基于嵌入式系統(tǒng)的串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)

1 引言

    在后PC嵌入式系統(tǒng)時(shí)代，所有的設(shè)備都要網(wǎng)絡(luò)化，是未來科技發(fā)展的趨勢。而在自動(dòng)化領(lǐng)域有成千上萬的傳感器，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，這種簡單的通信方法越來越不能適應(yīng)需要。而高度成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這一問題的解決提供了一種思路。在實(shí)際工作中，筆者為了通過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的MAX232。主要芯片都是高度集成，接線簡潔，原理清晰。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1  S3C4510B簡介
    本系統(tǒng)CPU選用Samsung公司的S3C4510B。S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比16/32位RISC微控制器，內(nèi)含一個(gè)有ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI RISC處理器，ARM7TDMI為低功耗高性能的16/32核。最適合用于對價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場合。
2．2  Flash存儲器接口電路
    Flash存儲器實(shí)在EPROM和EEPROM的制造基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種非易失存儲器。該存儲器集成度高，制造成本低于DRAM，即具有SRAM讀寫的靈活行和較快的訪問速 度又具有ROM在斷電之后不丟失信息的特點(diǎn)所以發(fā)展迅速。Flash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼，常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。
    本系統(tǒng)中采用的Flash存儲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。OE#接S3C4510B的nOE，
WE#端接S3C4510B的nWBE<0>。地址總線[a19~A0]與S3C4510B的地址總線[ADDR19~ADDR0]相連。16位數(shù)據(jù)總線[DQ15~DQ0]與S3C4510B的低16位數(shù)據(jù)總線[XDATA15~XDATA0]。[!--empirenews.page--]
2．3  SDRAM接口電路
    SDRAM是高速的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器，它的同步接口和完全流水線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其擁有極大的數(shù)據(jù)速率。目前SDRAM時(shí)鐘頻率已達(dá)100MHz以上。另外他們的行、列地址線共用。由行地址選通（CAS）、列地址選通（RAS）信號分時(shí)控制。SDRAM內(nèi)部以bank位組織，可由行、列地址尋址。另外為了保持內(nèi)部數(shù)據(jù)還必須進(jìn)行刷新。
    與Flash存儲器相比較，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存儲器，且具有讀/寫的屬性。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)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都存放在SDRAM中。與Flash存儲器相比，SDRAM的控制信號較多，其連接電路也相對復(fù)雜。
    本系統(tǒng)采用兩片HY57V641620并聯(lián)構(gòu)成32位的SDRAM存儲系統(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)總線的高16位XDATA<31>~XDATA<16>；低16位片的DQ15~DQ0接S3C4510B的數(shù)據(jù)總線的低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，使其在市場上10MbpsiISA總線網(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)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(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MAC比較，CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，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，各種信號的定義也很明確，因此RTL8201與S3C4510B的連接也比較簡單。直接將兩者的同名端連接即可。
2．5 MAX232接口電路
    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，配置要復(fù)雜，需要用戶具有一定的技術(shù)背景，不過因?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。用戶可以通過編寫應(yīng)用程序，來隨意擴(kuò)展所需的功能。
Uclinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開發(fā)代碼，并且免費(fèi)。Uclinux即“微控制領(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者。
（2） Linux源代碼隨處可見，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題。
（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，它提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò)，還有無線網(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對所有各類設(shè)備文件的輸入輸出擦作看上去就像對普通文件的輸入輸出一樣。所以Linux對串口的操作，也是通過設(shè)備文件訪問的。為了訪問串口，只需打開相應(yīng)的設(shè)備文件即可。在Linux下，默認(rèn)串行口COM1和COM2對應(yīng)的設(shè)備分別為/dev/ttyS0 和/dev/ttyS1。
(1) 打開串口是通過使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)操作：
int fd;
/*以讀寫方式打開串口*/
fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR);
if (-1 == fd){
/* 不能打開串口一*/
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)來實(shí)現(xiàn)異步讀取，如fcntl，或者select等來操作。 [!--empirenews.page--]
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)是通過提供套接字(socket)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的。網(wǎng)絡(luò)程序通過socket和其它幾個(gè)函數(shù)的調(diào)用,會返回一個(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操作,這就是linux的設(shè)備無關(guān)性的 好處。我們可以通過向描述符讀寫操作實(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)置請求排隊(duì)的最大長度。當(dāng)有多個(gè)客戶端程序和服務(wù)端相連時(shí)， 使用這個(gè)表示可以介紹的排隊(duì)長度。 listen函數(shù)將bind的文件描述符變?yōu)楸O(jiān)聽套接字。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的長度。
connect函數(shù)是客戶端用來同服務(wù)端連接的。
總的來說網(wǎng)絡(luò)程序是由兩個(gè)部分組成的--客戶端和服務(wù)器端。它們的建立步驟一般是: 服務(wù)器端 socket-->bind-->listen-->accept?？蛻舳?socket-->connect。

4 結(jié)語

    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)過幾個(gè)月的運(yùn)行，證明穩(wěn)定可靠。由于ARM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。