基于嵌入式調(diào)試器的網(wǎng)絡(luò)通信方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了在嵌入式調(diào)試器中如何通過以太網(wǎng)口進(jìn)行嵌入式軟件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與開發(fā)板之間的網(wǎng)口通信。針對(duì)具體的嵌入式開發(fā)板S3C4510B對(duì)網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了研究，裁減了網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的冗余部分，既保證了調(diào)試器可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，又能滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)資源占用的要求。
關(guān)鍵詞：嵌入式開發(fā)板；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；嵌入式調(diào)試器

0.引言

    隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，嵌入式軟件開發(fā)變得日趨重要。嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件開發(fā)，其顯著特點(diǎn)是軟件開發(fā)的調(diào)試過程采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)的模式進(jìn)行，其交叉調(diào)試器分為宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)兩部分，因此在軟件調(diào)試過程中就需要進(jìn)行主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信。

    目前宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信方式主要有串口方式、以太網(wǎng)接口方式和USB接口方式三種，其中串口通信實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，是目前廣泛使用的通信方式，但是串口通信存在著速度慢、通信距離受限等弊端，而以太網(wǎng)接口方式則可以克服串口方式的不足，不僅可提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而且無論是傳輸速度還是傳輸距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于串口方式，是一種快速高效的通信方式。目前網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，Internet工程委員會(huì)IETF及其下屬的管理組IESG在RFC文擋中已經(jīng)明確定義了Internet協(xié)議族的規(guī)范，該規(guī)范已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)在Internet中廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)此規(guī)范討論了在嵌入式調(diào)試器中如何實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口通信，給出了一種基于嵌入式調(diào)試器的網(wǎng)絡(luò)通信方法。

1.硬件結(jié)構(gòu)

    S3C4510B是三星公司開發(fā)的一款16/32位RISC嵌入式處理器，芯片內(nèi)部集成了一個(gè)10Mbps/100Mvps以太網(wǎng)控制器，網(wǎng)卡芯片采用的是RTL8201。以太網(wǎng)控制器主要分為BDMA控制器和MAC子層兩部分，該控制器工作于MAC層，兼容IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持半雙工或全雙工模式，采用介質(zhì)獨(dú)立接口（MII）與網(wǎng)卡芯片通信。

2.通信協(xié)議

    在嵌入式調(diào)試器的通信中，主機(jī)向目標(biāo)機(jī)發(fā)送命令，目標(biāo)機(jī)接收、執(zhí)行命令并將結(jié)果返回主機(jī)，網(wǎng)口通信主要是面向數(shù)據(jù)和字符串傳輸?shù)?，因此在通信中主要用到IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議。要通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試目標(biāo)機(jī)，那么目標(biāo)機(jī)IP地址的設(shè)置是必不可少的，因此目標(biāo)機(jī)還需要實(shí)現(xiàn)BOOTP協(xié)議，通過BOOTP協(xié)議向主機(jī)申請(qǐng)本機(jī)IP地址，完成IP地址的配置。

    BOOTP協(xié)議即引導(dǎo)程序協(xié)議，是一種基于UDP/IP的協(xié)議，主要用于客戶機(jī)從服務(wù)器獲得本機(jī)IP地址、服務(wù)器IP地址及其它配置信息，如本地子網(wǎng)掩碼等。UDP協(xié)議即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸協(xié)議，與TCP不同，UDP不提供對(duì)IP協(xié)議的可靠機(jī)制、流控制以及錯(cuò)誤恢復(fù)功能，所以實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，且不影響傳輸速度，適用于嵌入式系統(tǒng)。IP協(xié)議即網(wǎng)際協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，所有的TCP、UDP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸，該協(xié)議提供了一種高效不可靠的無連接傳輸方式。ARP協(xié)議即地址解析協(xié)議，為IP地址與對(duì)應(yīng)的物理地址提供映射。

3. 網(wǎng)絡(luò)通信程序?qū)崿F(xiàn)

