PXA270嵌入式系統(tǒng)在Socket通信的應(yīng)用
1 引言
英特爾公司于2003年底推出了性能最為強勁的PXA27x系列嵌入式處理器，PXA27x系列嵌入式處理器基于ARMv5E的Xscale核心，最高頻率可達624MHz.作為一款性能極其強勁的嵌入式處理器，配合嵌入式Linux或Wince操作系統(tǒng)，PXA270理論上可以支持任何媒體格式，并通過軟件升級，支持未來媒體格式。它最初出現(xiàn)在PDA(比如惠普HP4700)和智能手機(如MOTO E680)上。因此它的擴展接口相當(dāng)豐富，擴展接口有SD/SDIO/MMC、CF/PCMCIA、CMOS/CCD CAMERA、藍牙、USB1.1、OTG等。
Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API,socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。要學(xué)Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須理解Socket接口。Socket接口設(shè)計者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O,Socket也是一種文件描述符。
2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)的設(shè)計分為服務(wù)器端和客戶端設(shè)計兩部分，服務(wù)器端為運行Linux操作系統(tǒng)的PC機，客戶端為PXA270系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中移植和構(gòu)建Linux嵌入式操作系統(tǒng)，兩者通過Switch交換機進行網(wǎng)絡(luò)通信。
2.1 系統(tǒng)工作原理
在Linux 操作系統(tǒng)中，Socket 屬于文件系統(tǒng)的一部分，網(wǎng)絡(luò)通信可以被看作是對文件的讀取。Linux 擁有POSIX 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，Socket()、Bind()、Sendto()、Recvfrom()等庫函數(shù)可以方便地實現(xiàn)客戶/ 服務(wù)器模型中數(shù)據(jù)的傳送與接收。系統(tǒng)設(shè)計主要的目的是完成服務(wù)器和客戶端網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)。首先啟動宿主機和客戶機的操作系統(tǒng)Linux,然后每個模塊加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序，最后通過TCP/IP協(xié)議建立雙方的通信鏈路，完成Socket通信，詳細情況如圖1所示。
2.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議架構(gòu)
TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的簡寫，中文譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又叫網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這個協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，簡單地說，就是由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成的。TCP/IP定義了電子設(shè)備(比如計算機)如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是一個四層的分層體系結(jié)構(gòu)。高層為傳輸控制協(xié)議，它負責(zé)聚集信息或把文件拆分成更小的包。低層是網(wǎng)際協(xié)議，它處理每個包的地址部分，使這些包正確的到達目的地。
嵌入式系統(tǒng)作為TCP服務(wù)器，在三次握手建立連接的過程中，嵌入式系統(tǒng)作為監(jiān)聽狀態(tài)的服務(wù)器，處于LISTEN狀態(tài)，等待對方發(fā)起連接。當(dāng)它接收到SYN數(shù)據(jù)片，立即發(fā)出SYN+ACK的數(shù)據(jù)片確認收到對方的SYN,此時變?yōu)镾YN_ RECEIVED狀態(tài)。再接收到對方返回的一個包含ACK的空數(shù)據(jù)片則三次握手完成，進入ESTABLISHED狀態(tài)，最后進行TCP數(shù)據(jù)通訊。
圖1 系統(tǒng)的原理示意圖
嵌入式系統(tǒng)建立連接時初始化序列號，然后根據(jù)對方發(fā)包中的值來確定序列號，不記憶序列號，不能識別重復(fù)報文。嵌入式服務(wù)器僅僅在服務(wù)器端響應(yīng)客戶端的請求，接收一個發(fā)送一個確認回答，不考慮失序問題。同時接收到TCP請求后，將存儲于發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)立即發(fā)送即可，只需一個數(shù)據(jù)包就能完成，也不需考慮失序問題。
因為嵌入式系統(tǒng)采用滑動窗口為1的傳輸方式，即發(fā)送一次數(shù)據(jù)包就等待返回應(yīng)答，因此當(dāng)接收不到確認包，就認為自己發(fā)送的包丟失，直接發(fā)送上次發(fā)送的數(shù)據(jù)。TCP的連接中，當(dāng)客戶機異常導(dǎo)致連接崩潰時，嵌入式系統(tǒng)發(fā)數(shù)據(jù)時會被回復(fù)復(fù)位信號，回到初始狀態(tài)。嵌入式TCP/IP協(xié)議如圖2所示。
嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置"(devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants)。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。
