基于S3C44B0X和uClinux的Socket通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)。

本文給出一種適合于中/低端應(yīng)用的通信平臺設(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,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(DigitalSignal 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､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､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處理器來進(jìn)行Socket通信的軟硬件平臺的設(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Cirruslogic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｡圖中的信號發(fā)送和接收端通過網(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｡  

 

  

3 基于uCliunx的Socket通信  

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是專門面向沒有存儲器管理單元(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,對于嵌入式系統(tǒng)來說,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｡

為了實(shí)現(xiàn)基于uClinux的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),建立或擁有一個(gè)完備的uCliunx開發(fā)環(huán)境是十分必要的｡基于uClinux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機(jī)構(gòu)成?3?｡通常需在安裝有Linux的宿主PC機(jī)上安裝交叉編譯器,以把用戶應(yīng)用程序編譯成目前uClinux只支持的flat格式的可執(zhí)行文件和編譯操作系統(tǒng)內(nèi)核｡目標(biāo)硬件開發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件｡目標(biāo)硬件開發(fā)板和PC宿主機(jī)之間一般通過串口､并口或以太網(wǎng)接口來建立連接｡本文Socket通信使用的軟件開發(fā)及仿真環(huán)境如圖3所示｡



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“SOCKDGRAM”｡經(jīng)裁剪的uClinux保留了Linux中的大部分Socket庫函數(shù)｡基于S3C44B0X處理器的嵌入式Socket通信所要調(diào)用的主要庫函數(shù)如下:

(1)socketint socket(int domain int type int proto-col)

此函數(shù)用來建立一個(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｡ [!--empirenews.page--]
(2)bind intbind(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)的長度｡服務(wù)器和客戶機(jī)都可以調(diào)用函數(shù)bind來綁定套接字地址,但一般是由服務(wù)器調(diào)用函數(shù)bind來綁定自己的公認(rèn)端口號｡

(3)listenint 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)送來的連接請求｡backlog參數(shù)是所能接受的客戶機(jī)的最大數(shù)目｡對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)請求的監(jiān)聽文件描述符sockfd｡

(4)acceptint accept(int sockfd,struct sockaddr*address,int*address_len)

當(dāng)有客戶機(jī)發(fā)出連接請求時(shí),此函數(shù)初始化這個(gè)連接｡其中參數(shù)address用來存儲客戶機(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;addresslen是客戶機(jī)地址長度的字節(jié)數(shù),也由accept填入｡

(5)connectint 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求､接收客戶端的信息､處理客戶端的計(jì)算請求､向客戶端發(fā)送計(jì)算結(jié)果以及應(yīng)答信息等｡客戶端的應(yīng)用程序用于申請與服務(wù)器的連接､向服務(wù)器發(fā)送計(jì)算請求､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,接著會將該socket與本地地址/端口號進(jìn)行捆綁,成功之后就在相應(yīng)的socket上監(jiān)聽,當(dāng)accpet捕捉到一個(gè)連接服務(wù)請求時(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)｡

客戶端代碼相對來說要簡單一些,首先通過服務(wù)器域名獲得其IP地址,然后創(chuàng)建一個(gè)socket,接著調(diào)用connect函數(shù)來與服務(wù)器建立連接,連接成功之后再接收從服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù),最后在通信結(jié)束后關(guān)閉socket｡

mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman
'">綜上所述,網(wǎng)絡(luò)程序客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行Socket通信的建立步驟如下
服務(wù)器端:socket →bind →listen→accept
客戶端:socket →bind →connect
本設(shè)計(jì)使用的套接字為流式套接字,下面是運(yùn)行于32位微處理器S3C44B0X嵌入式開發(fā)平臺的客戶端應(yīng)用程序:

#include <netdb.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include
<netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
int s;
char buffer[256];
struct sockaddr_in addr;
struct hostent *hp;
struct in_addr in;
struct sockaddr_in local_addr;
if (argc < 2) return;
if(!(hp=gethostbyname (argv[1]))){
fprintf(stderr,＂Can＇t resolve host.n＂);
exit (1);
}
if ((s = socket(AF_
INET,SOCK_STREAM,0)) <0){
perror (＂socket＂);
exit (1);
}
bzero (&addr,sizeof (addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port=htons((unsigned short)atoi(argv[2]));
hp = gethostbyname(argv[1]);
memcpy(&local_addr.sin_addr.s_addr,hp->h addr,4);
in.s_addr = local_addr.sin_addr.s_addr;
printf (＂Domain Name %sn＂ argv
printf (＂IP address :%sn＂,inet_ntoa (in));
printf(＂%s,%sn＂,hp->h_name,argv[2]);
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(hp->h_name);
if connect(s,(struct sockaddr *)&addr,sizeof (addr))<0){
perror (＂connect＂);
exit (1);
}
recv (s,buffer,sizeof (buffer),0);
printf (＂%sn＂,buffer);
while(1);
bzero(buffer,sizeof (buffer));
read (STDIN_FILENO,buffer,sizeof(buffer));
if (send (s,buffer,sizeof (buffer),0)<0){
perror (＂send＂);
exit (1);
}
}
}

4 結(jié)束語  

設(shè)計(jì)開發(fā)了基于S3C44B0X的以太網(wǎng)通信系統(tǒng),并利用uClinux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)了Socket通信｡由于uClinux目前只支持flat格式的可執(zhí)行文件,因此本設(shè)計(jì)是在先建立好uClinux開發(fā)環(huán)境的情況下,把用戶自行開發(fā)的應(yīng)用程序通過宿主PC機(jī)上的交叉編譯器轉(zhuǎn)化為flat格式,然后再通過FTP添加到目標(biāo)硬件開發(fā)平臺上運(yùn)行的｡文中的客戶端應(yīng)用程序已經(jīng)在基于ARM7TDMI核的S3C44B0X處理器的嵌入式開發(fā)平臺上成功運(yùn)行,并成功地和宿主PC機(jī)的服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了Socket通信｡當(dāng)然,也可以把目標(biāo)硬件開發(fā)平臺當(dāng)作服務(wù)器端,而把宿主PC機(jī)當(dāng)作客戶端來進(jìn)行雙向文件傳輸｡