嵌入式系統(tǒng)在串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的應(yīng)用

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嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)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(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

在嵌入式系統(tǒng)時(shí)代，所有的設(shè)備都要網(wǎng)絡(luò)化，這是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)。而在自動(dòng)化領(lǐng)域有成千上萬(wàn)的傳感器，控制器及其他設(shè)備。而他們之間最常用的通信接口就是 RS-232 串口。而隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，這種簡(jiǎn)單的通信方法越來(lái)越不能適應(yīng)需要。而高度成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這一問(wèn)題的解決提供了一種思路。在實(shí)際工作中，筆者為了通過(guò)Internet讀取只有RS-232串口的傳感器中數(shù)據(jù)，基于S3C4510B設(shè)計(jì)了一個(gè)串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的最小系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)微處理器采用三星公司的硬件S3C4510B,網(wǎng)口控制芯片采用Realtek公司的RTL8201,串口控制芯片采用常見(jiàn)的MAX232.主要芯片都是高度集成，接線(xiàn)簡(jiǎn)潔，原理清晰。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 S3C4510B簡(jiǎn)介

S3C4510CPU芯片是samsung公司arm7TDMI系列中的一個(gè)型號(hào)，其工作頻率為50MHZ,片內(nèi)集成了豐富的通用模塊，含有支持10M/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)控制器，可以直接通過(guò)PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。已太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的lxt972a芯片，它具有10M、100M自適應(yīng)收發(fā)功能，支持全雙工操作，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器YL18-2050S連接到RJ45,進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)包功能。此外，該系統(tǒng)還使用聊2MBflash,16MBSDRAM和512KBSRAM作為存儲(chǔ)器。

2.2 Flash存儲(chǔ)器接口電路

FLASH閃存閃存的英文名稱(chēng)是"FlashMemory",一般簡(jiǎn)稱(chēng)為"Flash",它屬于內(nèi)存器件的一種。不過(guò)閃存的物理特性與常見(jiàn)的內(nèi)存有根本性的差異：目前各類(lèi)DDR、SDRAM或者RDRAM都屬于揮發(fā)性?xún)?nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無(wú)法保持，因此每次電腦開(kāi)機(jī)都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存；閃存則是一種不揮發(fā)性（Non-Volatile）內(nèi)存，在沒(méi)有電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng)久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤(pán)，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類(lèi)便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)中采用的Flash存儲(chǔ)器日本富士公司生產(chǎn)的MBM29F016.具有16M位（2M字節(jié)）、單一5V供電的閃速存儲(chǔ)器。2M字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)被分為32個(gè)64k字節(jié)的區(qū)段，因而具有靈活擦除功能。

Flash在本系統(tǒng)中用來(lái)存放uClinux操作系統(tǒng)程序代碼。系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此處獲取指令并開(kāi)始執(zhí)行。因此S3C4510B的nRCS<0>接至MBM29F016的CE#端。RES#端接系統(tǒng)服務(wù)信號(hào)。OE#接S3C4510B的nOE,

WE#端接S3C4510B的nWBE<0>.地址總線(xiàn)[a19~A0]與S3C4510B的地址總線(xiàn)[ADDR19~ADDR0]相連。16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)[DQ15~DQ0]與S3C4510B的低16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)[XDATA15~XDATA0].

2.3 SDRAM接口電路

SDRAM:SynchronousDynamicRandomAccessMemory,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線(xiàn)性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了四代，分別是：第一代SDRSDRAM,第二代DDRSDRAM,第三代DDR2SDRAM,第四代DDR3SDRAM.（顯卡上的DDR已經(jīng)發(fā)展到DDR5）

與Flash存儲(chǔ)器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，且具有讀/寫(xiě)的屬性。因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提供系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，系統(tǒng)及用戶(hù)堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都存放在SDRAM中。與Flash存儲(chǔ)器相比，SDRAM的控制信號(hào)較多，其連接電路也相對(duì)復(fù)雜。

本系統(tǒng)采用兩片HY57V641620并聯(lián)構(gòu)成32位的SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中一片為高16位，另一片為低16位。兩片HY57V641620的CLK端接的SDCLK端。兩片HY57V641620的CLE端接S3C4510B CLE端。兩片HY57V641620的A11~A0接S3C4510B ADDR<11>~ADDR<0>;高16位片的DQ15~DQ0接S3C4510B 的數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高16位XDATA<31>~XDATA<16>;低16位片的DQ15~DQ0接S3C4510B的數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低16位XDATA<15>~XDATA<0>.