    具體的程序?qū)崿F(xiàn)主要包括網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和通信協(xié)議兩部分，網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)即初始化S3C4510B的硬件，主要是以太網(wǎng)控制器和收發(fā)緩沖的設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要是完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，保證目標(biāo)板接入以太網(wǎng)。程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

3.1網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

    網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要是針對(duì)具體的開發(fā)板所做的硬件初始化，配置硬件工作環(huán)境。

3.1.1管理網(wǎng)卡芯片

    在4510開發(fā)板中由MAC層的狀態(tài)管理控制機(jī)通過MII接口來讀取和設(shè)置網(wǎng)卡的工作狀態(tài)，物理設(shè)備地址及其內(nèi)部寄存器地址存放在站管理控制與地址寄存器STACON中，而要設(shè)置或讀取的數(shù)據(jù)則放在站管理數(shù)據(jù)寄存器STADATA中。

    在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)卡的MAC地址可以從ICC EEPROM中讀取，也可自行設(shè)定，只要保證在同一局域網(wǎng)內(nèi)該地址的唯一性即可。

3.1.2初始化以太網(wǎng)控制器

①關(guān)閉MAC、BDMA收發(fā)中斷，保證初始化程序的順利進(jìn)行。

②設(shè)置MAC、BDMA中斷向量表。S3C4510B中共有21個(gè)中斷源，MAC和BDMA發(fā)送/接收中斷源占用16～19四個(gè)中斷號(hào)。

③設(shè)置MAC、BDMA控制器的初始值，即初始化BDMA接收/發(fā)送控制寄存器和MAC接收/控制寄存器，具體收發(fā)細(xì)節(jié)。

④配置以太網(wǎng)的收發(fā)緩沖區(qū)。發(fā)送幀和接收幀的幀描述符起始地址分別存放在寄存器BDMATXPTR和BDMARXPTR中，在BDMA的操作過程中它們會(huì)更新為下一個(gè)幀地址。其中，幀描述符定義為結(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)體成員描述了幀信息。

⑤使能BDMA接收中斷和MAC發(fā)送中斷。將中斷屏蔽寄存器INTMSK中的相應(yīng)位清零，響應(yīng)BDMA和MAC中斷請(qǐng)求。

3.1.3收發(fā)以太數(shù)據(jù)幀

①發(fā)送以太數(shù)據(jù)幀：調(diào)用發(fā)送函數(shù)DrvEthWrite()，從BDMATXPTR中獲得發(fā)送幀地址，為發(fā)送幀緩沖賦值，將數(shù)據(jù)幀的控制權(quán)交給BDMA控制器，以太網(wǎng)控制器自動(dòng)為發(fā)送數(shù)據(jù)加上同步位、分割位、校驗(yàn)位以及填充字段并將以太幀發(fā)送出去。

②接收以太數(shù)據(jù)幀：接收時(shí)產(chǎn)生BDMA接收中斷，中斷處理函數(shù)BDMA_Rx_isr()完成數(shù)據(jù)的接收，并做相關(guān)的處理，如清楚中斷標(biāo)志位、檢查數(shù)據(jù)幀的所有權(quán)、獲取下一個(gè)未處理的幀結(jié)構(gòu)指針等。

部分主要程序如下：

/*配置物理設(shè)備*/

MIIWrite(0x0, 0x2, 1<<13|1<<8);/*設(shè)置物理設(shè)備的狀態(tài)*/

status = MIIRead(0x1, 0x0);/*讀取物理設(shè)備的狀態(tài)*/

/*配置MAC地址*/

GetMyMacAddr():

/*關(guān)閉收發(fā)中斷*/

Disable_Int(nMAC_RX_INT);

Disable_Int(nMAC_TX_INT);

Disable_Int(nBDMA_RX_INT);

Disable_Int(nBDMA_TX_INT);

/*設(shè)置MAC發(fā)送中斷和BDMA接收中斷向量*/

SetInterrupt(nMAC_TX_INT, MAC_Tx_isr);

SetInterrupt(nBDMA_RX_INT, BDMA_Rx_isr);