3 客戶端/服務(wù)器端功能設(shè)計
在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，通信的兩個進程間相互作用的主要模式是客戶/服務(wù)器模式，即客戶端向服務(wù)器端發(fā)出服務(wù)請求，服務(wù)器接收到請求后，提供相應(yīng)的服務(wù)。客戶/服務(wù)器模式在操作過程中采取的是主動請求方式。
圖2 嵌入式TCP/IP圖解
3.1 客戶端程序設(shè)計
socket是面向客戶/服務(wù)器模型而設(shè)計的，針對客戶和服務(wù)器程序提供不同的socket系統(tǒng)調(diào)用?？蛻綦S機申請一個socket(相當(dāng)于一個想打電話的人可以在任何一臺入網(wǎng)電話上撥號呼叫)，系統(tǒng)為之分配一個socket號;服務(wù)器擁有全局公認的socket,任何客戶都可以向它發(fā)出連接請求和信息請求(相當(dāng)于一個被呼叫的電話擁有一個呼叫方知道的電話號碼)。
客戶端可以向服務(wù)器端發(fā)送連接請求，并且客戶端也可以接收到來自服務(wù)器端發(fā)送回來的數(shù)據(jù)?？蛻舳丝梢耘袛喈?dāng)前自己的工作狀態(tài)，如連接的建立，啟動的成功和數(shù)據(jù)包通信的個數(shù)等。客戶端程序設(shè)計主要按以下的步驟完成函數(shù)的調(diào)用：
①建立自己的Socket(并驗證建立成功);
②啟動連接(并驗證建立成功);
③返回連接信息;
④接收收到的數(shù)據(jù);
⑤判斷數(shù)據(jù)的屬性。
客戶端程序設(shè)計的程序基本流程如圖3所示。
圖3 客戶端程序簡單示意圖
客戶端打開通信通道，并連接到服務(wù)器所在主機的特定端口，向服務(wù)器發(fā)送請求報文，等待并接收應(yīng)答，請求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止通信?？蛻舳酥饕绦蛉缦拢?/p>
Int main(int argc,char *argv[])
if(argc!=3)
printf("error!!!please enter the remote IP and PORT please!!! the form like 192.168.0.* 4000\n");
mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //建立一個套接字
if(mysocket==-1)
printf("error!!! failed to created the new socket,program end here\n");
printf("OK-- you have successful created a socket named mysocket\n");
return(0); //socket 建立不成功，回初始位置
connectcheck=connect(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,sizeof(struct sockaddr));
//調(diào)用connect函數(shù)連接服務(wù)器端
if(connectcheck==-1)
printf("error!!!sorry you have failed to connect the remote server!!try again !program end here\n");
// connect不成功回初始位置
printf("OK-- Now you have successful connect the server,this server IP =%s,and it's PORT =%s,now you can communicat with this server!!!!!!!\n ",argv[1],argv[2])
//打印服務(wù)器IP地址和端口號
while(1)
bzero(gotbuffer,long);
number=recv(mysocket,gotbuffer,long,0);
//調(diào)用阻塞函數(shù)
if(number==-1)
printf("error!!! some thing wrong !let you can not got the data form server,program end here\n");
return(0);
gotbuffer[number]='\0';
close(mysocket);[!--empirenews.page--]
3.2 服務(wù)器端程序設(shè)計
服務(wù)器端可以快速的做出客戶端的連接請求反映，服務(wù)器端反映來自客戶端的連接參數(shù)，如連接的IP、連接時間、連接的當(dāng)前狀態(tài)等。服務(wù)器啟動后根據(jù)請求提供以下服務(wù)：
①打開通信通道并告知本地主機，在某一公認地址上接收客戶請求;
②等待客戶請求到達該端口;
③接收到重復(fù)服務(wù)請求，處理該請求并發(fā)送應(yīng)答信號;
④返回第二步，等待另一客戶請求;
⑤關(guān)閉服務(wù)器。
服務(wù)器端程序設(shè)計的流程如圖4所示。
客戶端與服務(wù)器端進程的作用是非對稱的，因此編碼不同。同時，服務(wù)器進程一般是先于客戶請求請求而啟動的，只要系統(tǒng)運行，該服務(wù)進程一直存在，直到正?；驈娖冉K止。服務(wù)器端主要程序如下：
mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
//建立新的套接字
if(mysocket==-1)
printf("error!!! failed to created mysocket\n");
return(0); //socket建立不成功，回初始位置
mybindcheck=bind(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_local,sizeof(struct sockaddr));
