基于S3C44B0X的嵌入式Socket通信設計

隨著微電子技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學研究、工程設計、國防軍事、自動化控制領域以及人們日常生活的方方面面。由嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到任何微型或小型儀器和設備中。

嵌入式系統(tǒng)是指將應用程序、操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應用為中心、以計算機技術為基礎，而且軟硬件可以裁剪，因而是能滿足應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)１。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡技術的結合可以極大地增強網(wǎng)絡的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實現(xiàn)各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。本文給出一種適合于中／低端應用的通信平臺設計方案，它可支持Ｅｔｈｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且具有ＲＳ２３２、 ＲＳ４８５、 ＵＳＢ等接口。文中圍繞嵌入式ｕＣｌｉｎｕｘ環(huán)境設計了基于嵌入式通信微處理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的硬件通信平臺，從而實現(xiàn)了嵌入式Ｓｏｃｋｅｔ通信。

１ 嵌入式網(wǎng)絡通信系統(tǒng)結構

作為一類特殊的計算機系統(tǒng)， 嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，它可分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）和高度集成的嵌入式ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ）。嵌入式外圍設備是指嵌入式硬件系統(tǒng)中除中心控制部件以外的存儲、通信、保護、調試、顯示等其它輔助部件。嵌入式操作系統(tǒng)一般在比較大型或需要多任務的應用場合才考慮使用，它可方便嵌入式應用軟件的設計，大大提高嵌入式系統(tǒng)的功能，但同時也要占用寶貴的嵌入式資源。嵌入式應用軟件和普通的應用軟件有一定的區(qū)別，它是針對特定的實際專業(yè)領域、基于相應的嵌入式硬件平臺、能完成用戶預期任務的計算機軟件。

嵌入式處理器有許多種流行的處理器核，本文主要介紹采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司基于ＡＲＭ公司３２位ＲＩＳＣ的ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ處理器來進行Ｓｏｃｋｅｔ通信的軟硬件平臺的設計和實現(xiàn)方法。

Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ是高性價比、高性能的微控制器，它采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核，可工作在６６ＭＨｚ。ＡＲＭ７ＴＤＭＩ是一種３２位嵌入式ＲＩＳＣ處理器，但也配備了１６位壓縮指令集Ｔｈｕｍｂ。它支持片上調試，允許處理器響應調試請求暫停，芯片內的增強型乘法器（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）可進行兩個３２位數(shù)相乘從而直接產(chǎn)生６４位結果，也可為嵌入式ＩＣＥ硬件提供片上斷點和調試點支持。此外，它還可以提供三級流水線及馮?諾依曼結構。實際上，Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ已在ＡＲＭ７ＴＤＭＩ內容基礎上擴展了一系列完整的通用外圍器件。圖１所示是一種嵌入式網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的硬件體系結構。

２ 外圍電路設計

作為優(yōu)秀的網(wǎng)絡控制器，基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ處理器的系統(tǒng)必須要有一個與之匹配的控制芯片。這里，筆者選用了Ｃｉｒｒｕｓ ｌｏｇｉｃ公司的ＣＳ８９００Ａ。ＣＳ８９００Ａ是一個單芯片全雙工的以太網(wǎng)解決方案，片內集成了用于完成以太網(wǎng)電路所必需的所有模擬和數(shù)字電路。圖２為系統(tǒng)中的ＣＳ８９００Ａ以太網(wǎng)接口電路。圖中的信號發(fā)送和接收端通過網(wǎng)絡隔離變壓器和ＲＪ４５接口接入傳輸媒體。另外，為了系統(tǒng)能夠正常工作，還需要外接一個２０ＭＨｚ的晶振。

