基于uClinux和微處理器實(shí)現(xiàn)嵌入式Socket通信的應(yīng)用方案

隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學(xué)研究?工程設(shè)計(jì)?國防軍事?自動(dòng)化控制領(lǐng)域以及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?由嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到任何微型或小型儀器和設(shè)備中?

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(duì)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)?嵌入式系統(tǒng)與通信?網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通?本文給出一種適合于中/低端應(yīng)用的通信平臺(tái)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(tái)，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（DigitalSignalProcessor）和高度集成的嵌入式SoC（SystemonChip）?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(chǔ)?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(duì)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(tái)?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(tái)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(qǐng)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(jí)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(hào)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(duì)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(chǔ)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(duì)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“SOCKSTREAM”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）socketintsocket（intdomain？inttype？intproto-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?

（2）bindintbind（intsockfd，structsockaddr*myaddr，intaddrlen）

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(hào)?

（3）listenintlisten（intsockfd，intbacklog）

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(qǐng)求?backlog參數(shù)是所能接受的客戶機(jī)的最大數(shù)目?對(duì)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(qǐng)求的監(jiān)聽文件描述符sockfd?

（4）acceptintaccept（intsockfd，structsockaddr*address，int*address_len）

當(dāng)有客戶機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)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(chǔ)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）connectintconnect（intsockfd，structsockaddr*address，size_taddress_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(qǐng)求?接收客戶端的信息?處理客戶端的計(jì)算請(qǐng)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(qǐng)與服務(wù)器的連接?向服務(wù)器發(fā)送計(jì)算請(qǐng)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(huì)將該socket與本地地址/端口號(hào)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(qǐng)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(duì)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?

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(tái)的客戶端應(yīng)用程序：

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(tái)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(tái)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(tái)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?

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