if(mybindcheck==-1)
printf("error!!!failed to bind the IP and port with mysocket\n");
return(0);
圖4 服務(wù)器端程序簡單示意圖
{ printf("OK--you have successed bind your IP with port %d\n",port);
listencheck=listen(mysocket,howmany);
if(listencheck==-1)
printf("error!!! you have failed listen this port,program end here\n");
return(0); //調(diào)用監(jiān)聽函數(shù)
sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
newsocket=accept(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,&sin_size);
//調(diào)用接收函數(shù)
if(newsocket==-1)
printf("error!!!failed to got remote connect this server,program end here\n");
return(0); //建立新的socket失敗返回
printf("OK-- now have created the newsocket to use this own connection,use this communicate with clint%s\n",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr)，port);
printf("OK-- server have successed got connect from clint IP = %s,port = %d,now connecting is running;\n",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr)，port)
pid_t pid;
pid=fork(); //調(diào)用fork()建立子進程
if(pid>0)
printf("OK-- i am a father procces,child proccess will continue for you,it's ID= %d,now end newsock and use old socket to listen again…… \n",pid);
close(newsocket);
printf("OK-- i am a child procces,i am responsible for this new communicate,blow i will do for connect\n");
printf("OK-- please enter your data which you want to send n");
while(1)
bzero(sendbuffer,long);
scanf("%s",sendbuffer);
sendcheck=send(newsocket,sendbuffer,strlen(sendbuffer)，0); //發(fā)送數(shù)據(jù)
if(sendcheck==-1)
printf("error!!!failed to send to remote\n");
close(newsocket);
else
printf("OK--now you have send %d byte data to remote!!!pleases send again!!!!\n",sendcheck);
4 應(yīng)用與測試
圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送驗證客戶端
系統(tǒng)測試前，服務(wù)器端通過以太網(wǎng)和客戶端實現(xiàn)連接?？蛻舳藰?gòu)建了linux嵌入式操作系統(tǒng)，客戶端的程序通過嵌入式交叉編譯環(huán)境進行調(diào)試。測試前應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)的順暢和串口的操作正常。
啟動服務(wù)器端，運行Linux操作系統(tǒng)，并建立新的用戶終端，然后運行服務(wù)器端socket通信程序。
啟動客戶端，運行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，配置IP地址為192.168.15.15,運行客戶端socket通信程序。
服務(wù)器端和客戶端連接，在服務(wù)器端會有詳細的連接請求顯示出來，如IP地址、服務(wù)器當(dāng)前狀態(tài)，通信模式等。服務(wù)器開始發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端開始接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，驗證是否正確。圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送驗證客戶端。
5 結(jié)論
通過在PXA270中增加嵌入式操作系統(tǒng)Linux的基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個較為簡單的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，驗證了嵌入式系統(tǒng)socket通行的可行性，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入，針對各種智能設(shè)備如家用電器、工業(yè)控制裝置或儀器、安全監(jiān)控系統(tǒng)、汽車電子接入互聯(lián)網(wǎng)變得簡單容易。
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