基于S3C44B0X的嵌入式Socket通信設(shè)計(jì)

   摘要：闡述了嵌入式系統(tǒng)的概念及嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。給出了基于嵌入式微處理器S3C44B0X完成具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了在一個(gè)裁剪的uCliunx操作系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與主機(jī)Socket通信的應(yīng)用端用戶程序。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；uClinux；Socket通信；S3C44B0X

隨著微電子技術(shù)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(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、國防軍事、自動(dòng)化控制領(lǐng)域以及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。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(shè)備中。

嵌入式系統(tǒng)是指將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，而且軟硬件可以裁剪，因而是能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?１?。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實(shí)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(yīng)用的通信平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，它可支持Ｅｔｈｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)了基于嵌入式通信微處理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的硬件通信平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式Ｓｏｃｋｅｔ通信。

１ 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)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(shè)備是指嵌入式硬件系統(tǒng)中除中心控制部件以外的存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)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(wù)的應(yīng)用場合才考慮使用，它可方便嵌入式應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，大大提高嵌入式系統(tǒng)的功能，但同時(shí)也要占用寶貴的嵌入式資源。嵌入式應(yīng)用軟件和普通的應(yīng)用軟件有一定的區(qū)別，它是針對特定的實(shí)際專業(yè)領(lǐng)域、基于相應(yīng)的嵌入式硬件平臺(tái)、能完成用戶預(yù)期任務(wù)的計(jì)算機(jī)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(jìn)行Ｓｏｃｋｅｔ通信的軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ是高性價(jià)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(diào)試，允許處理器響應(yīng)調(diào)試請求暫停，芯片內(nèi)的增強(qiáng)型乘法器（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）可進(jìn)行兩個(gè)３２位數(shù)相乘從而直接產(chǎn)生６４位結(jié)果，也可為嵌入式ＩＣＥ硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持。此外，它還可以提供三級(jí)流水線及馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ已在ＡＲＭ７ＴＤＭＩ內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)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(luò)通信系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)。

２ 外圍電路設(shè)計(jì)

作為優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)控制器，基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ處理器的系統(tǒng)必須要有一個(gè)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(gè)單芯片全雙工的以太網(wǎng)解決方案，片內(nèi)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(hào)發(fā)送和接收端通過網(wǎng)絡(luò)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(gè)２０ＭＨｚ的晶振。

３　基于ｕＣｌｉｕｎｘ的Ｓｏｃｋｅｔ通信

本系統(tǒng)的軟件是基于嵌入式操作系統(tǒng)ｕＣｌｉｎｕｘ而設(shè)計(jì)的。ｕＣｌｉｎｕｘ是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)Ｌｉｎｕｘ基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)裁剪和優(yōu)化后的操作系統(tǒng)，ｕＣｌｉｎｕｘ是一個(gè)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(diǎn)，如：穩(wěn)定、良好的移植性；優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能；對各種文件系統(tǒng)的完備支持，以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的ＡＰＩ等。ｕＣｌｉｎｕｘ是專門面向沒有存儲(chǔ)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(yùn)行，也可以加載到內(nèi)存中運(yùn)行。ｕ-Ｃｌｉｕｎｘ帶有一個(gè)完整的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，同時(shí)也支持其他許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對于嵌入式系統(tǒng)來說，它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)完備的操作系統(tǒng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

    為了實(shí)現(xiàn)基于ｕＣｌｉｎｕｘ的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，建立或擁有一個(gè)完備的ｕＣｌｉｕｎｘ開發(fā)環(huán)境是十分必要的?；冢酰茫欤椋睿酰僮飨到y(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主ＰＣ機(jī)構(gòu)成?３?。通常需在安裝有Ｌｉｎｕｘ的宿主ＰＣ機(jī)上安裝交叉編譯器，以把用戶應(yīng)用程序編譯成目前ｕＣｌｉｎｕｘ只支持的ｆｌａｔ格式的可執(zhí)行文件和編譯操作系統(tǒng)內(nèi)核。目標(biāo)硬件開發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件。目標(biāo)硬件開發(fā)板和ＰＣ宿主機(jī)之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口來建立連接。本文Ｓｏｃｋｅｔ通信使用的軟件開發(fā)及仿真環(huán)境如圖３所示。

Ｓｏｃｋｅｔ即“套接字”，表示網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)程的ＩＤ。最常用的有流式套接字和數(shù)據(jù)報(bào)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{(diào)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(gè)新的ｓｏｃｋｅｔ，以通知系統(tǒng)建立一個(gè)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(rèn)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(luò)上的物理位置相關(guān)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(jié)構(gòu)的長度。服務(wù)器和客戶機(jī)都可以調(diào)用函數(shù)ｂｉｎｄ來綁定套接字地址，但一般是由服務(wù)器調(diào)用函數(shù)ｂｉｎｄ來綁定自己的公認(rèn)端口號(hào)。

(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(jī)發(fā)送來的連接請求。ｂａｃｋｌｏｇ參數(shù)是所能接受的客戶機(jī)的最大數(shù)目。對ｓｏｃｋｅｔ、ｂｉｎｄ、ｌｉｓｔｅｎ三個(gè)函數(shù)的綜合調(diào)用最終可在服務(wù)器上產(chǎn)生一個(gè)能接受客戶機(jī)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(dāng)有客戶機(jī)發(fā)出連接請求時(shí)，此函數(shù)初始化這個(gè)連接。其中參數(shù)ａｄｄｒｅｓｓ用來存儲(chǔ)客戶機(jī)的信息，此信息由ａｃｃｅｐｔ填入。當(dāng)與客戶機(jī)連接時(shí)，客戶機(jī)的地址與端口將填到此處；ａｄｄｒｅｓｓ ｌｅｎ是客戶機(jī)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(jī)調(diào)用ｓｏｃｋｅｔ建立傳輸端口后，接著將調(diào)用ｃｏｎｎｅｃｔ函數(shù)來建立與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連的連接線路。此函數(shù)的參數(shù)調(diào)用同ｂｉｎｄ。

