基于uCLinux和S3C4510B的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計
關(guān)鍵詞：uCLinux S3C4510B 網(wǎng)絡(luò)通信 DM9161 嵌入式系統(tǒng)
引言
Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，與UNIX系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設(shè)計為桌面系統(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“針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)”。它也是針對無MMU（內(nèi)存管理單元模塊）的微處理器設(shè)計的操作系統(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)高性價比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計16/32位ARM7TDMI RISC處理器核。ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。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)控制平臺上移植了uCLinux操作系統(tǒng)，并在這個嵌入式平臺上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的各項功能。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)計思路與實現(xiàn)
作為一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)控制器，基于S3C4510B的系統(tǒng)若沒有以太網(wǎng)接口，其應(yīng)用價值就會大打折扣，因此，就整個系統(tǒng)而言，以太網(wǎng)接口電路應(yīng)是必不可少的，但同時也是相對較復(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)嵌一個以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨立接口（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單元等。
在該設(shè)計中，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，各種信號的定義也很明確，因此DM9161與S3C4510B的連接時序銜接，可以達(dá)到很好的網(wǎng)絡(luò)信號傳遞的目的。圖2為DM9161在本系統(tǒng)中的實際應(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MDC/MDIO管理接口控制多達(dá)斡爾1個DM9161，每個DM9161應(yīng)有不同的PHY地址（可從00001B～11111B）。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時，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。
信號的發(fā)送和接收端應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體，實際應(yīng)用電路如圖書室所示。
圖2
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一系列互相連接層的軟件來實現(xiàn)Internet地址族的，結(jié)構(gòu)層次如圖4所示。
其中BSD socket層由專門用來處理BSD socket的通用套接字管理軟件來處理，它由INET socket層來支持。INET socket為基于IP的協(xié)議TCP和UDP管理傳輸端點。UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是一個無連接協(xié)議，而TCP（傳輸控制協(xié)議）是一個可靠的端對端協(xié)議。傳輸UDP包的時候，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編號，以保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被正確接收。在IP層，實現(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，也具有一個類似文件的函數(shù)調(diào)用socket()。該函數(shù)返回一個整型的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該socket函數(shù)實現(xiàn)的。常用的socket類型有兩種：流式socket和數(shù)據(jù)報式socket。兩者的區(qū)別在于：前者對應(yīng)于TCP服務(wù)，后者對應(yīng)于UDP服務(wù)。
3．1 uCLinux中socket編程中用到的函數(shù)
（1） socket函數(shù)
為了執(zhí)行I/O，一個進(jìn)程必須做的第一件事情就是調(diào)用socket函數(shù)，指定期望的通信協(xié)議類型（使用IPv4的TCP、使用IPv6的UDP、Unix域字節(jié)流協(xié)議等），其函數(shù)結(jié)構(gòu)如下：int socket(int family,int type,int protocol);
/*返回：非負(fù)描述字—成功，-1—出錯*/
代碼中的family指明協(xié)議族。套接口的類型type是某個常值。一般來說，函數(shù)socket的參數(shù)protocol主設(shè)置為0，socket函數(shù)成功時返回一個小的非負(fù)整數(shù)值。為了得到這個數(shù)值，我們指定協(xié)議族（IPv4IP、v6或Unix）和套接口類型（字節(jié)流、數(shù)據(jù)報或原始套接口）。
（2）connect函數(shù)
TCP客戶用connect函數(shù)來建立一個與TCP服務(wù)器的連接。
Int connect(int sockfd,const struct sockaddr* servaddr,socklen_t addrlen);/*返回：0—成功，-1—出錯*/
Sockfd由socket函數(shù)返回數(shù)值，第二、第三個參數(shù)分別是一個批晌套接口地址結(jié)構(gòu)的指針和該結(jié)構(gòu)的大小。套接口葉址結(jié)構(gòu)必須含有服務(wù)器的IP地址和端口號。
（3）bind函數(shù)
函數(shù)bind給套接口分配一個本地協(xié)議地址。對于網(wǎng)際協(xié)議，協(xié)議地址是非顛倒2位IPv4地址16位的TCP或UDP端口號的組合。
Int bind(int sockfd,const struct sockaddr* myaddr,socklen_t addrlen);/*返回：0—成功，-1—出錯*/
第二個參數(shù)量個指向特定于協(xié)議地址結(jié)構(gòu)的指針，第三個參數(shù)是該地址結(jié)構(gòu)的長度。對于TCP，調(diào)用函數(shù)bind可以指定一個端口，指定一個IP地址?？梢詢烧叨贾付?，也可以一個也不指定。
（4）listen函數(shù)