本系統(tǒng)的軟件是基于嵌入式操作系統(tǒng)ｕＣｌｉｎｕｘ而設計的。ｕＣｌｉｎｕｘ是一個完全符合ＧＮＵ／ＧＰＬ公約的操作系統(tǒng)，它與ＵＮＩＸ系統(tǒng)兼容，其代碼完全開放。ｕＣｌｉｎｕｘ是在標準Ｌｉｎｕｘ基礎上進行適當裁剪和優(yōu)化后的操作系統(tǒng)，ｕＣｌｉｎｕｘ是一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的Ｌｉｎｕｘ的嵌入式子集。雖然體積很小，但仍然保留了Ｌｉｎｕｘ的大多數(shù)優(yōu)點，如：穩(wěn)定、良好的移植性；優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能；對各種文件系統(tǒng)的完備支持，以及標準豐富的ＡＰＩ等。ｕＣｌｉｎｕｘ是專門面向沒有存儲器管理單元（ＭＭＵ）的處理器的嵌入式操作系統(tǒng)，并且專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化工作，它可以直接在Ｆｌａｓｈ上運行，也可以加載到內存中運行。ｕ-Ｃｌｉｕｎｘ帶有一個完整的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，同時也支持其他許多網(wǎng)絡協(xié)議，對于嵌入式系統(tǒng)來說，它是一個網(wǎng)絡完備的操作系統(tǒng)，因此得到了廣泛的應用。

; Ｓｏｃｋｅｔ即“套接字”，表示網(wǎng)絡通信進程的ＩＤ。最常用的有流式套接字和數(shù)據(jù)報套接字兩種。在Ｌｉｎｕｘ中，分別稱為“ＳＯＣＫ ＳＴＲＥＡＭ”和“ＳＯＣＫ ＤＧＲＡＭ”。經(jīng)裁剪的ｕＣｌｉｎｕｘ保留了Ｌｉｎｕｘ中的大部分Ｓｏｃｋｅｔ庫函數(shù)?；冢樱常茫矗矗拢埃靥幚砥鞯那度胧剑樱铮悖耄澹敉ㄐ潘{用的主要庫函數(shù)如下：

(１)ｓｏｃｋｅｔ ｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ(ｉｎｔ ｄｏｍａｉｎｉｎｔ ｔｙｐｅｉｎｔ ｐｒｏｔｏ-ｃｏｌ)
此函數(shù)用來建立一個新的ｓｏｃｋｅｔ，以通知系統(tǒng)建立一個通信端口。函數(shù)中的ｄｏｍａｉｎ參數(shù)用于指定使用何種地址類型；ｔｙｐｅ參數(shù)用于指定套接字類型；ｐｒｏｔｏｃｏｌ參數(shù)通常為０，表示使用默認協(xié)議。

(２)ｂｉｎｄ ｉｎｔ ｂｉｎｄ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ＊ ｍｙａｄｄｒ,ｉｎｔ ａｄｄｒｌｅｎ)
ｂｉｎｄ函數(shù)可把ｓｏｃｋｅｔ返回的套接字端口與網(wǎng)絡上的物理位置相關聯(lián)。其中ｓｏｃｋｆｄ參數(shù)是函數(shù)ｓｏｃｋｅｔ返回的套接字描述符；ｍｙａｄｄｒ參數(shù)是本地地址；ａｄ-ｄｒｌｅｎ參數(shù)是套接字地址結構的長度。服務器和客戶機都可以調用函數(shù)ｂｉｎｄ來綁定套接字地址，但一般是由服務器調用函數(shù)ｂｉｎｄ來綁定自己的公認端口號。 (３)ｌｉｓｔｅｎ ｉｎｔ ｌｉｓｔｅｎ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｉｎｔ ｂａｃｋｌｏｇ)
利用該函數(shù)可以使ｓｏｃｋｅｔ端口接受從客戶機發(fā)送來的連接請求。ｂａｃｋｌｏｇ參數(shù)是所能接受的客戶機的最大數(shù)目。對ｓｏｃｋｅｔ、ｂｉｎｄ、ｌｉｓｔｅｎ三個函數(shù)的綜合調用最終可在服務器上產(chǎn)生一個能接受客戶機請求的監(jiān)聽文件描述符ｓｏｃｋｆｄ。

(４)ａｃｃｅｐｔ ｉｎｔ ａｃｃｅｐｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ＊ａｄｄｒｅｓｓ,ｉｎｔ＊ａｄｄｒｅｓｓ_ｌｅｎ)
當有客戶機發(fā)出連接請求時，此函數(shù)初始化這個連接。其中參數(shù)ａｄｄｒｅｓｓ用來存儲客戶機的信息，此信息由ａｃｃｅｐｔ填入。當與客戶機連接時，客戶機的地址與端口將填到此處；ａｄｄｒｅｓｓ ｌｅｎ是客戶機地址長度的字節(jié)數(shù)，也由ａｃｃｅｐｔ填入。

