基于uCLinux和ARM7的网络通信设计

引言

Linux是一种很受欢迎的操作系统，与UNIX系统兼容，开放源代码。它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于嵌入式设备。uCLinux正是在这种氛围下产生的。在uCLinux这个英文单词中，u表示Micro,是“小”的意思；C表示Control，是“控制”的意思，所以uCLinux就是Micro-Control-Linux，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的Linux系统”。它也是针对无MMU（内存管理单元模块）的微处理器设计的操作系统。S3C4510B就是属于该类的微处理器。

Samsung公司的S3C4510B是基于以太网应用系统高性价比16/32位RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计16/32位ARM7TDMI RISC处理器核。ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。除了ARM7TDMI核以外，S3C4510B还有许多重要的片内外围功能模块，其中就有1个以太网控制器，用于S3C4510B系统与其它设备的网络通信工程。在S3C4510B的网络控制平台上移植了uCLinux操作系统，并在这个嵌入式平台上实现网络控制的各项功能。本文的叙述的网络通信工程就是其中最主要的功能。

1 基于S3C4510B以太网电路的设计思路与实现

作为一款优秀的网络控制器，基于S3C4510B的系统若没有以太网接口，其应用价值就会大打折扣，因此，就整个系统而言，以太网接口电路应是必不可少的，但同时也是相对较复杂的。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口（Physical Layer,PHY）两大部分构成。
S3C4510B内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口（Media Independent Interface,MII）和带缓冲DMA接口（Buffered DMA Interface,BDI），可在半双工或全双工模式下提供情报0M/100Mbps的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持CSMA/CD协议，在全双工模式下支持IEEE802.3MAC控制层协议。因此，S3C4510B内部实际上已包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，故需外接一片物理层芯片，以提供以太网的接入通道。

常用的单口10M/100Mbps高速以太网物理层接口器件主要有RTL8201、DM9161等，均提供MII接口和传统7线制网络接口，可方便地与S3C4510B接口。以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10BASE-TX编码/解码器和双绞线媒体访问单元等。

在该设计中，使用DP9161作为以太网的物理层接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10M和100M的以太网传输，它起编码、译码输入和输出数据的作用。它与S3C4510B的引脚连线如图图1所示。

由于S3C4510B片内已民用有带MII接口的MAC控制器，而DM9161也提供了MII接口，各种信号的定义也很明确，因此DM9161与S3C4510B的连接时序衔接，可以达到很好的网络信号传递的目的。图2为DM9161在本系统中的实际应用电路（图中右下方的1、2、3以及14、15、16分别与网络隔离变压器相应引脚相连）。

S3C4510B的MAC控制器可通过MDC/MDIO管理接口控制多达斡尔1个DM9161，每个DM9161应有不同的PHY地址（可从00001B～11111B）。当系统复位时，DM9161锁存引脚9、10、12、13、15的初始状态作为与S3C4510B管理接口通信工程的PHY地址；但该地址不能设为00000B，否则DM9161进入掉电模式。

信号的发送和接收端应通过网络隔离变压器和RJ45接口接入传输媒体，实际应用电路如图书室所示。

2 Linux下的网络编程协议分析

Linux下的TCP/IP网络协议栈的各层之间是通过一系列互相连接层的软件来实现Internet地址族的，结构层次如图4所示。

其中BSD socket层由专门用来处理BSD socket的通用套接字管理软件来处理，它由INET socket层来支持。INET socket为基于IP的协议TCP和UDP管理传输端点。UDP（用户数据报协议）是一个无连接协议，而TCP（传输控制协议）是一个可靠的端对端协议。传输UDP包的时候，Linux不知道也不关心它们是否安全到达了目的地。TCP则不同。在TCP连接的两端都需要加上一个编号，以保证传输的数据被正确接收。在IP层，实现了Internet协议代码，这些代码要给传输的数据加上一个IP头，并且知道如何把传入的IP包送给TCP或者UDP协议。在IP层以下，就是网络设备来支持所有的Linux网络工作，如PLIP、SLIP和以太网。

