一種軟硬結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試方法

摘要：介紹一種軟硬件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試的方法。其主要思想是，通過使用一個(gè)程序?qū)⒋诤蚑elnet協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主機(jī)通過Telnet從遠(yuǎn)端訪問與嵌入式系統(tǒng)用串口直接相連的PC機(jī)，從而間接訪問到嵌入式系統(tǒng)，獲得調(diào)試信息、發(fā)送指令和更新固件；同時(shí)，通過附加的硬件電路，完成遠(yuǎn)端對(duì)嵌入式系統(tǒng)的電源和I/O的控制，從而獲得更為全面的調(diào)試手段。


關(guān)鍵詞：多維力傳感器 MSC1210 微位移檢測

引 言

　　隨著全球化的進(jìn)程，越來越多的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作可能由地處兩個(gè)相距很遠(yuǎn)地方甚至兩個(gè)國家的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同完成，或者設(shè)計(jì)在一個(gè)地方完成，制造在另外一個(gè)地方完成。于是，就有了這樣一種情況，一個(gè)地方的工程師需要對(duì)處在另一個(gè)遙遠(yuǎn)地方的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試和程序更新。當(dāng)然,首先會(huì)想到的是可以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，就使它支持網(wǎng)絡(luò)接口，在嵌入式系統(tǒng)上面運(yùn)行諸如Telnet的服務(wù)器端程序，這樣，使用某種客戶端程序就可以從遠(yuǎn)程訪問到該嵌入式系統(tǒng)。但是，使用這種方法的成本太大，需要為嵌入式系統(tǒng)加上額外的網(wǎng)絡(luò)通信接口芯片，還要為支持TCP/IP棧增加額外的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本文介紹一整套通過硬件和軟件來完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試方法。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1

1 基本方法

　　圖1（a）是傳統(tǒng)的嵌入式調(diào)試方法：主機(jī)PC通過串口與從機(jī)嵌入式系統(tǒng)相連，接收從嵌入式系統(tǒng)發(fā)來的調(diào)試信息并向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送調(diào)試指令，主機(jī)和從機(jī)之間只能有幾米或者幾十米的距離。圖1（b）是現(xiàn)在比較流行的遠(yuǎn)程嵌入式調(diào)試方法：主機(jī)PC和從機(jī)嵌入式系統(tǒng)分別通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)通過諸如Telnet之類的協(xié)議向嵌入式系統(tǒng)接收調(diào)試信息和發(fā)送指令。本文介紹的方法是將這兩者結(jié)合起來，位于遠(yuǎn)端的嵌入式系統(tǒng)與其相鄰的PC2通過串口相連，主機(jī)PC1和從機(jī)PC2各自通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)PC1仍然通過Telnet協(xié)議（使用Windows自帶的“超級(jí)終端”程序）與從機(jī)PC2通信，在從機(jī)PC2上運(yùn)行一種我們?cè)O(shè)計(jì)的軟件Telent2com，其將Telnet協(xié)議轉(zhuǎn)換成串口的數(shù)據(jù)收發(fā)。為了能夠更好地完成對(duì)遠(yuǎn)端的嵌入式系統(tǒng)的控制，還使用了Telnet協(xié)議中特殊的控制命令來通過串口的額外控制線和一定的硬件電路完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)，如電源和I/O輸入的控制，如圖1(c)所示。

　　使用這種方法單從嵌入式系統(tǒng)的角度來說，基本上沒有增加任何額外的電路和成本，仍和第一種方法一樣對(duì)外使用串口進(jìn)行通信。雖然增加了一臺(tái)額外的PC機(jī)，但是對(duì)于那些在正常工作中不需要使用網(wǎng)絡(luò)，只在測試和調(diào)試時(shí)需要使用網(wǎng)絡(luò)來完成調(diào)試和更新固件的嵌入式系統(tǒng)來說，這臺(tái)額外的PC機(jī)只能算作是一個(gè)調(diào)試工具。

