基于S3C44B0X的嵌入式Socket通信設計
隨著微電子技術的不斷創新和發展，嵌入式系統已經廣泛滲透到科學研究、工程設計、國防軍事、自動化控制領域以及人們日常生活的方方面面。
由嵌入式微控制器組成的系統其最明顯的優勢就是可以嵌入到任何微型或小型儀器和設備中。
嵌入式系統是指將應用程序、操作系統與計算機硬件集成在一起的系統。它以應用為中心、以計算機技術為基礎，而且軟硬件可以裁剪，因而是能滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統1。嵌入式系統與通信、網絡技術的結合可以極大地增強網絡的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實現各種通信系統之間的互聯互通。本文給出一種適合于中/低端應用的通信平臺設計方案，它可支持Ethernet網絡之間的數據傳輸，并且具有RS232、RS485等接口。文中圍繞嵌入式uClinux環境設計了基于嵌入式通信微處理器S3c44BOX的硬件通信平臺，從而實現了嵌入式Socket通信。
1 嵌入式網絡通信系統結構
作為一類特殊的計算機系統，嵌入式系統通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部件，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(System on ChIP)。嵌入式外圍設備是指嵌入式硬件系統中除中心控制部件以外的存儲、通信、保護、調試、顯示等其它輔助部件。嵌入式操作系統一般在比較大型或需要多任務的應用場合才考慮使用，它可方便嵌入式應用軟件的設計，大大提高嵌入式系統的功能，但同時也要占用寶貴的嵌入式資源。嵌入式應用軟件和普通的應用軟件有一定的區別，它是針對特定的實際專業領域、基于相應的嵌入式硬件平臺、能完成用戶預期任務的計算機軟件。
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SamsungSamsung公司基于ARM公司32位RISC的ARM7TDMI核的S3c44BOX處理器來進行Socket通信的軟硬件平臺的設計和實現方法。
S3c44BOX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。它支持片上調試，允許處理器響應調試請求暫停，芯片內的增強型乘法器(multiplier)可進行兩個32位數相乘從而直接產生6４位結果，也可為嵌入式ICE硬件提供片上斷點和調試點支持。此外，它還可以提供三級流水線及馮?諾依曼結構。實際上，S3c44BOX已在ARM7TDMI內容基礎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絡通信系統的硬件體系結構。
2 外圍電路設計
作為優秀的網絡控制器，基于S3c44BOX處理器的系統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SC8900A。SC8900A是一個單芯片全雙工的以太網解決方案，片內集成了用于完成以太網電路所必需的所有模擬和數字電路。圖2為系統中的SC8900A以太網接口電路。圖中的信號發送和接收端通過網絡隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體。另外，為了系統能夠正常工作，還需要外接一個20MHZ的晶振。3基于uCliunx的Socket通信
本系統的軟件是基于嵌入式操作系統uClinux而設計的。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，它與UNIX系統兼容，其代碼完全開放。uClinux是在標準Linux基礎上進行適當裁剪和優化后的操作系統，uClinux是一個高度優化、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的大多數優點，如：穩定、良好的移植性；優秀的網絡功能；對各種文件系統的完備支持，以及標準豐富的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，并且專為嵌入式系統做了許多小型化工作，它可以直接在Flash上運行，也可以加載到內存中運行。u-Cliunx帶有一個完整的TCP/IP協議，同時也支持其他許多網絡協議，對于嵌入式系統來說，它是一個網絡完備的操作系統，因此得到了廣泛的應用。
為了實現基于uClinux的應用系統的開發，建立或擁有一個完備的uCliunx開發環境是十分必要的。基于uClinux操作系統的應用開發環境一般由目標系統硬件開發板和宿主PC機構成3。通常需在安裝有Linux的宿主PC機上安裝交叉編譯器，以把用戶應用程序編譯成目前uClinux只支持的flat格式的可執行文件和編譯操作系統內核。目標硬件開發板用于運行操作系統和系統應用軟件。目標硬件開發板和PC宿主機之間一般通過串口、并口或以太網接口來建立連接。本文Socket通信使用的軟件開發及仿真環境如圖3所示。
Socket即“套接字”，表示網絡通信進程的ID。最常用的有流式套接字和數據報套接字兩種。在Linux中，分別稱為“SOCKSTREAM”和“SOCKDGRAM”。經裁剪的uClinux保留了Linux中的大部分Socket庫函數。基于S3c44BOX處理器的嵌入式Socket通信所要調用的主要庫函數如下：
(1)SocketintSocket(intdomainint typeint proto-col)
