基于ARM9 的嵌入式多串口服務器設計

摘要：以ARM920T 為內核的S3C2440A 作為主控制器和以太網控制芯片DM9000AEP 設計硬件平臺; 構建并移植適合嵌入式串口服務器系統(tǒng)的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，利用Linux 完善的TCP/IP 協(xié)議設計ARM 端的多線程網絡服務器程序。設計實現(xiàn)RS-232C 串口與以太網口數(shù)據的雙向傳輸，使現(xiàn)有的智能儀器設備成功接入以太網。

隨著計算機網絡的發(fā)展和物聯(lián)網的興起，將智能儀器接入網絡已成為一種趨勢，以實現(xiàn)數(shù)據的共享與遠程管理。但是目前大多智能儀器使用的是異步串行通信接口RS-232C /485 /422,因此迫切需要一種能將異步串行通信協(xié)議轉換為以太網TCP /IP 協(xié)議的協(xié)議轉換器，使現(xiàn)有的串行通信設備方便地接入以太網，而不需要改變原有儀器設備的硬件。為此，筆者研究設計了基于ARM9微處理器和Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式多串口服務器。

1 系統(tǒng)總體思路

采用以ARM920T 為內核的S3C2440A 微處理器運行Linux 操作系統(tǒng)，使用100MBase-T 網絡在串行設備與遠端主機之間有效地進行傳輸數(shù)據，這樣通過串口服務器使串行設備快速接入以太網，利用以太網的TCP /IP 協(xié)議進行串口數(shù)據包的傳輸。嵌入式串口服務器作為以太網數(shù)據與串口數(shù)據之間交互的中間橋梁，負責數(shù)據的雙向透明傳送。服務器端的主要任務是在ARM 處理器中實現(xiàn)RS-232C /485 /422 轉TCP /IP 協(xié)議網關，完成對各端口的監(jiān)聽和數(shù)據的雙向傳輸，當端口有數(shù)據產生或客戶端有數(shù)據請求時啟動獨立線程，保證實時而又不丟失地進行數(shù)據傳輸。基于上述要求系統(tǒng)必須具備： 一套對網絡支持良好的嵌入式操作系統(tǒng)，并且可根據專用的硬件平臺進行裁剪; 微處理器的運行速度與處理數(shù)據的能力優(yōu)秀，外圍芯片接口友好。

筆者選用Linux 作為實時操作系統(tǒng)，并進行移植與配置使其可以運行在以ARM9 為核心的硬件平臺上。S3C2440A 自帶三路串行通信口，完全能夠滿足多串口服務器的設計要求，但考慮到網絡數(shù)據傳輸與串口數(shù)據傳輸速率不匹配，需要在硬件板卡上擴展SDRAM 和NORFLASH,另外系統(tǒng)還需擴展以太網控制器芯片。系統(tǒng)的總體設計框架如圖1 所示。

2 硬件電路

系統(tǒng)可同時獨立地與兩路串行端口通信，當數(shù)據由以太網傳送給串口服務器時完成數(shù)據的存儲與數(shù)據格式的轉換與處理，為數(shù)據傳向指定的串行口做準備。當系統(tǒng)解包處理完成后，根據TCP /IP 協(xié)議的數(shù)據幀的幀頭信息就能獲得該數(shù)據包的發(fā)送目標串口，這樣就完成了從以太網到串行口數(shù)據的傳輸; 當數(shù)據由串口設備傳送到串口服務器時完成數(shù)據的分析、處理與格式轉換，為數(shù)據傳向以太網口做準備，當數(shù)據打包結束后將其從以太網口發(fā)送出去，這樣就完成了串行口到以太網數(shù)據的傳輸。

2.1 S3C2440A 擴展以太網模塊電路

DM9000AEP 是一款高集成度且成本較低的單片快速以太網媒體介質訪問層MAC 控制器，上有通用處理器接口，10M/100M 物理層和16KbyteSRAM,低功耗、高性能IO 管腳兼容3. 3 /5. 0V 電壓。DM9000AEP 合成了以太網MAC、物理層PHY 和MMU,內置AUTOMDI2X 功能10 /100MPHY,芯片可以根據處理器提供8 /16 /32bit 3 種連接方式實現(xiàn)以太網MAC 層和PHY 層) 的功能。

在如圖2 所示的電路中， IOR#管腳接處理器的LnOE 讀信號端， IOW#接處理器的LnWE 寫信號端，CS#片選信號端接處理器的nGCS4 片選信號，SD0 ~ SD15 分別接處理器的數(shù)據總線，中斷信號INT 接處理器的EINT18 管腳，RX +、RX -、TX + 和TX – 分別是兩對差分收發(fā)信號線接帶有隔離變壓器的HR911105A 的RJ45 座連接，如圖3 所示。訪問網卡以總線形式實現(xiàn)，網卡的IO 基址為300H,片選信號接在了NGCS4 上，所以網卡IO 的基址為0x20000300H.由“DM9000 地址端口= 高位片選地址+ 300H + 0; DM9000 數(shù)據端口= 高位片選地址+ 300H + 4”可知，DM9000 端口的端口地址為0×20000300,DM9000 數(shù)據的端口地址為0×20000304.S3C2440 通過數(shù)據端口與地址端口并結合讀/寫信號線就可以對DM9000 進行讀、寫操作了。圖2 中只用了一根地址線LADDR2,這是由DM9000AEP 的特性決定的，DM9000AEP 的地址信號和數(shù)據信號復用，使用CMD 引腳來區(qū)分它們( CMD 為低時數(shù)據總線上傳輸?shù)氖堑刂沸盘?，CMD 為高電平時傳輸?shù)氖菙?shù)據信號) .訪問DM9000AEP 內部寄存器時，需要將CMD 置為低電平，發(fā)出地址信號; 然后將CMD置為高電平，讀/寫數(shù)據。另外，總數(shù)位寬16 位，兩對差分接收與發(fā)送信號線，特別要注意的是：

在PCB 布線時這兩對線必須走差分線，否則接收和發(fā)送數(shù)據將不穩(wěn)定，模擬地與數(shù)字地也要處理好。

圖2 網卡接口電路

2.2 S3C2440 串口模塊電路

S3C2440 本身自帶三路獨立的UART 接口，在設計嵌入式串口服務器系統(tǒng)時，應用了S3C2440 串口模塊的兩路UART 接口，另外一路UART 接口做開發(fā)時的打印控制臺用。這兩路串行口用三線通信，采用MAX3232 作為電平轉換芯片，分別配置處理器的GPH2、CPH3、CPH4 和CPG5,4 個GPIO 口為TXD0、RXD0、TXD1 和RXD1 串口收發(fā)信號線。RS-232C 接口電路如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件的設計目標： 嵌入式串口服務器能夠接收來自以太網的數(shù)據流，將以太網數(shù)據流轉換為串行口數(shù)據流發(fā)送給指定串口; 實現(xiàn)串口數(shù)據流到以太網數(shù)據流的逆過程。軟件平臺采用擁有完備TCP /IP 協(xié)議棧和豐富源碼資源的Linux作為串口服務器的操作系統(tǒng)，在ARM9 上移植并裁剪Linux 系統(tǒng)，同時移植完善根文件系統(tǒng)，為應用層軟件開發(fā)提供平臺。應用程序軟件的主要任務如圖5 所示，通過Linux 系統(tǒng)調用接口、調用串口函數(shù)讀取數(shù)據，并將數(shù)據通過socket 接口發(fā)往以太網口; 接收socket 端數(shù)據、調用串口設備函數(shù)，將數(shù)據發(fā)往指定串口。