本文設(shè)計(jì)的Ｓｏｃｋｅｔ通信采用ｓｅｒｖｅｒ／ｃｌｉｅｎｔ模式，即服務(wù)器端的應(yīng)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(jì)算請求、向客戶端發(fā)送計(jì)算結(jié)果以及應(yīng)答信息等?？蛻舳说膽?yīng)用程序用于申請與服務(wù)器的連接、向服務(wù)器發(fā)送計(jì)算請求、處理服務(wù)器發(fā)回的計(jì)算結(jié)果和其它信息。

服務(wù)器在創(chuàng)建一個(gè)ｓｏｃｋｅｔ后，接著會(huì)將該ｓｏｃｋｅｔ與本地地址／端口號(hào)進(jìn)行捆綁，成功之后就在相應(yīng)的ｓｏｃｋｅｔ上監(jiān)聽，當(dāng)ａｃｃｐｅｔ捕捉到一個(gè)連接服務(wù)請求時(shí)，即完成一個(gè)新的連接，稍后可向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

    客戶端代碼相對來說要簡單一些，首先通過服務(wù)器域名獲得其ＩＰ地址，然后創(chuàng)建一個(gè)ｓｏｃｋｅｔ，接著調(diào)用ｃｏｎｎｅｃｔ函數(shù)來與服務(wù)器建立連接，連接成功之后再接收從服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，最后在通信結(jié)束后關(guān)閉ｓｏｃｋｅｔ。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)程序客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行Ｓｏｃｋｅｔ通信的建立步驟如下?

服務(wù)器端：ｓｏｃｋｅｔ →ｂｉｎｄ →ｌｉｓｔｅｎ→ａｃｃｅｐｔ

客戶端：ｓｏｃｋｅｔ →ｂｉｎｄ →ｃｏｎｎｅｃｔ

本設(shè)計(jì)使用的套接字為流式套接字，下面是運(yùn)行于３２位微處理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ嵌入式開發(fā)平臺(tái)的客戶端應(yīng)用程序?

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｄｂ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｔａｔ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｆｃｎｔｌ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｔｙｐｅｓ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｏｃｋｅｔ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｉｎｅｔ／ｉｎ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ａｒｐａ／ｉｎｅｔ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｕｎｉｓｔｄ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄｉｏ．ｈ＞

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｒｉｎｇ．ｈ＞

ｉｎｔ ｍａｉｎ(ｉｎｔ ａｒｇｃ,ｃｈａｒ ＊ａｒｇｖ[]）

{

ｉｎｔ ｓ;

ｃｈａｒ ｂｕｆｆｅｒ[２５６];?

ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ_ｉｎ ａｄｄｒ;

ｓｔｒｕｃｔ ｈｏｓｔｅｎｔ ＊ｈｐ;

ｓｔｒｕｃｔ ｉｎ_ａｄｄｒ ｉｎ;

ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ_ｉｎ ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ;

ｉｆ (ａｒｇｃ ＜ ２) ｒｅｔｕｒｎ;

ｉｆ(!(ｈｐ＝ｇｅｔｈｏｓｔｂｙｎａｍｅ (ａｒｇｖ[１]))){

ｆｐｒｉｎｔｆ(ｓｔｄｅｒｒ,＂Ｃａｎ＇ｔ ｒｅｓｏｌｖｅ ｈｏｓｔ．＼ｎ＂);?

ｅｘｉｔ (１);

}

ｉｆ ((ｓ ＝ ｓｏｃｋｅｔ(ＡＦ_ＩＮＥＴ,ＳＯＣＫ_ＳＴＲＥＡＭ,０))?＜０){?

ｐｅｒｒｏｒ (＂ｓｏｃｋｅｔ＂);?

ｅｘｉｔ (１);

}

ｂｚｅｒｏ (＆ａｄｄｒ,ｓｉｚｅｏｆ (ａｄｄｒ));

ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ｆａｍｉｌｙ ＝ ＡＦ_ＩＮＥＴ;

ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ｐｏｒｔ＝ｈｔｏｎｓ((ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ)ａｔｏｉ(ａｒｇｖ[２]));???

ｈｐ ＝ ｇｅｔｈｏｓｔｂｙｎａｍｅ(ａｒｇｖ[１]);??

ｍｅｍｃｐｙ(＆ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ,ｈｐ－＞ｈ ａｄｄｒ,４);?

ｉｎ．ｓ_ａｄｄｒ ＝ ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ;

ｐｒｉｎｔｆ (＂Ｄｏｍａｉｎ Ｎａｍｅ?％ｓ＼ｎ＂?ａｒｇｖ????

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);?

}

}

}

４ 結(jié)束語

設(shè)計(jì)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)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(shè)計(jì)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(yīng)用程序通過宿主ＰＣ機(jī)上的交叉編譯器轉(zhuǎn)化為ｆｌａｔ格式，然后再通過ＦＴＰ添加到目標(biāo)硬件開發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行的。文中的客戶端應(yīng)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(tái)上成功運(yùn)行，并成功地和宿主ＰＣ機(jī)的服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了Ｓｏｃｋｅｔ通信。當(dāng)然，也可以把目標(biāo)硬件開發(fā)平臺(tái)當(dāng)作服務(wù)器端，而把宿主ＰＣ機(jī)當(dāng)作客戶端來進(jìn)行雙向文件傳輸。