此函數用來建立一個新的Socket，以通知系統建立一個通信端口。函數中的domain參數用于指定使用何種地址類型；type參數用于指定套接字類型；protocol參數通常為0，表示使用默認協議。
(2)bindintbind(intSOCKfd,struct SOCKaddr＊ myaddr,int addrlen)
bind函數可把Socket返回的套接字端口與網絡上的物理位置相關聯。其中SOCKfd參數是函數Socket返回的套接字描述符；myaddr參數是本地地址；ad-drlen參數是套接字地址結構的長度。服務器和客戶機都可以調用函數bind來綁定套接字地址，但一般是由服務器調用函數bind來綁定自己的公認端口號。
(3)listenintlisten(intSOCKfd,int backlog)
利用該函數可以使Socket端口接受從客戶機發送來的連接請求。backlog參數是所能接受的客戶機的最大數目。對Socket、bind、listen三個函數的綜合調用最終可在服務器上產生一個能接受客戶機請求的監聽文件描述符SOCKfd。
(4)acceptintaccept(intSOCKfd,struct SOCKaddr＊address,int＊address_len)
當有客戶機發出連接請求時，此函數初始化這個連接。其中參數address用來存儲客戶機的信息，此信息由accept填入。當與客戶機連接時，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數，也由accept填入。
(5)connectintconnect(intSOCKfd,struct SOCKaddr *address,size_t address_len)
客戶機調用Socket建立傳輸端口后，接著將調用connect函數來建立與遠程服務器相連的連接線路。此函數的參數調用同bind。
本文設計的Socket通信采用server/client模式，即服務器端的應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、向客戶端發送計算結果以及應答信息等。客戶端的應用程序用于申請與服務器的連接、向服務器發送計算請求、處理服務器發回的計算結果和其它信息。
服務器在創建一個Socket后，接著會將該Socket與本地地址／端口號進行捆綁，成功之后就在相應的Socket上監聽，當accpet捕捉到一個連接服務請求時，即完成一個新的連接，稍后可向客戶端發送數據。
客戶端代碼相對來說要簡單一些，首先通過服務器域名獲得其IP地址，然后創建一個Socket，接著調用connect函數來與服務器建立連接，連接成功之后再接收從服務器發送過來的數據，最后在通信結束后關閉Socket。
綜上所述，網絡程序客戶端和服務器端進行Socket通信的建立步驟如下
服務器端：Socket→bind→listen→accept
客戶端：Socket→bind→connect
本設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S3c44BOX嵌入式開發平臺的客戶端應用程序
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
ints;
charbuffer[256];
structSOCKaddr_inaddr;
structhostent*hp;
structin_addrin;
structSOCKaddr_inlocal_addr;
if(argc<2)return;
if(!(hp=gethostbyname(argv)[1])))
{
fprintf(stderr,“Can'tresolvehost.\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((unsignedshort)atoi(argv[2]));
hp=gethostbyname(argv[1]);
memcpy(&local_addr．sin_addr．s_addr,hp->haddr,4);
in．s_addr＝local_addr．sin_addr．s_addr;
printf(“domainName%s\n” argv
printf(“IPaddress:%S\n”,inet_ntoa(in));
printf(“%s,%s\n”,hp->h_name,argv[2]);
addr.sin_addr.s_addr＝inet_addr(hp->h_name);
ifconnect(ｓ,(structSOCKaddr*)&addr,sizeOf (addr))<0){
perror(“connect”);
exit(1);
}
recv(s,buffer,sizeｏf(buffer),0);
printf(“%s\n”,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 結束語
設計開發了基于S3c44BOX的以太網通信系統，并利用uClinux操作系統強大的網絡功能實現了Socket通信。由于uClinux目前只支持flat格式的可執行文件，因此本設計是在先建立好uClinux開發環境的情況下，把用戶自行開發的應用程序通過宿主PC機上的交叉編譯器轉化為flat格式，然后再通過fTP添加到目標硬件開發平臺上運行的。文中的客戶端應用程序已經在基于ARM7TDMI核的S3c44BOX處理器的嵌入式開發平臺上成功運行，并成功地和宿主PC機的服務器端應用程序實現了Socket通信。當然，也可以把目標硬件開發平臺當作服務器端，而把宿主PC機當作客戶端來進行雙向文件傳輸。
