基于S3C44B0X的嵌入式Socket通信設計

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處理器來進行Ｓｏｃｋｅｔ通信的軟硬件平臺的設計和實現方法。

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，Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ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Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ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Ｃｉｒｒｕｓ ｌｏｇｉｃ公司的ＣＳ８９００Ａ。ＣＳ８９００Ａ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ＣＳ８９００Ａ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“ＳＯＣＫ ＳＴＲＥＡＭ”和“ＳＯＣＫ ＤＧＲＡＭ”。經裁剪的ｕＣｌｉｎｕｘ保留了Ｌｉｎｕｘ中的大部分Ｓｏｃｋｅｔ庫函數。基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ處理器的嵌入式Ｓｏｃｋｅｔ通信所要調用的主要庫函數如下：

(１)ｓｏｃｋｅｔ ｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ(ｉｎｔ ｄｏｍａｉｎｉｎｔ ｔｙｐｅｉｎｔ 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)ｂｉｎｄ ｉｎｔ ｂｉｎｄ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,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)ｌｉｓｔｅｎ ｉｎｔ ｌｉｓｔｅｎ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,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)ａｃｃｅｐｔ ｉｎｔ ａｃｃｅｐｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,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；ａｄｄｒｅｓｓ ｌｅｎ是客戶機地址長度的字節數，也由ａｃｃｅｐｔ填入。

(５)ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,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Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ嵌入式開發平臺的客戶端應用程序

＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｄｂ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｔａｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｆｃｎｔｌ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｔｙｐｅｓ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｏｃｋｅｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ

ｐｒｉｎｔｆ (＂ＩＰ ａｄｄｒｅｓｓ :％ｓ＼ｎ＂,ｉｎｅｔ_ｎｔｏａ (ｉｎ));
ｐｒｉｎｔｆ(＂％ｓ,％ｓ＼ｎ＂,ｈｐ－＞ｈ_ｎａｍｅ,ａｒｇｖ[２]);
ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ＝ｉｎｅｔ_ａｄｄｒ(ｈｐ－＞ｈ_ｎａｍｅ);
ｉｆｃｏｎｎｅｃｔ(ｓ,(ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ ＊)＆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Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ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Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ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。