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基于單片機的嵌入式Socket通信設(shè)計

發(fā)布時間:2010-9-1 09:05    發(fā)布者:techshare
關(guān)鍵詞: S3C44B0X , SOCKET , 單片機 , 嵌入式
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、國防軍事、自動化控制領(lǐng)域以及人們?nèi)粘I畹姆椒矫婷?#65377;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)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。它以應(yīng)用為中心、以計算機技術(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)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合可以極大地增強網(wǎng)絡(luò)的智能化與靈活性,拓展通信功能,從而實現(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)用的通信平臺設(shè)計方案,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)計了基于嵌入式通信微處理器S3C44B0X的硬件通信平臺,從而實現(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)

作為一類特殊的計算機系統(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、通信、保護、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,大大提高嵌入式系統(tǒng)的功能,但同時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)的計算機軟件。



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)計和實現(xiàn)方法。

S3C44B0X是高性價比、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)的增強型乘法器(multiplier)可進(jìn)行兩個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硬件提供片上斷點和調(diào)試點支持。此外,它還可以提供三級流水線及馮•諾依曼結(jié)構(gòu)。實際上,S3C44B0X已在ARM7TDMI內(nèi)容基礎(chǔ)上擴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

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)計的。uClinux是一個完全符合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,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上運行,也可以加載到內(nèi)存中運行。u-Cliunx帶有一個完整的TCP/IP協(xié)議,同時也支持其他許多網(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。



為了實現(xiàn)基于uClinux的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),建立或擁有一個完備的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機構(gòu)成?3?。通常需在安裝有Linux的宿主PC機上安裝交叉編譯器,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)用來建立一個新的socket,以通知系統(tǒng)建立一個通信端口。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)listenintlisten(intsockfd,intbacklog)

利用該函數(shù)可以使socket端口接受從客戶機發(fā)送來的連接請求。backlog參數(shù)是所能接受的客戶機的最大數(shù)目。對socket、bind、listen三個函數(shù)的綜合調(diào)用最終可在服務(wù)器上產(chǎn)生一個能接受客戶機請求的監(jiān)聽文件描述符sockfd。

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

當(dāng)有客戶機發(fā)出連接請求時,此函數(shù)初始化這個連接。其中參數(shù)address用來存儲客戶機的信息,此信息由accept填入。當(dāng)與客戶機連接時,客戶機的地址與端口將填到此處;addresslen是客戶機地址長度的字節(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、處理客戶端的計算請求、向客戶端發(fā)送計算結(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)送計算請求、處理服務(wù)器發(fā)回的計算結(jié)果和其它信息。服務(wù)器在創(chuàng)建一個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捕捉到一個連接服務(wù)請求時,即完成一個新的連接,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)計使用的套接字為流式套接字,下面是運行于32位微處理器S3C44B0X嵌入式開發(fā)平臺的客戶端應(yīng)用程序:




4結(jié)束語

設(shè)計開發(fā)了基于S3C44B0X的以太網(wǎng)通信系統(tǒng),并利用uClinux操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡(luò)功能實現(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)平臺上成功運行,并成功地和宿主PC機的服務(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機當(dāng)作客戶端來進(jìn)行雙向文件傳輸。
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