摘要：阐述了嵌入式系统的概念及嵌入式网络通信系统的结构。给出了基于嵌入式微处理器S3C44B0X完成具有以太网络接口的嵌入式网络通信系统的电路设计方法，同时给出了在一个裁剪的uCliunx操作系统环境下实现系统与主机Socket通信的应用端用户程序。
关键词：嵌入式系统；uClinux；Socket通信；S3C44B0X
随着微电子技术的不断创新和发展，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、国防军事、自动化控制领域以及人们日常生活的方方面面。由嵌入式微控制器组成的系统其最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器和设备中。
嵌入式系统是指将应用程序、操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。它以应用为中心、以计算机技术为基础，而且软硬件可以裁剪，因而是能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统１。嵌入式系统与通信、网络技术的结合可以极大地增强网络的智能化与灵活性，拓展通信功能，从而实现各种通信系统之间的互联互通。本文给出一种适合于中／低端应用的通信平台设计方案，它可支持Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络之间的数据传输，并且具有ＲＳ２３２、 ＲＳ４８５、 ＵＳＢ等接口。文中围绕嵌入式ｕＣｌｉｎｕｘ环境设计了基于嵌入式通信微处理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的硬件通信平台，从而实现了嵌入式Ｓｏｃｋｅｔ通信。
１ 嵌入式网络通信系统结构
作为一类特殊的计算机系统， 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它可分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）和高度集成的嵌入式ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ）。嵌入式外围设备是指嵌入式硬件系统中除中心控制部件以外的存储、通信、保护、调试、显示等其它辅助部件。嵌入式操作系统一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用，它可方便嵌入式应用软件的设计，大大提高嵌入式系统的功能，但同时也要占用宝贵的嵌入式资源。嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别，它是针对特定的实际专业领域、基于相应的嵌入式硬件平台、能完成用户预期任务的计算机软件。
嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，本文主要介绍采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司基于ＡＲＭ公司３２位ＲＩＳＣ的ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器来进行Ｓｏｃｋｅｔ通信的软硬件平台的设计和实现方法。
Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ是高性价比、高性能的微控制器，它采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核，可工作在６６ＭＨｚ。ＡＲＭ７ＴＤＭＩ是一种３２位嵌入式ＲＩＳＣ处理器，但也配备了１６位压缩指令集Ｔｈｕｍｂ。它支持片上调试，允许处理器响应调试请求暂停，芯片内的增强型乘法器（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）可进行两个３２位数相乘从而直接产生６４位结果，也可为嵌入式ＩＣＥ硬件提供片上断点和调试点支持。此外，它还可以提供三级流水线及冯·诺依曼结构。实际上，Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ已在ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内容基础上扩展了一系列完整的通用外围器件。图１所示是一种嵌入式网络通信系统的硬件体系结构。
２ 外围电路设计
作为优秀的网络控制器，基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器的系统必须要有一个与之匹配的控制芯片。这里，笔者选用了Ｃｉｒｒｕｓ ｌｏｇｉｃ公司的ＣＳ８９００Ａ。ＣＳ８９００Ａ是一个单芯片全双工的以太网解决方案，片内集成了用于完成以太网电路所必需的所有模拟和数字电路。图２为系统中的ＣＳ８９００Ａ以太网接口电路。图中的信号发送和接收端通过网络隔离变压器和ＲＪ４５接口接入传输媒体。另外，为了系统能够正常工作，还需要外接一个２０ＭＨｚ的晶振。
