基于PXA270嵌入式系統(tǒng)的Socket通信設(shè)計(jì)

1  引言
    PXA270 是Intel 公司的一款基于XScale 架構(gòu)的高集成度高性能嵌入式處理器，采用ARMv5TE內(nèi)核，包含了Intel的SpeedStep 技術(shù)，優(yōu)化了處理器的功耗，可以動態(tài)調(diào)節(jié) CPU 的電壓和頻率來節(jié)省電源的功耗。支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks等。
    Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層的API，定義了許多函數(shù)和例程，可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，具有一個(gè)類似于打開文件的函數(shù)調(diào)用Socket（），該函數(shù)返回一個(gè)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實(shí)現(xiàn)的。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為服務(wù)器端和客戶端設(shè)計(jì)兩部分，服務(wù)器端為運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)，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(jī)進(jìn)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(shí)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(jì)主要的目的是完成服務(wù)器和客戶端網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。首先啟動宿主機(jī)和客戶機(jī)的操作系統(tǒng)Linux，然后每個(gè)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(xì)情況如圖1所示。
2.2  嵌入式TCP/IP協(xié)議架構(gòu)
    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(rèn)收到對方的SYN，此時(shí)變?yōu)镾YN_ RECEIVED狀態(tài)。再接收到對方返回的一個(gè)包含ACK的空數(shù)據(jù)片則三次握手完成，進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，最后進(jìn)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(shí)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(bào)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(gè)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)回答，不考慮失序問題。同時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包就能完成，也不需考慮失序問題。
    因?yàn)榍度胧较到y(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(rèn)包，就認(rèn)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(jī)異常導(dǎo)致連接崩潰時(shí)，嵌入式系統(tǒng)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)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。
3  客戶端/服務(wù)器端功能設(shè)計(jì)
    在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，通信的兩個(gè)進(jìn)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)?？蛻?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[!--empirenews.page--]
3.1  客戶端程序設(shè)計(jì)
    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(gè)數(shù)等?？蛻舳顺绦蛟O(shè)計(jì)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(yàn)證建立成功）；
    ②啟動連接（并驗(yàn)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(jì)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(jī)的特定端口，向服務(wù)器發(fā)送請求報(bào)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?br />    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(gè)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）；          
3.2  服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)
    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(shí)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(jī)，在某一公認(rèn)地址上接收客戶請求；
    ②等待客戶請求到達(dá)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(jì)的流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]
    客戶端與服務(wù)器端進(jìn)程的作用是非對稱的，因此編碼不同。同時(shí)，服務(wù)器進(jìn)程一般是先于客戶請求請求而啟動的，只要系統(tǒng)運(yùn)行，該服務(wù)進(jìn)程一直存在，直到正?；驈?qiáng)迫終止。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(jìn)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）；[!--empirenews.page--]
4  應(yīng)用與測試

圖5  數(shù)據(jù)發(fā)送驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并建立新的用戶終端，然后運(yùn)行服務(wù)器端socket通信程序。
    啟動客戶端，運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，配置IP地址為192.168.15.15，運(yùn)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(xì)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(yàn)證是否正確。圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送驗(yàn)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(shí)現(xiàn)一個(gè)較為簡單的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，驗(yàn)證了嵌入式系統(tǒng)socket通行的可行性，實(shí)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。