/*初始化MAC、BDMA控制器*/

BDMARXCON = BRxRS; /*設(shè)置BDMA接收控制寄存器*/

BDMATXCON = BTxRS; /*設(shè)置BDMA發(fā)送控制寄存器*/

MACCON = Reset; /*復(fù)位MAC控制寄存器*/

BDMARXLSZ = MaxRxFrameSize+40; /*接收幀的最大尺寸*/

MACON = gMacCon; /*設(shè)置為全雙工方式*/

/*配置以太網(wǎng)的收發(fā)緩沖*/

TxFDInitialize();

RxFDInitialize();

/*使能BDMA接收中斷和MAC發(fā)送中斷*/

Enable_Int(nBDMA_RX_INT);

Enable_Int(nMAC_TX_INT);

3.2通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

    本文采用結(jié)構(gòu)類型定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)bootphdr、Udphdr、ip和arphdr，分別用來記錄BOOTP、UDP、IP和ARP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭的各種信息。

3.2.1配置目標(biāo)機(jī)IP地址

    目標(biāo)機(jī)首先向主機(jī)發(fā)送BOOTP請(qǐng)求，主機(jī)運(yùn)行DHCP服務(wù)為目標(biāo)機(jī)分配IP地址，向目標(biāo)機(jī)發(fā)送BOOTP應(yīng)答包，目標(biāo)機(jī)收到應(yīng)答包后，按照協(xié)議格式獲取主機(jī)和本機(jī)的IP地址以及其它相關(guān)信息。

①生成BOOTP請(qǐng)求。初始化bootphdr中各個(gè)結(jié)構(gòu)體成員的值，客戶IP地址和主機(jī)IP地址分別設(shè)為0.0.0.0和255.255.255.255，在系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)時(shí)0.0.0.0是一個(gè)有效的IP地址，目標(biāo)機(jī)在不知道目的主機(jī)的IP地址時(shí)可以使用廣播地址255.255.255.255,以廣播的方式發(fā)送BOOTP請(qǐng)求。MAC地址已在初始化時(shí)獲得，并存放在全局變量MyMacSrcAddr中，其它成員變量可以按照協(xié)議的格式設(shè)置即可。

②發(fā)送BOOTP請(qǐng)求。BOOTP請(qǐng)求需封裝在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送,BOOTP的服務(wù)器端口和客戶端口分別使用知名端口67和68；UDP校驗(yàn)和通過調(diào)用函數(shù)udpChksum()計(jì)算獲取。IP報(bào)頭各成員按照IP數(shù)據(jù)報(bào)格式設(shè)置，源IP地址與目的IP地址分別是0.0.0.0和255.255.255.255，IP校驗(yàn)和通過調(diào)用函數(shù)ipChksum()計(jì)算獲得。本機(jī)MAC地址作為源MAC地址，廣播形式的MAC地址0xffffffff作為目的MAC地址，封裝成以太數(shù)據(jù)幀，調(diào)用寫函數(shù)DrvEthWrite()發(fā)送。調(diào)用發(fā)送中斷處理函數(shù)MAC_Tx_isr()，更新當(dāng)前幀結(jié)構(gòu)描述指針并復(fù)位MAC控制器。

③接收BOOTP應(yīng)答包，獲取主機(jī)和本機(jī)的IP地址。采用中斷方式接收BOOTP應(yīng)答包。中斷處理函數(shù)BDMA_Rx_isr()將接收到的包存放在接收幀描述符RxFDBaseAddr中，提取有效數(shù)據(jù)放入BOOTP接收緩沖區(qū)BOOTP_REC_BUF中,并且復(fù)位相應(yīng)的BDMA控制寄存器道和中斷控制位。

③按照協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)格式從BOOTP_REC_BUF中提取數(shù)據(jù)，記錄本機(jī)和主機(jī)的IP地址。

3.2.2數(shù)據(jù)收發(fā)

    數(shù)據(jù)的收發(fā)主要是涉及IP、UDP和ARP三個(gè)重要的協(xié)議，在具體實(shí)現(xiàn)中根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特性有針對(duì)性地做了裁減，既保證了網(wǎng)口的正常工作，又節(jié)省了嵌入式系統(tǒng)的資源。