2.4 RTL8201接口電路

RTL8201是Realtek公司生產(chǎn)的一種全雙工以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能、廉價(jià)的價(jià)格，使其在市場(chǎng)上10MbpsiISA總線(xiàn)網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。按?shù)據(jù)鏈路的不同，可以將RTL8201內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程DMA（remote,DMA）通道和本地DMA（local DMA）通道兩部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。當(dāng)主處理器要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將一幀數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8201中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送數(shù)據(jù)命令。RTL8201在完成了上一幀的發(fā)送后，再完成此幀的發(fā)送。RTL8201接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)MAC比較，CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿(mǎn)一幀后，以中斷的方式通知主處理器。

由于S3C4510B片內(nèi)已有帶MII接口的MAC控制器，而RTL8201也提供了MII接口，各種信號(hào)的定義也很明確，因此RTL8201與S3C4510B的連接也比較簡(jiǎn)單。直接將兩者的同名端連接即可。

2.5 MAX232接口電路

Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-VTTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。

MAX232芯片時(shí)MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器。適用于各種EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換城RS-232C輸出電平所需10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。

現(xiàn)選用其中一路發(fā)送/接受。T1I接S3C4510B的TXD0端，R1O接S3C4510B的RXD0端。因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用uClinux作為操作系統(tǒng)。與一般全靠硬件實(shí)現(xiàn)的串口服務(wù)器比較起來(lái)，配置要復(fù)雜，需要用戶(hù)具有一定的技術(shù)背景，不過(guò)因?yàn)閹в胁僮飨到y(tǒng)，其靈活性也是硬件串口服務(wù)器所不能比擬的。用戶(hù)可以通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用程序，來(lái)隨意擴(kuò)展所需的功能。

uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的縮寫(xiě)。它秉承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性，經(jīng)過(guò)各方面的小型化改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux.雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持和標(biāo)準(zhǔn)豐富的API.它專(zhuān)為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU.其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百KB數(shù)量級(jí)，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺(tái)上。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） Linux是開(kāi)放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛(ài)好者都是Linux開(kāi)發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者。

（2） Linux源代碼隨處可見(jiàn)，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問(wèn)題。

（3） Linux的內(nèi)核小，效率高。

（4） Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò)，還有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以及光纖等的支持。

（5） Linux在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮適應(yīng)系統(tǒng)的可裁減性的要求?？蓪o(wú)用的代碼去除掉，近一步減少內(nèi)核規(guī)模。

3.1 串口程序的設(shè)計(jì)

Linux對(duì)所有各類(lèi)設(shè)備文件的輸入輸出擦作看上去就像對(duì)普通文件的輸入輸出一樣。所以L(fǎng)inux對(duì)串口的操作，也是通過(guò)設(shè)備文件訪(fǎng)問(wèn)的。為了訪(fǎng)問(wèn)串口，只需打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備文件即可。在Linux下，默認(rèn)串行口COM1和COM2對(duì)應(yīng)的設(shè)備分別為/dev/ttyS0 和/dev/ttyS1.

