基于MC9328MXl的Socket通信設(shè)計與實現(xiàn)
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM；MC9328MXl；CS8900A；Socket編程
1 引言
目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們的工作、生活中，2003年我國嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品經(jīng)濟總量達l 000億元。隨著技術(shù)的發(fā)展，8位MCU市場已逐步趨向穩(wěn)定，32位MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向，正在加速發(fā)長。在32位嵌入式微處理器市場上，基于ARM內(nèi)核的微處理器處于絕對的領(lǐng)導(dǎo)地位。
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)除了具有高效、穩(wěn)定、性能專一等優(yōu)點外，還具有實時性較高的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大增強網(wǎng)絡(luò)的智能化與靈話性，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。本文給出了一種適合于中/低端應(yīng)用的通信平臺設(shè)計方案，它可支持以太網(wǎng)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Linux環(huán)境設(shè)計了基于MC9328MXl(ARM920T)最小系統(tǒng)的硬件通信平臺，從而實現(xiàn)了嵌入式Socket通信。
2 最小系統(tǒng)分析
Motorola公司的MC9328MXl是以ARM920T為內(nèi)核的高性價比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個ARM公司設(shè)計的16/32位ARM920T RISC處理器核，ARM920T為低功耗，高性能16/32位核，最適合于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。除了ARM920T核以外，MC9328MXl還包含了許多外圍功能模塊。處理器和這些模塊都集成在核心板上，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由圖1可見，除了ARM920TDMI內(nèi)核外，MC9328MXl還集成了多個外圍功能模塊：一個LCD控制器、一個脈沖調(diào)制控制器、一個USB控制器及多個擴展通道，但是沒有集成用于網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)控制器。所以，需要設(shè)計包含合適的以太網(wǎng)控制器的外圍電路。
3 外圍電路設(shè)計
本系統(tǒng)選用與MC9328MXl相匹配的CS8900A作為以太網(wǎng)控制器。CS8900A是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗16位以太網(wǎng)控制器，功能強大。該器件的突出特點是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
CS8900A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，內(nèi)部功能模塊主要是802.3介質(zhì)訪問控制塊(MAC)。802.3介質(zhì)訪問控制塊支持全雙工工作模式，完全依照IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準，采用100引腳TQFP封裝，負責(zé)處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括：沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證。通過對發(fā)送控制寄存器(TxCMD)的初始化配置，MAC能自動完成幀的沖突后重傳。如果幀的數(shù)據(jù)部分少于46個字節(jié)，它能生成填充字段使數(shù)據(jù)幀達到802.3所要求的最短長度。
CS8900A的主要特點如下：
符合IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準，并帶有ISA接口；
片內(nèi)4KB RAM；
適用于I/O工作模式、存儲器工作模式和DMA工作模式；
帶有傳送、接收低通濾波的lOBase2T連接端口；
支持lOBase2，lOBase5和lOBase2F的AUI接口；
自動生成報頭，自動進行CRC檢驗，沖突后自動重發(fā)；
最大電流消耗為55mA(5 V電源)；
全雙工工作模式；
支持外部EEPROM。
另外，要實現(xiàn)CS8900A與主機之間的數(shù)據(jù)通訊，在電路設(shè)計時可根據(jù)具體情況靈活選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸模式。CS8900A支持的傳輸模式有：I/O模式和Memory模式，另外還有DMA模式。其中，I/O模式是訪問CS8900A存儲區(qū)的缺省模式，簡單易用。
由MC9328MXl的引腳描述可以看出，MCU的數(shù)據(jù)是通過D[3l：0]傳輸?shù)?，而以太網(wǎng)控制器CS8900A最多使用16位傳輸模式，所以MC9328MXl的數(shù)據(jù)總線前16位(D[15：0])應(yīng)與CS8900A的SD[O：15]相連，為解決速度不匹配的問題，需使用具有緩沖功能的總線收發(fā)器。從成本考慮，該系統(tǒng)采用兩個8位的74LS245。地址信息通過MC9328MXI地址總線接口的A[DO：03]與CS8900A的SA[00：03]通過緩沖器74HC244相連，A[04：19]與SA[04：19]直接相連用于設(shè)置網(wǎng)卡的初始基址。另外，CS8900A通過一個帶扼流線圈的隔離變壓器20F001N將CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)(變比為l：1.414)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過隔離變壓器(變比為1：1)。隔離變壓器的作用主要是將外部線路與CS8900A隔開，防止干擾和燒壞元件，實現(xiàn)帶電的插拔功能。XTALl與XTAL2之間的晶振為CS8900A提供穩(wěn)定的時鐘脈沖。其電路圖如圖3所示。
4 基于嵌入式Linux的Socket通信
基于嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境一般由裝有交叉編譯器的PC機和硬件開發(fā)板組成。本設(shè)計以PC宿主機作為客戶端，以MC9328MXl的開發(fā)板作為服務(wù)器實現(xiàn)通信。先由PC機將客戶機程序(server)編譯好后，通過串口寫入開發(fā)板，然后將開發(fā)板與PC機通過以太網(wǎng)口建立連接。