(５)ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ ＊ａｄｄｒｅｓｓ,ｓｉｚｅ_ｔ ａｄｄｒｅｓｓ_ｌｅｎ)

客戶機調用ｓｏｃｋｅｔ建立傳輸端口后，接著將調用ｃｏｎｎｅｃｔ函數(shù)來建立與遠程服務器相連的連接線路。此函數(shù)的參數(shù)調用同ｂｉｎｄ。

本文設計的Ｓｏｃｋｅｔ通信采用ｓｅｒｖｅｒ／ｃｌｉｅｎｔ模式，即服務器端的應用程序用于接受客戶端的連接請求、接收客戶端的信息、處理客戶端的計算請求、向客戶端發(fā)送計算結果以及應答信息等。客戶端的應用程序用于申請與服務器的連接、向服務器發(fā)送計算請求、處理服務器發(fā)回的計算結果和其它信息。

服務器在創(chuàng)建一個ｓｏｃｋｅｔ后，接著會將該ｓｏｃｋｅｔ與本地地址／端口號進行捆綁，成功之后就在相應的ｓｏｃｋｅｔ上監(jiān)聽，當ａｃｃｐｅｔ捕捉到一個連接服務請求時，即完成一個新的連接，稍后可向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｄｂ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｔａｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｆｃｎｔｌ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｔｙｐｅｓ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｏｃｋｅｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ
＜ｎｅｔｉｎｅｔ／ｉｎ．ｈ＞

ｐｒｉｎｔｆ (＂ＩＰ ａｄｄｒｅｓｓ :％ｓ＼ｎ＂,ｉｎｅｔ_ｎｔｏａ (ｉｎ));
ｐｒｉｎｔｆ(＂％ｓ,％ｓ＼ｎ＂,ｈｐ－＞ｈ_ｎａｍｅ,ａｒｇｖ[２]);
ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ＝ｉｎｅｔ_ａｄｄｒ(ｈｐ－＞ｈ_ｎａｍｅ);
ｉｆｃｏｎｎｅｃｔ(ｓ,(ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ ＊)＆ａｄｄｒ,ｓｉｚｅｏｆ (ａｄｄｒ))＜０){
ｐｅｒｒｏｒ (＂ｃｏｎｎｅｃｔ＂);
ｅｘｉｔ (１);
}
ｒｅｃｖ (ｓ,ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ (ｂｕｆｆｅｒ),０);
ｐｒｉｎｔｆ (＂％ｓ＼ｎ＂,ｂｕｆｆｅｒ);
ｗｈｉｌｅ(１);
ｂｚｅｒｏ(ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ (ｂｕｆｆｅｒ));
ｒｅａｄ (ＳＴＤＩＮ_ＦＩＬＥＮＯ,ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ(ｂｕｆｆｅｒ));
ｉｆ (ｓｅｎｄ (ｓ,ｂｕｆｆｅｒ,ｓｉｚｅｏｆ (ｂｕｆｆｅｒ),０)＜０){
ｐｅｒｒｏｒ (＂ｓｅｎｄ＂);
ｅｘｉｔ (１);
}
}
}

設計開發(fā)了基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，并利用ｕＣｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡功能實現(xiàn)了Ｓｏｃｋｅｔ通信。由于ｕＣｌｉｎｕｘ目前只支持ｆｌａｔ格式的可執(zhí)行文件，因此本設計是在先建立好ｕＣｌｉｎｕｘ開發(fā)環(huán)境的情況下，把用戶自行開發(fā)的應用程序通過宿主ＰＣ機上的交叉編譯器轉化為ｆｌａｔ格式，然后再通過ＦＴＰ添加到目標硬件開發(fā)平臺上運行的。文中的客戶端應用程序已經(jīng)在基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ處理器的嵌入式開發(fā)平臺上成功運行，并成功地和宿主ＰＣ機的服務器端應用程序實現(xiàn)了Ｓｏｃｋｅｔ通信。當然，也可以把目標硬件開發(fā)平臺當作服務器端，而把宿主ＰＣ機當作客戶端來進行雙向文件傳輸。