　　此外，由于增加了通過網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)的電源和I/O輸入的控制，相對(duì)于第2種方法，即使在調(diào)試中嵌入式系統(tǒng)由于某種原因死機(jī)了，仍能從遠(yuǎn)端通過控制電源，使系統(tǒng)上電復(fù)位；而對(duì)系統(tǒng)I/O輸入的控制，則可以更好完成模擬系統(tǒng)與外界的交互模擬。

　　整個(gè)系統(tǒng)的工作由兩部分構(gòu)成：① Telnet到串口之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的PC端程序；② 使用串口控制線控制嵌入式系統(tǒng)電源和I/O輸入的接口電路。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2

2 接口電路的設(shè)計(jì)

　　接口電路主要是完成將串口RXD和TXD以外的控制線（如RTS、CTS等）對(duì)嵌入式系統(tǒng)電源或者I/O輸入進(jìn)行控制。為了防止嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)PC串口的影響，采用圖2所示的電路。通過使用光耦來達(dá)到PC串口和嵌入式系統(tǒng)之間的電氣隔離，通過使用繼電器能夠控制不同電壓的電源和不同電平的信號(hào)。

3 Telnet到串口轉(zhuǎn)換的軟件

　　Telnet是一種最基本的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，其通信協(xié)議由RFC0854定義。它是建立于TCP協(xié)議之上的用于傳送數(shù)據(jù)和控制信息的協(xié)議。在默認(rèn)情況下，其使用TCP端口23。最初設(shè)計(jì)它的目的，是為建立一種基于網(wǎng)絡(luò)的串行終端仿真協(xié)議。這也正是為什么可以使用Telnet協(xié)議傳送串口數(shù)據(jù)的原因。

　　通過Telnet傳送的數(shù)據(jù)基本以原來的格式（如果是0xFF數(shù)據(jù)，則以兩個(gè)0xFF表示）填充到TCP消息的有效數(shù)據(jù)載荷區(qū)。對(duì)于控制信息（如轉(zhuǎn)入二進(jìn)制模式命令，以及我們自定義的控制電源和I/O的命令）則通過在控制命令前加IAC轉(zhuǎn)意字符（0xFF）方式混雜在普通數(shù)據(jù)中傳送。這樣就可以避免像FTP協(xié)議使用額外的端口來傳送控制信息的必要，降低程序的復(fù)雜度。

　　這里所要設(shè)計(jì)的Telnet到串口協(xié)議的轉(zhuǎn)換程序(telnet2com)實(shí)際上是一個(gè)Telnet的服務(wù)器。它接受來自圖1（c）中主機(jī)PC1客戶端的Telnet鏈接請(qǐng)求，然后向PC1客戶端通過Telnet協(xié)議發(fā)送其從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)將接收到的Telnet數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。

　　在Windows操作系統(tǒng)，大部分的服務(wù)器(如IIS)都是以Windows NT服務(wù)組件(service)的形式存在于系統(tǒng)中的，它們?cè)谙到y(tǒng)啟動(dòng)后就一直運(yùn)行在后臺(tái)，等待事件的觸發(fā)（如某個(gè)TCP端口是否有鏈接請(qǐng)求）。作為服務(wù)組件，其與一般Windows程序的不同之處是：它必然包含名為NtServiceEntry的入口函數(shù)，當(dāng)Windows開始運(yùn)行一個(gè)服務(wù)組件時(shí)，首先運(yùn)行這個(gè)入口函數(shù)，而非通常的main函數(shù)。

void NtServiceEntry(char *sServiceName) {
SERVICE_TABLE_ENTRY dispatchTable[] = 
{
{TEXT(sServiceName), (LPSERVICE_MAIN_FUNCTION)ServiceMain},
{NULL, NULL}
};
StartServiceCtrlDispatcher(dispatchTable);
}