①有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包到來，首先進(jìn)行判斷。如果是ARP請(qǐng)求則發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答；如果是ARP應(yīng)答，則記錄發(fā)送方的IP地址和以太網(wǎng)地址；如果是IP數(shù)據(jù)包，則開始接收數(shù)據(jù)。

②接收數(shù)據(jù)：IP數(shù)據(jù)包到來，中斷處理函數(shù)將數(shù)據(jù)包放在接收幀描述符RxFDBaseAddr中，提取IP包放入接收緩沖區(qū)IP_REC_BUF。從IP_REC_BUF中提取有效數(shù)據(jù)交給調(diào)試器進(jìn)行處理。

③發(fā)送數(shù)據(jù)：發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中，目標(biāo)機(jī)IP地址和主機(jī)IP地址分別記錄在全局變量MyIpAddr和HostIpAddr中，按照UDP和IP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)格式為數(shù)據(jù)加上UDP報(bào)頭和IP報(bào)頭。以本機(jī)MAC地址作為源物理地址，以ARP應(yīng)答中獲得的主機(jī)物理地址作為目的地址，封裝成以太數(shù)據(jù)幀，調(diào)用寫函數(shù)DrvEthWrite()發(fā)送,中斷處理函數(shù)MAC_Tx_isr()進(jìn)行發(fā)送中斷處理。

部分主要通信程序如下：

SendBootpRequest(bootp_id);/*發(fā)送BOOTP請(qǐng)求，bootp_id是該請(qǐng)求隨機(jī)分配的標(biāo)識(shí)號(hào)*/

/*等待BOOTP應(yīng)答包*/

/*BOOTP應(yīng)答包到來，從接收緩沖BOOTP_REC_BUF提取數(shù)據(jù)*/

memcpy(MyIpAddr,bhdr->your_ip,4); /*提取目標(biāo)板的IP地址放在全局變量MyIpAddr中*/

memcpy(HostIpAddr,bhdr->server_ip,4); /*提取主機(jī)IP地址放在全局變量HostIpAddr中*/

/*檢查到來的包*/

if(pro_type==ETHERTYPE_IP) IpProcess(IP_REC_BUF);/*處理到來的IP包*/

if(pro_type==ETHERTYPE_ARP) ArpProcess(IP_REC_BUF,42);/*處理到來的ARP包*/

4.結(jié)語

    用C語言實(shí)現(xiàn)的程序代碼已調(diào)試通過，并成功應(yīng)用于嵌入式調(diào)試器中。該功能模塊針對(duì)具體的開發(fā)板所設(shè)計(jì)的網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和協(xié)議棧，裁減了冗余的功能部分，既能滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)資源占用的要求，又能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無丟失傳輸。測(cè)試證明對(duì)于批量數(shù)據(jù)的傳輸，網(wǎng)口的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于串口，有效地實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的調(diào)試通信，具有一定的實(shí)際意義。

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn):設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式調(diào)試器的以太網(wǎng)接口通信方式，針對(duì)具體的開發(fā)板對(duì)網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)和協(xié)議棧做了裁減，既能滿足嵌入式系統(tǒng)的資源占用要求，又能保證數(shù)據(jù)高效傳輸。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬容,彭思鵬,柏桂枝.嵌入式軟件源碼級(jí)交叉調(diào)試器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).艦船電子工程.2004,24(3)：56-59.
[2]龐繼勇,李維英,王竟.網(wǎng)絡(luò)通信處理器S3C4510B的網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì).單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2004,(4):26-28.
[3]胡德斌.基于ucOSⅡ操作系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息.2005,21(8-2):24-26.
[4]寇向輝,陳利學(xué),田家林.基于S3C44BOX+ucLinux的嵌入式以太網(wǎng)設(shè)計(jì)與分析.2005,(35):
[5]代勇,李昌禧.基于嵌入式以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).微機(jī)發(fā)展.2005,15(5):125-127.
[6]ADAM DUNKELS.《uIP-A Free Small TCP/IP Stack》.Sweden：Swedish Institute of Computer Science,2003