（1） 打開(kāi)串口是通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)操作：

int fd;

/*以讀寫(xiě)方式打開(kāi)串口*/

fd = open（ "/dev/ttyS0", O_RDWR）；

if （-1 == fd）{

/* 不能打開(kāi)串口一*/

perror（" 提示錯(cuò)誤！"）；

}

（2） 設(shè)置串口

最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置，效驗(yàn)位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置 struct termios 結(jié)構(gòu)體的各成員值。

struct termio

{ unsigned short c_iflag; /* 輸入模式標(biāo)志 */

unsigned short c_oflag; /* 輸出模式標(biāo)志 */

unsigned short c_cflag; /* 控制模式標(biāo)志*/

unsigned short c_lflag; /* local mode flags */

unsigned char c_line; /* line discipline */

unsigned char c_cc[NCC]; /* control characters */

};

（3） 發(fā)送數(shù)據(jù)

char buffer[1024];int Length;int nByte;nByte = write（fd, buffer ,Length）

（4） 讀取串口數(shù)據(jù)

使用文件操作read函數(shù)讀取，如果設(shè)置為原始模式（Raw Mode）傳輸數(shù)據(jù)，那么read函數(shù)返回的字符數(shù)是實(shí)際串口收到的字符數(shù)?？梢允褂貌僮魑募暮瘮?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異步讀取，如fcntl,或者select等來(lái)操作。

char buff[1024];int Len;int readByte = read（fd,buff,Len）；

3.2 網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)

Linux系統(tǒng)是通過(guò)提供套接字（socket）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的。網(wǎng)絡(luò)程序通過(guò)socket和其它幾個(gè)函數(shù)的調(diào)用，會(huì)返回一個(gè) 通訊的文件描述符，我們可以將這個(gè)描述符看成普通的文件的描述符來(lái)操作，這就是linux的設(shè)備無(wú)關(guān)性的 好處。我們可以通過(guò)向描述符讀寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交流。以下介紹一下程序設(shè)計(jì)時(shí)常用的函數(shù)。

（1） socket

int socket（int domain, int type,int protocol）

domain:說(shuō)明我們網(wǎng)絡(luò)程序所在的主機(jī)采用的通訊協(xié)族（AF_UNIX和AF_INET等）。

type:我們網(wǎng)絡(luò)程序所采用的通訊協(xié)議。

protocol:由于我們指定了type,所以這個(gè)地方我們一般只要用0來(lái)代替就可以了。

（2） bind

int bind（int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen）

sockfd:是由socket調(diào)用返回的文件描述符。

addrlen:是sockaddr結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。

my_addr:是一個(gè)指向sockaddr的指針。

（3） listen

int listen（int sockfd,int backlog）

sockfd:是bind后的文件描述符。

backlog:設(shè)置請(qǐng)求排隊(duì)的最大長(zhǎng)度。當(dāng)有多個(gè)客戶(hù)端程序和服務(wù)端相連時(shí)， 使用這個(gè)表示可以介紹的排隊(duì)長(zhǎng)度。 listen函數(shù)將bind的文件描述符變?yōu)楸O(jiān)聽(tīng)套接字。返回的情況和bind一樣。

（4） accept

int accept（int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen）

sockfd:是listen后的文件描述符。

（5）connect

int connect（int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen）。

sockfd:socket返回的文件描述符。

serv_addr:儲(chǔ)存了服務(wù)器端的連接信息。其中sin_add是服務(wù)端的地址。

addrlen:serv_addr的長(zhǎng)度。

connect函數(shù)是客戶(hù)端用來(lái)同服務(wù)端連接的。

總的來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)程序是由兩個(gè)部分組成的--客戶(hù)端和服務(wù)器端。它們的建立步驟一般是： 服務(wù)器端 socket-->bind-->listen-->accept.客戶(hù)端 socket-->connect.

4 結(jié)語(yǔ)

本串口服務(wù)器，采用三星公司的S3C4510B ARM7系列微處理器及uClinux操作系統(tǒng)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)口或以太網(wǎng)口到串口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，證明穩(wěn)定可靠。由于A(yíng)RM系列微處理器的優(yōu)異性能，本系統(tǒng)上完全可以再加上1/2/4/8個(gè)RS-485/422/232串口，輕松連接網(wǎng)絡(luò)并管理數(shù)量眾多且分散在不同位置的串行設(shè)備。