函數(shù)listen僅被除數(shù)TCP服務(wù)器調(diào)用。它做兩件事件事情，當(dāng)函數(shù)socket創(chuàng)建一個套接口時，被假設(shè)為一個主動套接口。也就是說，它是一個將調(diào)用connect發(fā)起連接的客戶套接口，函數(shù)listen將未連接的套接口轉(zhuǎn)換成被動套接口，指示內(nèi)核應(yīng)接受指向此套接口的連接請求。根據(jù)TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換調(diào)用函數(shù)listen導(dǎo)致套接口從CLOSED狀態(tài)轉(zhuǎn)換到LISEN狀態(tài)。函數(shù)的第二個參數(shù)規(guī)定了內(nèi)核為此套接口排隊的最大連接個數(shù)。
Int listen(int sockfd,int backlog);
/*返回：0—成功，-1—出錯*/
一般來說，此函數(shù)應(yīng)在調(diào)用函數(shù)socket和bind之后，調(diào)用函數(shù)accept之前調(diào)用。
（5）accept函數(shù)
accept函數(shù)由TCP服務(wù)器調(diào)用，從已完成連接隊列頭返回下一個已完成連接。若已完成連接隊列為空，則進(jìn)程睡眠。（假定套接口噗缺省的阻塞方式）
int accept(int sockfd,struct sockaddr*cliaddr,socklen_t*addrlen);/*返回非負(fù)數(shù)值—OK，-1—出錯*/
參數(shù)cliaddr和addrlen用來返回連接對方進(jìn)程（客戶）的協(xié)議地址。Addrlen是結(jié)果參數(shù)，調(diào)用前，將由*addrlen所指示的整數(shù)值置為由cliaddr所旨的套接口地址結(jié)構(gòu)的長度，返回時，此整數(shù)值即為由內(nèi)核存在此套接口地址結(jié)構(gòu)內(nèi)的準(zhǔn)確字節(jié)數(shù)。
3．2 uClinux中網(wǎng)絡(luò)通信編程的實現(xiàn)
在uCLinux中進(jìn)行socket編程，一般按照圖書資料所示流程編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。
除了熟悉前文提出的函數(shù)外，還應(yīng)知道兩個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因為在計算機中，數(shù)據(jù)存儲有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先和低位字節(jié)優(yōu)先。在互聯(lián)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)是以高位字節(jié)優(yōu)先順序傳輸?shù)?，所以對于在?nèi)部以低位字節(jié)優(yōu)先方式存儲的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸。
*struct sockaddr:用來保存socket信息
struct sockaddr{unsigned short sa_family;/*地址族，AF_xxx*/
char sa_data[14]; /*14字節(jié)的協(xié)議地址*/}；
*struct sockaddr_in;和來進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換
struct sockaddr_in{
short int sin_family; /*地址族*/
unsigned short int sin_port; /*端口號*/
sruct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
unsigned cha sin_zero[8]; /*填充0，以保持與struct sockaddr同樣大小*/}；
至此，可經(jīng)編出uCLinux的網(wǎng)絡(luò)通信工程程序。在此給出部分uCLinux下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信源代碼及其Makefile文件的編寫實例。
main()函數(shù)中部分代碼如下：
int sockfd;
unsigned int uiip;
char szsendbuf[1024];
char head[8];
int*phead=head+4,nsize=1024,allsize=0;
struct sockaddr_in servaddr;
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*創(chuàng)建socket*/
bzero(&servaddr,sizeof(struct sockaddr_in));
servaddr.sin_family=AF_INET;
servaddr.sin_port=8888;//htons(8888); /*指定通信端口*/將命令行輸入的字符串IP轉(zhuǎn)換為connect函數(shù)可識別的整數(shù)uiip。本來在Linux上開發(fā)時可以使用C庫函數(shù)inet_pton(),但在uCLinux的庫中不支持該函數(shù)，因此只好自己實現(xiàn)該函數(shù)的功能。
aiptoi()如下所示：
aiptoi(argv[1],&uiip);
servaddr.sin_addr.s_addr=uiip; /*指定連接的對端IP*/
connect(sockfd,(struct sockaddr)&servaddr,sizeof(struct sockaddr));
/*連接對端接收代碼*/
fp=fopen("kongzhi.htm","r"); /*打開控制頁面*/
while(nsize==1024)
{bzero(szsendbuf,1024); /*每次從文件中讀取巧024個字節(jié)發(fā)送出去，若讀出少于1024字節(jié)結(jié)束*/
nsize=phead=fread(szsendbuf,1,1024,fp);/*從文件中讀取并填入發(fā)送BUFFER中*/
write(sockfd,head,8);/*發(fā)送協(xié)議頭*/
nsize=write(sockfd,szsendbuf,nsize);/*發(fā)送*/}
fclose(fp);
uCLinux中的Makefile需做的修改如下：
CC=gcc
COFF2FLAT=/uclinux/coff2flt-0.3/coff2flt
CFLAGS=-I/uclinux/uC-libc-pic/include
LDFLAGS=/uclinux/uC-libc-pic/libc.a
ethernet:Ethernet.o
$(CC)-o $@.coff ethernet.c $(CFLAGS)$(LDFLAGS)
$(COFF2FLAT)-o Ethernet ethernet.coff
cp Ethernet /Ethernet
clean:
rm -f Ethernet Ethernet.o
需要注意的是：①uCLinux中不帶有pthread庫，在編寫網(wǎng)絡(luò)程序要切記；②在uCLinux環(huán)境下，處理器（硬件）和內(nèi)核黃素（軟件）均不提供內(nèi)存管理機制，所以程序的地址空間等同于內(nèi)存的物理地址空間。在程序中可直接對I/O地址進(jìn)行操作，而不需要申請和釋放I/O空間，但需要用戶自己來檢查所操作的I/O地址的占用情況。
結(jié)語
由于網(wǎng)絡(luò)通信工程廣泛應(yīng)用在嵌入式設(shè)備中，以往的文章只是泛泛地敘述網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計的某一個方面。本文結(jié)合實際工程項目，從硬件電路的搭建、應(yīng)用軟件的設(shè)計要點。這對于在嵌入式設(shè)備中，特別是基于uCLinux的系統(tǒng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信有重要的參考意義。
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