Socket(套接字)是通過標(biāo)準UNIX文件描述符和其他程序通訊的一個方法，其實質(zhì)是提供了進程通信的端點，可以看作是一種特殊的管道。通過Sock-et編程可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。一個完整的套接字有一個相關(guān)的描述：協(xié)議、本地地址、本地端口、遠程地址、遠程端口。
通用套接口地址結(jié)構(gòu)struct sockaddr的定義如下：
套接字操作函數(shù)主要有：
(1)創(chuàng)建一個Sockets
sockfd=socket (family，type，protocol)
其中由地址類(family)參數(shù)指定該Socket使用的地址類。由類型(type)參數(shù)規(guī)定所請求的通信類型。協(xié)議(protocol)參數(shù)一般為零，使得默認的協(xié)議將自動被選取。
(2)連接本地地址
本函數(shù)的主要功能是將一個規(guī)定的地址與一個Sockets結(jié)合，一個服務(wù)進程要使用如下函數(shù)：bind(sockfd，address，addrlen)其中，sockfd參數(shù)是由socket()調(diào)用返回的sockets描述符。address指向一個地址結(jié)構(gòu)，addrlen參數(shù)規(guī)定了地址的字節(jié)長度。
(3)客戶進程連接到服務(wù)進程
用此函數(shù)實現(xiàn)客戶進程對服務(wù)進程連接的初始化。此系統(tǒng)調(diào)用是：
connect(sockfd，address，addrlen)
其中，sockfd是本地Sockets的Sockets描述符。address規(guī)定目的機上服務(wù)進程正在使用的地址，addrlen規(guī)定了地址的字節(jié)長度。
當(dāng)connect()函數(shù)被調(diào)用時，如果客戶的Sockets還沒有結(jié)合到一個本地地址，則系統(tǒng)自動選擇一個本地地址和一個適當(dāng)?shù)亩丝谔?，并且把它們和該客戶的Sockets相結(jié)合。
(4)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽
int listen(int sockfd，int backlog)；
sockfd是Socket系統(tǒng)調(diào)用返回的Socket描述符；backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數(shù)，進入的連接請求將在隊列中等待accept ()(參考下文)。backlog對隊列中等待服務(wù)的請求的數(shù)目進行了限制，大多數(shù)系統(tǒng)缺省值為20。如果一個服務(wù)請求到來時，輸入隊列已滿，該Socket將拒絕連接請求，客戶將收到一個出錯信息。當(dāng)出現(xiàn)錯誤時listen函數(shù)返回-l，并置相應(yīng)的errno錯誤碼。
(5)接收請求函數(shù)
accept()函數(shù)讓服務(wù)器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列后，服務(wù)器就調(diào)用accept函數(shù)，然后睡眠并等待客戶的連接請求。
int accept(int sockfd，void*addr，int*addrlen)；
sockfd是被監(jiān)聽的Socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接請求服務(wù)的主機的信息；addrlen通常為一個指向值為sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。
(6)數(shù)據(jù)傳輸
Send()和Recv()這兩個函數(shù)應(yīng)用于面向連接的Socket上進行數(shù)據(jù)傳輸。
Send()函數(shù)原型為：int send(int sockfd，const void*msg，int len，int flags)；sockfd是用來傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符；msg是一個指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針；len是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)長度；flags一般情況下置為0。
Recv ()函數(shù)原型為：int Recv(int sockfd，void*buf int len，unsigned int flags)；sockfd是接受數(shù)據(jù)的Socket描述符；buf是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；len是緩沖的長度。flags也被置為O。Recv()返回實際上接收的字節(jié)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時，返回-1并置相應(yīng)的errno值。
本部分設(shè)計的目的是通過分析Socket的編程方法，編寫一個服務(wù)器程序server，用arm-linux-gcc編譯后運行在ARM開發(fā)板上，一個客戶端程序client用gcc編譯后在PC上運行。
總體編程模型即客戶機與服務(wù)器的通信過程見圖4。
4.1 服務(wù)器端
(1)初始化
4.2 客戶機端
(1)通過服務(wù)器域名獲得服務(wù)器的IP地址
函數(shù)gethostbyname ()是完成域名轉(zhuǎn)換的。當(dāng)gethostname()調(diào)用成功時，返回指向struct hosten的指針，當(dāng)調(diào)用失敗時返回-1。
(2)創(chuàng)建一個Socket(實現(xiàn)方法與服務(wù)器端相同)
(3)與服務(wù)器建立連接
這樣，給ARM開發(fā)板CS8900A網(wǎng)卡分配地址，并且編譯server和client程序后，可以將開發(fā)板用作服務(wù)器，PC用作客戶端，實現(xiàn)兩者的通信。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計開發(fā)了基于MC9328MXl的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，并利用嵌入式linux操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)了Socket通信。文中的客戶端應(yīng)用程序已經(jīng)在基于ARM9TDMI核的MC9328MXl處理器的嵌入式開發(fā)平臺上成功運行，應(yīng)用宿主PC機的服務(wù)器端應(yīng)用程序成功實現(xiàn)了Socket通信。當(dāng)然，也可以把目標(biāo)硬件開發(fā)平臺當(dāng)作服務(wù)器端，而把宿主PC機當(dāng)作客戶端來進行雙向文件傳輸。
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