由嵌入式微控制器組成的系統其最明顯的優勢就是可以嵌入到任何微型或小型儀器和設備中。
嵌入式系統是指將應用程序、操作系統與計算機硬件集成在一起的系統。它以應用為中心、以計算機技術為基礎，而且軟硬件可以裁剪，因而是能滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統1。嵌入式系統與通信、網絡技術的結合可以極大地增強網絡的智能化與靈活性，拓展通信功能，從而實現各種通信系統之間的互聯互通。本文給出一種適合于中/低端應用的通信平臺設計方案，它可支持Ethernet網絡之間的數據傳輸，并且具有RS232、RS485等接口。文中圍繞嵌入式uClinux環境設計了基于嵌入式通信微處理器S3c44BOX的硬件通信平臺，從而實現了嵌入式Socket通信。
1 嵌入式網絡通信系統結構
作為一類特殊的計算機系統，嵌入式系統通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件等幾大部分組成。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部件，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(System on ChIP)。嵌入式外圍設備是指嵌入式硬件系統中除中心控制部件以外的存儲、通信、保護、調試、顯示等其它輔助部件。嵌入式操作系統一般在比較大型或需要多任務的應用場合才考慮使用，它可方便嵌入式應用軟件的設計，大大提高嵌入式系統的功能，但同時也要占用寶貴的嵌入式資源。嵌入式應用軟件和普通的應用軟件有一定的區別，它是針對特定的實際專業領域、基于相應的嵌入式硬件平臺、能完成用戶預期任務的計算機軟件。
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SamsungSamsung公司基于ARM公司32位RISC的ARM7TDMI核的S3c44BOX處理器來進行Socket通信的軟硬件平臺的設計和實現方法。
S3c44BOX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。它支持片上調試，允許處理器響應調試請求暫停，芯片內的增強型乘法器(multiplier)可進行兩個32位數相乘從而直接產生6４位結果，也可為嵌入式ICE硬件提供片上斷點和調試點支持。此外，它還可以提供三級流水線及馮?諾依曼結構。實際上，S3c44BOX已在ARM7TDMI內容基礎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絡通信系統的硬件體系結構。
2 外圍電路設計
作為優秀的網絡控制器，基于S3c44BOX處理器的系統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SC8900A。SC8900A是一個單芯片全雙工的以太網解決方案，片內集成了用于完成以太網電路所必需的所有模擬和數字電路。圖2為系統中的SC8900A以太網接口電路。圖中的信號發送和接收端通過網絡隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體。另外，為了系統能夠正常工作，還需要外接一個20MHZ的晶振。3基于uCliunx的Socket通信
本系統的軟件是基于嵌入式操作系統uClinux而設計的。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統，它與UNIX系統兼容，其代碼完全開放。uClinux是在標準Linux基礎上進行適當裁剪和優化后的操作系統，uClinux是一個高度優化、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的大多數優點，如：穩定、良好的移植性；優秀的網絡功能；對各種文件系統的完備支持，以及標準豐富的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，并且專為嵌入式系統做了許多小型化工作，它可以直接在Flash上運行，也可以加載到內存中運行。u-Cliunx帶有一個完整的TCP/IP協議，同時也支持其他許多網絡協議，對于嵌入式系統來說，它是一個網絡完備的操作系統，因此得到了廣泛的應用。
為了實現基于uClinux的應用系統的開發，建立或擁有一個完備的uCliunx開發環境是十分必要的。基于uClinux操作系統的應用開發環境一般由目標系統硬件開發板和宿主PC機構成3。通常需在安裝有Linux的宿主PC機上安裝交叉編譯器，以把用戶應用程序編譯成目前uClinux只支持的flat格式的可執行文件和編譯操作系統內核。目標硬件開發板用于運行操作系統和系統應用軟件。目標硬件開發板和PC宿主機之間一般通過串口、并口或以太網接口來建立連接。本文Socket通信使用的軟件開發及仿真環境如圖3所示。Socket即“套接字”，表示網絡通信進程的ID。最常用的有流式套接字和數據報套接字兩種。在Linux中，分別稱為“SOCKSTREAM”和“SOCKDGRAM”。經裁剪的uClinux保留了Linux中的大部分Socket庫函數。基于S3c44BOX處理器的嵌入式Socket通信所要調用的主要庫函數如下：
(1)SocketintSocket(intdomainint typeint proto-col)
此函數用來建立一個新的Socket，以通知系統建立一個通信端口。函數中的domain參數用于指定使用何種地址類型；type參數用于指定套接字類型；protocol參數通常為0，表示使用默認協議。
