_b, &retval);
  
  return 0;
  }
  

2.实验原理2

异步串行I/O方式是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。不同数据的各不同位可以在不同时间使用同一传输信道。接收方对于同一根线上一连串的数字信号，首先要分割成位，再按位组成字符。本程序主要的流程图如下： （图9） 函数主要的步骤即：打开串口；设置串口；读写串口（就像读写文件一样）；关闭串口。

三、实验过程

1.配置实验箱 - 同实验一中一样，配置实验环境 - 连接arm开发板； - 建立超级终端； - 启动实验平台； - 修改windows xp系统的ip使得它与arm机的ip在同一网段; - 在red hat中安装arm编译器; - 配置环境变量。 下面是一些主要步骤的截图：

（图2）

 

（图3） 

2.在上述基本的配置工作做好之后，在xp系统中应该可以访问与虚拟机共享的文件夹bc（在命令行输入虚拟机ip即可）。将实验所需要的代码文件夹（02pthread与03tty）整体拷贝入bc中。

3.打开虚拟机的命令行，输入 cd 02_pthread进入该文件夹；利用ls命令确认里面含有pthread.c和Makefile文件。

4.利用 armv4l-unknown-linux-gcc pthread.c -o pthread -lpthread命令进行多线程编译。

【注：此处，armv4l-unknown-linux-gcc代表交叉汇编，-lpthread代表该代码是多线程代码】 

5.之后再次输入ls，应该看到可执行文件。 

6.确认超级终端中的共享文件夹已经挂载好之后，在xp环境下的命令行中输入mount -t fns -o nolock 192.168.0.234:/home/bc /host 。之后，即可运行生成的pthread文件。

（图7，8） 

7.接下来在多线程编译的基础上运行串口文件。环境仍然是上述配置好的环境（包括xp,red hat,arm）。8.在虚拟机中编译term.c文件。（因为Makefile不能正常使用，所以我们小组选择直接编译）。方法同编译pthread.c。运行结果见下： 

（图10）

9.结束实验二；关闭实验箱电源之后依次关闭虚拟机、arm终端和电脑。并整理好实验箱。

三、实验中遇到的疑惑和困难

1.关于代码阅读（互斥锁与信号量）方面：

pthread_cond_signal(&b->notfull);
pthread_mutex_unlock(&b->lock);

这两个变量的作用是否是重复的？

【解答：通过查阅实验原理，我得到了如下的解释：互斥锁很明显的缺点是它只有两个状态：锁定和非锁定；而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个进程发送信号的方法来弥补互斥锁的不足。使用的时候，条件变量】

2.关于代码阅读（线程创建和等待函数）方面：

    pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);
    pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);
    pthread_join(th_a, &retval);
    pthread_join(th_b, &retval);

这两个函数各自的作用和参数含义是什么？

【create和join函数是线程API函数库中很重要的函数。关于其含义和作用，我在指导书中找到了如下解释。此外，老师在课上也对此方面的内容进行了涉及。】

（图4，5）

【另外，关于为什么main函数要调用pthreadjoin函数阻塞自己：因为main函数和producer函数、consumer函数其实是并发的三个线程，所以如果不做干预的话，它们执行结束的顺序不能确定（而我们希望看到的是main函数在另外两个函数之后结束）。所以调用pthreadjoin函数使main函数执行等待。】

3.关于编译pthread.c的时候输入命令回车之后总是提示“not found”的问题：

我们小组在执行一些诸如 cd XXX,或者vi XXX命令的时候，经常遇到这样的错误提示。后来经过与实验指导书的对比，我们发现，实验指导书中的路径和实际执行时的路径是有差别的（比如，pthread文件在虚拟机中的绝对路径就是 /bc/02pthread，而不是指导书中的exp/basic/02pthread）。