３ 基于ｕＣｌｉｕｎｘ的Ｓｏｃｋｅｔ通信
本系统的软件是基于嵌入式操作系统ｕＣｌｉｎｕｘ而设计的。ｕＣｌｉｎｕｘ是一个完全符合ＧＮＵ／ＧＰＬ公约的操作系统，它与ＵＮＩＸ系统兼容，其代码完全开放。ｕＣｌｉｎｕｘ是在标准Ｌｉｎｕｘ基础上进行适当裁剪和优化后的操作系统，ｕＣｌｉｎｕｘ是一个高度优化、代码紧凑的Ｌｉｎｕｘ的嵌入式子集。虽然体积很小，但仍然保留了Ｌｉｎｕｘ的大多数优点，如：稳定、良好的移植性；优秀的网络功能；对各种文件系统的完备支持，以及标准丰富的ＡＰＩ等。ｕＣｌｉｎｕｘ是专门面向没有存储器管理单元（ＭＭＵ）的处理器的嵌入式操作系统，并且专为嵌入式系统做了许多小型化工作，它可以直接在Ｆｌａｓｈ上运行，也可以加载到内存中运行。ｕ-Ｃｌｉｕｎｘ带有一个完整的ＴＣＰ／ＩＰ协议，同时也支持其他许多网络协议，对于嵌入式系统来说，它是一个网络完备的操作系统，因此得到了广泛的应用。
为了实现基于ｕＣｌｉｎｕｘ的应用系统的开发，建立或拥有一个完备的ｕＣｌｉｕｎｘ开发环境是十分必要的。基于ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统的应用开发环境一般由目标系统硬件开发板和宿主ＰＣ机构成３。通常需在安装有Ｌｉｎｕｘ的宿主ＰＣ机上安装交叉编译器，以把用户应用程序编译成目前ｕＣｌｉｎｕｘ只支持的ｆｌａｔ格式的可执行文件和编译操作系统内核。目标硬件开发板用于运行操作系统和系统应用软件。目标硬件开发板和ＰＣ宿主机之间一般通过串口、并口或以太网接口来建立连接。本文Ｓｏｃｋｅｔ通信使用的软件开发及仿真环境如图３所示。
Ｓｏｃｋｅｔ即“套接字”，表示网络通信进程的ＩＤ。最常用的有流式套接字和数据报套接字两种。在Ｌｉｎｕｘ中，分别称为“ＳＯＣＫ ＳＴＲＥＡＭ”和“ＳＯＣＫ ＤＧＲＡＭ”。经裁剪的ｕＣｌｉｎｕｘ保留了Ｌｉｎｕｘ中的大部分Ｓｏｃｋｅｔ库函数。基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器的嵌入式Ｓｏｃｋｅｔ通信所要调用的主要库函数如下：
(１)ｓｏｃｋｅｔ ｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ(ｉｎｔ ｄｏｍａｉｎｉｎｔ ｔｙｐｅｉｎｔ ｐｒｏｔｏ-ｃｏｌ)
此函数用来建立一个新的ｓｏｃｋｅｔ，以通知系统建立一个通信端口。函数中的ｄｏｍａｉｎ参数用于指定使用何种地址类型；ｔｙｐｅ参数用于指定套接字类型；ｐｒｏｔｏｃｏｌ参数通常为０，表示使用默认协议。
(２)ｂｉｎｄ ｉｎｔ ｂｉｎｄ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ＊ ｍｙａｄｄｒ,ｉｎｔ ａｄｄｒｌｅｎ)
ｂｉｎｄ函数可把ｓｏｃｋｅｔ返回的套接字端口与网络上的物理位置相关联。其中ｓｏｃｋｆｄ参数是函数ｓｏｃｋｅｔ返回的套接字描述符；ｍｙａｄｄｒ参数是本地地址；ａｄ-ｄｒｌｅｎ参数是套接字地址结构的长度。服务器和客户机都可以调用函数ｂｉｎｄ来绑定套接字地址，但一般是由服务器调用函数ｂｉｎｄ来绑定自己的公认端口号。
(３)ｌｉｓｔｅｎ ｉｎｔ ｌｉｓｔｅｎ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｉｎｔ ｂａｃｋｌｏｇ)
利用该函数可以使ｓｏｃｋｅｔ端口接受从客户机发送来的连接请求。ｂａｃｋｌｏｇ参数是所能接受的客户机的最大数目。对ｓｏｃｋｅｔ、ｂｉｎｄ、ｌｉｓｔｅｎ三个函数的综合调用最终可在服务器上产生一个能接受客户机请求的监听文件描述符ｓｏｃｋｆｄ。
(４)ａｃｃｅｐｔ ｉｎｔ ａｃｃｅｐｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ＊ａｄｄｒｅｓｓ,ｉｎｔ＊ａｄｄｒｅｓｓ_ｌｅｎ)
当有客户机发出连接请求时，此函数初始化这个连接。其中参数ａｄｄｒｅｓｓ用来存储客户机的信息，此信息由ａｃｃｅｐｔ填入。当与客户机连接时，客户机的地址与端口将填到此处；ａｄｄｒｅｓｓ ｌｅｎ是客户机地址长度的字节数，也由ａｃｃｅｐｔ填入。
(５)ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔ(ｉｎｔ ｓｏｃｋｆｄ,ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ ＊ａｄｄｒｅｓｓ,ｓｉｚｅ_ｔ ａｄｄｒｅｓｓ_ｌｅｎ)
客户机调用ｓｏｃｋｅｔ建立传输端口后，接着将调用ｃｏｎｎｅｃｔ函数来建立与远程服务器相连的连接线路。此函数的参数调用同ｂｉｎｄ。
本文设计的Ｓｏｃｋｅｔ通信采用ｓｅｒｖｅｒ／ｃｌｉｅｎｔ模式，即服务器端的应用程序用于接受客户端的连接请求、接收客户端的信息、处理客户端的计算请求、向客户端发送计算结果以及应答信息等。客户端的应用程序用于申请与服务器的连接、向服务器发送计算请求、处理服务器发回的计算结果和其它信息。
