基于S3C44B0X的嵌入式Socket通信設(shè)計(jì)

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(guó)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(shì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(lái)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(qǐng)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(guò)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。

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(kāi)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(duì)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(mén)面向沒(méi)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(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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。

; 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(kù)函數(shù)。基于ｓ３ｃ４４ｂ０ｘ處理器的嵌入式ｓｏｃｋｅｔ通信所要調(diào)用的主要庫(kù)函數(shù)如下：

(１)ｓｏｃｋｅｔ ｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ(ｉｎｔ ｄｏｍａｉｎｉｎｔ ｔｙｐｅｉｎｔ ｐｒｏｔｏ-ｃｏｌ)
此函數(shù)用來(lái)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(zhǎng)度。服務(wù)器和客戶機(jī)都可以調(diào)用函數(shù)ｂｉｎｄ來(lái)綁定套接字地址，但一般是由服務(wù)器調(diào)用函數(shù)ｂｉｎｄ來(lái)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(lái)的連接請(qǐng)求。ｂａｃｋｌｏｇ參數(shù)是所能接受的客戶機(jī)的最大數(shù)目。對(duì)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(qǐng)求的監(jiān)聽(tīng)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(qǐng)求時(shí)，此函數(shù)初始化這個(gè)連接。其中參數(shù)ａｄｄｒｅｓｓ用來(lái)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(zhǎng)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(lái)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(qǐng)求、接收客戶端的信息、處理客戶端的計(jì)算請(qǐng)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(qǐng)與服務(wù)器的連接、向服務(wù)器發(fā)送計(jì)算請(qǐng)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(tīng)，當(dāng)ａｃｃｐｅｔ捕捉到一個(gè)連接服務(wù)請(qǐng)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)。