基于uCLinux和ARM7的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

引言

Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，與UNIX系統(tǒng)兼容，開(kāi)放源代碼。它原本被設(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。uCLinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uCLinux這個(gè)英文單詞中，u表示Micro,是“小”的意思；C表示Control，是“控制”的意思，所以uCLinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是“針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)”。它也是針對(duì)無(wú)MMU（內(nèi)存管理單元模塊）的微處理器設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。S3C4510B就是屬于該類的微處理器。

Samsung公司的S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)高性價(jià)比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)16/32位ARM7TDMI RISC處理器核。ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。除了ARM7TDMI核以外，S3C4510B還有許多重要的片內(nèi)外圍功能模塊，其中就有1個(gè)以太網(wǎng)控制器，用于S3C4510B系統(tǒng)與其它設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信工程。在S3C4510B的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)上移植了uCLinux操作系統(tǒng)，并在這個(gè)嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的各項(xiàng)功能。本文的敘述的網(wǎng)絡(luò)通信工程就是其中最主要的功能。

1 基于S3C4510B以太網(wǎng)電路的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

作為一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)控制器，基于S3C4510B的系統(tǒng)若沒(méi)有以太網(wǎng)接口，其應(yīng)用價(jià)值就會(huì)大打折扣，因此，就整個(gè)系統(tǒng)而言，以太網(wǎng)接口電路應(yīng)是必不可少的，但同時(shí)也是相對(duì)較復(fù)雜的。從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（Physical Layer,PHY）兩大部分構(gòu)成。
S3C4510B內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨(dú)立接口（Media Independent Interface,MII）和帶緩沖DMA接口（Buffered DMA Interface,BDI），可在半雙工或全雙工模式下提供情報(bào)0M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。在半雙工模式下，控制器支持CSMA/CD協(xié)議，在全雙工模式下支持IEEE802.3MAC控制層協(xié)議。因此，S3C4510B內(nèi)部實(shí)際上已包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，故需外接一片物理層芯片，以提供以太網(wǎng)的接入通道。

常用的單口10M/100Mbps高速以太網(wǎng)物理層接口器件主要有RTL8201、DM9161等，均提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡(luò)接口，可方便地與S3C4510B接口。以太網(wǎng)物理層接口器件主要功能一般包括：物理編碼子層、物理媒體附件、雙絞線物理媒體子層、10BASE-TX編碼/解碼器和雙絞線媒體訪問(wèn)單元等。

在該設(shè)計(jì)中，使用DP9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10M和100M的以太網(wǎng)傳輸，它起編碼、譯碼輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用。它與S3C4510B的引腳連線如圖圖1所示。

由于S3C4510B片內(nèi)已民用有帶MII接口的MAC控制器，而DM9161也提供了MII接口，各種信號(hào)的定義也很明確，因此DM9161與S3C4510B的連接時(shí)序銜接，可以達(dá)到很好的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞的目的。圖2為DM9161在本系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用電路（圖中右下方的1、2、3以及14、15、16分別與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器相應(yīng)引腳相連）。

S3C4510B的MAC控制器可通過(guò)MDC/MDIO管理接口控制多達(dá)斡爾1個(gè)DM9161，每個(gè)DM9161應(yīng)有不同的PHY地址（可從00001B～11111B）。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，DM9161鎖存引腳9、10、12、13、15的初始狀態(tài)作為與S3C4510B管理接口通信工程的PHY地址；但該地址不能設(shè)為00000B，否則DM9161進(jìn)入掉電模式。

信號(hào)的發(fā)送和接收端應(yīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體，實(shí)際應(yīng)用電路如圖書(shū)室所示。

2 Linux下的網(wǎng)絡(luò)編程協(xié)議分析

Linux下的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各層之間是通過(guò)一系列互相連接層的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)Internet地址族的，結(jié)構(gòu)層次如圖4所示。

其中BSD socket層由專門用來(lái)處理BSD socket的通用套接字管理軟件來(lái)處理，它由INET socket層來(lái)支持。INET socket為基于IP的協(xié)議TCP和UDP管理傳輸端點(diǎn)。UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是一個(gè)無(wú)連接協(xié)議，而TCP（傳輸控制協(xié)議）是一個(gè)可靠的端對(duì)端協(xié)議。傳輸U(kuò)DP包的時(shí)候，Linux不知道也不關(guān)心它們是否安全到達(dá)了目的地。TCP則不同。在TCP連接的兩端都需要加上一個(gè)編號(hào)，以保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被正確接收。在IP層，實(shí)現(xiàn)了Internet協(xié)議代碼，這些代碼要給傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上一個(gè)IP頭，并且知道如何把傳入的IP包送給TCP或者UDP協(xié)議。在IP層以下，就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)支持所有的Linux網(wǎng)絡(luò)工作，如PLIP、SLIP和以太網(wǎng)。

3 uClinux環(huán)境下的socket編程

網(wǎng)絡(luò)的socket數(shù)據(jù)b傳輸是一種特殊的I/O，socket也是一種文件描述符，也具有一個(gè)類似文件的函數(shù)調(diào)用socket()。該函數(shù)返回一個(gè)整型的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^(guò)該socket函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。常用的socket類型有兩種：流式socket和數(shù)據(jù)報(bào)式socket。兩者的區(qū)別在于：前者對(duì)應(yīng)于TCP服務(wù)，后者對(duì)應(yīng)于UDP服務(wù)。