(2)bindintbind(intSOCKfd,struct SOCKaddr＊ myaddr,int addrlen)
bind函數可把Socket返回的套接字端口與網絡上的物理位置相關聯。其中SOCKfd參數是函數Socket返回的套接字描述符；myaddr參數是本地地址；ad-drlen參數是套接字地址結構的長度。服務器和客戶機都可以調用函數bind來綁定套接字地址，但一般是由服務器調用函數bind來綁定自己的公認端口號。
(3)listenintlisten(intSOCKfd,int backlog)
利用該函數可以使Socket端口接受從客戶機發送來的連接請求。backlog參數是所能接受的客戶機的最大數目。對Socket、bind、listen三個函數的綜合調用最終可在服務器上產生一個能接受客戶機請求的監聽文件描述符SOCKfd。
(4)acceptintaccept(intSOCKfd,struct SOCKaddr＊address,int＊address_len)
當有客戶機發出連接請求時，此函數初始化這個連接。其中參數address用來存儲客戶機的信息，此信息由accept填入。當與客戶機連接時，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數，也由accept填入。
(5)connectintconnect(intSOCKfd,struct SOCKaddr *address,size_t address_len)
客戶機調用Socket建立傳輸端口后，接著將調用connect函數來建立與遠程服務器相連的連接線路。此函數的參數調用同bind。
本文設計的Socket通信采用server/client模式，即服務器端的應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、向客戶端發送計算結果以及應答信息等。客戶端的應用程序用于申請與服務器的連接、向服務器發送計算請求、處理服務器發回的計算結果和其它信息。
服務器在創建一個Socket后，接著會將該Socket與本地地址／端口號進行捆綁，成功之后就在相應的Socket上監聽，當accpet捕捉到一個連接服務請求時，即完成一個新的連接，稍后可向客戶端發送數據。
客戶端代碼相對來說要簡單一些，首先通過服務器域名獲得其IP地址，然后創建一個Socket，接著調用connect函數來與服務器建立連接，連接成功之后再接收從服務器發送過來的數據，最后在通信結束后關閉Socket。
綜上所述，網絡程序客戶端和服務器端進行Socket通信的建立步驟如下
服務器端：Socket→bind→listen→accept
客戶端：Socket→bind→connect
本設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S3c44BOX嵌入式開發平臺的客戶端應用程序
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
ints;
charbuffer[256];
structSOCKaddr_inaddr;
structhostent*hp;
structin_addrin;
structSOCKaddr_inlocal_addr;
if(argc<2)return;
if(!(hp=gethostbyname(argv)[1])))
{
fprintf(stderr,“Can'tresolvehost.\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((unsignedshort)atoi(argv[2]));
hp=gethostbyname(argv[1]);
memcpy(&local_addr．sin_addr．s_addr,hp->haddr,4);
in．s_addr＝local_addr．sin_addr．s_addr;
printf(“domainName%s\n” argv
printf(“IPaddress:%S\n”,inet_ntoa(in));
printf(“%s,%s\n”,hp->h_name,argv[2]);
addr.sin_addr.s_addr＝inet_addr(hp->h_name);
ifconnect(ｓ,(structSOCKaddr*)&addr,sizeOf (addr))<0){
perror(“connect”);
exit(1);
}
recv(s,buffer,sizeｏf(buffer),0);
printf(“%s\n”,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 結束語
設計開發了基于S3c44BOX的以太網通信系統，并利用uClinux操作系統強大的網絡功能實現了Socket通信。由于uClinux目前只支持flat格式的可執行文件，因此本設計是在先建立好uClinux開發環境的情況下，把用戶自行開發的應用程序通過宿主PC機上的交叉編譯器轉化為flat格式，然后再通過fTP添加到目標硬件開發平臺上運行的。文中的客戶端應用程序已經在基于ARM7TDMI核的S3c44BOX處理器的嵌入式開發平臺上成功運行，并成功地和宿主PC機的服務器端應用程序實現了Socket通信。當然，也可以把目標硬件開發平臺當作服務器端，而把宿主PC機當作客戶端來進行雙向文件傳輸。
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