　　在入口函數(shù)中，必須定義一個(gè)dispatchTable的結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)名稱sServiceName以及服務(wù)的實(shí)際主函數(shù)ServiceMain，并通過StartServiceCtrlDispatcher函數(shù)真正完成服務(wù)的注冊(cè)和運(yùn)行。一旦一個(gè)服務(wù)組件啟動(dòng)后，除了不斷監(jiān)聽某端口外，還需要響應(yīng)服務(wù)管理器（service mananger）的不同請(qǐng)求（如暫停服務(wù)）。因此將服務(wù)的實(shí)際功能設(shè)計(jì)成一個(gè)子進(jìn)程bridgeThread，由服務(wù)的主進(jìn)程調(diào)用該子進(jìn)程，而服務(wù)的主進(jìn)程則專門用來響應(yīng)服務(wù)管理器的請(qǐng)求。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3

　　圖3是子進(jìn)程bridgeThread的流程。首先，使用Winsock對(duì)特定端口進(jìn)行監(jiān)聽。然后，通過消息循環(huán)，當(dāng)接收到鏈接請(qǐng)求的事件后，將串口初始化。之后，消息循環(huán)就不斷響應(yīng)來自Telnet和串口的寫請(qǐng)求，將Telnet的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，直到收到Winsock斷開鏈接的請(qǐng)求。

　　在接收到來自Telnet客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)后發(fā)送到串口之前，必須掃描接收到數(shù)據(jù)中是否有IAC轉(zhuǎn)義字符。如果有，必須將它們?nèi)サ簦覍?duì)于定義的如控制電源和I/O的命令必須進(jìn)行相關(guān)的操作。反之，從串口接收的數(shù)據(jù)在發(fā)送到Telnet客戶端之前，必須在所有的0xFF字符之前多加一個(gè)0xFF。下面是對(duì)從Telnet接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描過程的代碼。

case WSA_READ://Telnet收到數(shù)據(jù)事件
while((iBytes=ReadSocketData(&(g_lpBridgeCfg->sockClient),sTcpBufferIn,MAXSIZE_TCPBUFFER))!=-1) {//讀數(shù)據(jù)
iPos = 0;
iPosComBuffer = 0;
while (iPos < iBytes) {//掃描數(shù)據(jù)
if(sTcpBufferIn[iPos]==0xFF) {//如果是IAC
iPos++;
switch(sTcpBufferIn[iPos]) {
case 0xff://是否為正常數(shù)據(jù)0xFF
sComBufferOut[iPosComBuffer++]=sTcpBufferIn[iPos++];
break;
default:
handleCmd(sTcpBufferIn[iPos++]);
//命令處理
}
}
else {//如果不是
sComBufferOut[iPosComBuffer++]=
sTcpBufferIn[iPos++];//寫到Com緩沖
}
}
}
SetEnevnt(g_hEvent[COM_WRITE]);//觸發(fā)Com寫事件
WSAResetEvent(g_hEvent[WSA_READ]);//復(fù)位winsock讀事件
break;

　　這里主要使用了Winsock的API來完成Telnet部分的數(shù)據(jù)讀取;串口部分是通過將串口虛擬成一個(gè)文件，通過文件讀寫的API來完成的。此外，為了對(duì)串口其他控制線的控制，使用了GetCommState()和SetCommState()兩個(gè)Windows API來完成。

　　在實(shí)驗(yàn)中，使用這樣一套遠(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)，曾與遠(yuǎn)在韓國的設(shè)計(jì)中心進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試并進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)固件程序更新下載，雖然相對(duì)于本地下載速度慢了很多，但是仍然比其他方式（如電子郵件+手工下載）更為便捷，結(jié)果更為直觀。

4 總結(jié)

　　使用這樣一套軟硬件系統(tǒng)來完成嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試，既節(jié)省了大量的人力物力，又節(jié)約了開發(fā)的時(shí)間。此外，如果它和配套的測試軟件結(jié)合，可以突破一臺(tái)電腦只有一兩個(gè)串口，同時(shí)只能測試一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的局限，使一臺(tái)主機(jī)同時(shí)可以和很多個(gè)嵌入式系統(tǒng)相連，完成自動(dòng)測試和協(xié)同測試。

　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　參考文獻(xiàn)
1 王建華,張煥生,侯麗坤.Windows核心編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
2 Postel J, Renold J. RFC 854Telnet Protocol Specification. 1983
3 msdn.microsoft.com