基于PXA270嵌入式系統(tǒng)的Socket通信設計
1 引言
PXA270 是Intel 公司的一款基于XScale 架構的高集成度高性能嵌入式處理器，采用ARMv5TE內核，包含了Intel的SpeedStep 技術，優(yōu)化了處理器的功耗，可以動態(tài)調節(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網絡層的API，定義了許多函數(shù)和例程，可以用它們來開發(fā)TCP/IP網絡層的應用程序。網絡的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，具有一個類似于打開文件的函數(shù)調用Socket（），該函數(shù)返回一個整型的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實現(xiàn)的。
2 系統(tǒng)設計
系統(tǒng)的設計分為服務器端和客戶端設計兩部分，服務器端為運行Linux操作系統(tǒng)的PC機，客戶端為PXA270系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中移植和構建Linux嵌入式操作系統(tǒng)，兩者通過Switch交換機進行網絡通信。
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，網絡通信可以被看作是對文件的讀取。Linux 擁有POSIX 標準庫函數(shù)，Socket（）、Bind（）、Sendto（）、Recvfrom（）等庫函數(shù)可以方便地實現(xiàn)客戶/ 服務器模型中數(shù)據(jù)的傳送與接收。系統(tǒng)設計主要的目的是完成服務器和客戶端網絡通信的實現(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絡設備驅動程序，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
嵌入式系統(tǒng)作為TCP服務器，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)的服務器，處于LISTEN狀態(tài)，等待對方發(fā)起連接。當它接收到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，不能識別重復報文。嵌入式服務器僅僅在服務器端響應客戶端的請求，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)包就等待返回應答，因此當接收不到確認包，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，當客戶機異常導致連接崩潰時，嵌入式系統(tǒng)發(fā)數(shù)據(jù)時會被回復復位信號，回到初始狀態(tài)。嵌入式TCP/IP協(xié)議如圖2所示。
3 客戶端/服務器端功能設計
在TCP/IP網絡中，通信的兩個進程間相互作用的主要模式是客戶/服務器模式，即客戶端向服務器端發(fā)出服務請求，服務器接收到請求后，提供相應的服務。客戶/服務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 客戶端程序設計
客戶端可以向服務器端發(fā)送連接請求，并且客戶端也可以接收到來自服務器端發(fā)送回來的數(shù)據(jù)。客戶端可以判斷當前自己的工作狀態(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。客戶端程序設計主要按以下的步驟完成函數(shù)的調用：
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，并連接到服務器所在主機的特定端口，向服務器發(fā)送請求報文，等待并接收應答，請求結束后關閉通信通道并終止通信。客戶端主要程序如下：
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））；
//調用connect函數(shù)連接服務器端
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]）
//打印服務器IP地址和端口號
while（1）
bzero（gotbuffer，long）；
number=recv（mysocket，gotbuffer，long，0）；
//調用阻塞函數(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 服務器端程序設計
服務器端可以快速的做出客戶端的連接請求反映，服務器端反映來自客戶端的連接參數(shù)，如連接的IP、連接時間、連接的當前狀態(tài)等。服務器啟動后根據(jù)請求提供以下服務：
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接收到重復服務請求，處理該請求并發(fā)送應答信號；
④返回第二步，等待另一客戶請求；
⑤關閉服務器。
服務器端程序設計的流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]
客戶端與服務器端進程的作用是非對稱的，因此編碼不同。同時，服務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，該服務進程一直存在，直到正常或強迫終止。服務器端主要程序如下：
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）； //調用監(jiān)聽函數(shù)
sin_size=sizeof（struct sockaddr_in）；
newsocket=accept（mysocket，（struct sockaddr*）&addr_remote，&sin_size）；
//調用接收函數(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）；[!--empirenews.page--]
4 應用與測試
圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送驗證客戶端
系統(tǒng)測試前，服務器端通過以太網和客戶端實現(xiàn)連接?？蛻舳藰嫿薼inux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)境進行調試。測試前應保證網絡的順暢和串口的操作正常。
啟動服務器端，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。
服務器端和客戶端連接，在服務器端會有詳細的連接請求顯示出來，如IP地址、服務器當前狀態(tài)，通信模式等。服務器開始發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端開始接收來自服務器的數(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 結論
通過在PXA270中增加嵌入式操作系統(tǒng)Linux的基礎上實現(xiàn)一個較為簡單的網絡通信模塊，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)議的網絡接入，針對各種智能設備如家用電器、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)網變得簡單容易。
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