服务器在创建一个ｓｏｃｋｅｔ后，接着会将该ｓｏｃｋｅｔ与本地地址／端口号进行捆绑，成功之后就在相应的ｓｏｃｋｅｔ上监听，当ａｃｃｐｅｔ捕捉到一个连接服务请求时，即完成一个新的连接，稍后可向客户端发送数据。
客户端代码相对来说要简单一些，首先通过服务器域名获得其ＩＰ地址，然后创建一个ｓｏｃｋｅｔ，接着调用ｃｏｎｎｅｃｔ函数来与服务器建立连接，连接成功之后再接收从服务器发送过来的数据，最后在通信结束后关闭ｓｏｃｋｅｔ。
综上所述，网络程序客户端和服务器端进行Ｓｏｃｋｅｔ通信的建立步骤如下
服务器端：ｓｏｃｋｅｔ →ｂｉｎｄ →ｌｉｓｔｅｎ→ａｃｃｅｐｔ
客户端：ｓｏｃｋｅｔ →ｂｉｎｄ →ｃｏｎｎｅｃｔ
本设计使用的套接字为流式套接字，下面是运行于３２位微处理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ嵌入式开发平台的客户端应用程序
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｄｂ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｔａｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｆｃｎｔｌ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｔｙｐｅｓ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｙｓ／ｓｏｃｋｅｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｎｅｔｉｎｅｔ／ｉｎ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ａｒｐａ／ｉｎｅｔ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｕｎｉｓｔｄ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄｉｏ．ｈ＞
＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｒｉｎｇ．ｈ＞
ｉｎｔ ｍａｉｎ(ｉｎｔ ａｒｇｃ,ｃｈａｒ ＊ａｒｇｖ[]）
{
ｉｎｔ ｓ;
ｃｈａｒ ｂｕｆｆｅｒ[２５６];
ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ_ｉｎ ａｄｄｒ;
ｓｔｒｕｃｔ ｈｏｓｔｅｎｔ ＊ｈｐ;
ｓｔｒｕｃｔ ｉｎ_ａｄｄｒ ｉｎ;
ｓｔｒｕｃｔ ｓｏｃｋａｄｄｒ_ｉｎ ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ;
ｉｆ (ａｒｇｃ ＜ ２) ｒｅｔｕｒｎ;
ｉｆ(!(ｈｐ＝ｇｅｔｈｏｓｔｂｙｎａｍｅ (ａｒｇｖ[１]))){
ｆｐｒｉｎｔｆ(ｓｔｄｅｒｒ,＂Ｃａｎ＇ｔ ｒｅｓｏｌｖｅ ｈｏｓｔ．＼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((ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ)ａｔｏｉ(ａｒｇｖ[２]));
ｈｐ ＝ ｇｅｔｈｏｓｔｂｙｎａｍｅ(ａｒｇｖ[１]);
ｍｅｍｃｐｙ(＆ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ,ｈｐ－＞ｈ ａｄｄｒ,４);
ｉｎ．ｓ_ａｄｄｒ ＝ ｌｏｃａｌ_ａｄｄｒ．ｓｉｎ_ａｄｄｒ．ｓ_ａｄｄｒ;
ｐｒｉｎｔｆ (＂Ｄｏｍａｉｎ Ｎａｍｅ％ｓ＼ｎ＂ａｒｇｖ
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);
ｉｆｃｏｎｎｅｃｔ(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 结束语
设计开发了基于Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的以太网通信系统，并利用ｕＣｌｉｎｕｘ操作系统强大的网络功能实现了Ｓｏｃｋｅｔ通信。由于ｕＣｌｉｎｕｘ目前只支持ｆｌａｔ格式的可执行文件，因此本设计是在先建立好ｕＣｌｉｎｕｘ开发环境的情况下，把用户自行开发的应用程序通过宿主ＰＣ机上的交叉编译器转化为ｆｌａｔ格式，然后再通过ＦＴＰ添加到目标硬件开发平台上运行的。文中的客户端应用程序已经在基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器的嵌入式开发平台上成功运行，并成功地和宿主ＰＣ机的服务器端应用程序实现了Ｓｏｃｋｅｔ通信。当然，也可以把目标硬件开发平台当作服务器端，而把宿主ＰＣ机当作客户端来进行双向文件传输。