3 uClinux环境下的socket编程

网络的socket数据b传输是一种特殊的I/O，socket也是一种文件描述符，也具有一个类似文件的函数调用socket()。该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该socket函数实现的。常用的socket类型有两种：流式socket和数据报式socket。两者的区别在于：前者对应于TCP服务，后者对应于UDP服务。[page]

3．1 uCLinux中socket编程中用到的函数

（1） socket函数

为了执行I/O，一个进程必须做的第一件事情就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型（使用IPv4的TCP、使用IPv6的UDP、Unix域字节流协议等），其函数结构如下：int socket(int family,int type,int protocol);

/*返回：非负描述字—成功，-1—出错*/

代码中的family指明协议族。套接口的类型type是某个常值。一般来说，函数socket的参数protocol主设置为0，socket函数成功时返回一个小的非负整数值。为了得到这个数值，我们指定协议族（IPv4IP、v6或Unix）和套接口类型（字节流、数据报或原始套接口）。
（2）connect函数

TCP客户用connect函数来建立一个与TCP服务器的连接。

Int connect(int sockfd,const struct sockaddr* servaddr,socklen_t addrlen);/*返回：0—成功，-1—出错*/

Sockfd由socket函数返回数值，第二、第三个参数分别是一个批晌套接口地址结构的指针和该结构的大小。套接口叶址结构必须含有服务器的IP地址和端口号。

（3）bind函数

函数bind给套接口分配一个本地协议地址。对于网际协议，协议地址是非颠倒2位IPv4地址16位的TCP或UDP端口号的组合。

Int bind(int sockfd,const struct sockaddr* myaddr,socklen_t addrlen);/*返回：0—成功，-1—出错*/

第二个参数量个指向特定于协议地址结构的指针，第三个参数是该地址结构的长度。对于TCP，调用函数bind可以指定一个端口，指定一个IP地址。可以两者都指定，也可以一个也不指定。

（4）listen函数

函数listen仅被除数TCP服务器调用。它做两件事件事情，当函数socket创建一个套接口时，被假设为一个主动套接口。也就是说，它是一个将调用connect发起连接的客户套接口，函数listen将未连接的套接口转换成被动套接口，指示内核应接受指向此套接口的连接请求。根据TCP状态转换调用函数listen导致套接口从CLOSED状态转换到LISEN状态。函数的第二个参数规定了内核为此套接口排队的最大连接个数。

Int listen(int sockfd,int backlog);

/*返回：0—成功，-1—出错*/

一般来说，此函数应在调用函数socket和bind之后，调用函数accept之前调用。

（5）accept函数

accept函数由TCP服务器调用，从已完成连接队列头返回下一个已完成连接。若已完成连接队列为空，则进程睡眠。（假定套接口噗缺省的阻塞方式）

int accept(int sockfd,struct sockaddr*cliaddr,socklen_t*addrlen);/*返回非负数值—OK，-1—出错*/

参数cliaddr和addrlen用来返回连接对方进程（客户）的协议地址。Addrlen是结果参数，调用前，将由*addrlen所指示的整数值置为由cliaddr所旨的套接口地址结构的长度，返回时，此整数值即为由内核存在此套接口地址结构内的准确字节数。
3．2 uClinux中网络通信编程的实现

在uCLinux中进行socket编程，一般按照图书资料所示流程编写网络应用程序。

除了熟悉前文提出的函数外，还应知道两个重要的数据结构。因为在计算机中，数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。在互联网上，数据是以高位字节优先顺序传输的，所以对于在内部以低位字节优先方式存储的数据，需要进行转换才能在互联网上传输。[page]

*struct sockaddr:用来保存socket信息

struct sockaddr{unsigned short sa_family;/*地址族，AF_xxx*/

char sa_data[14]; /*14字节的协议地址*/}；

*struct sockaddr_in;和来进行数据类型的转换

struct sockaddr_in{

short int sin_family; /*地址族*/

unsigned short int sin_port; /*端口号*/

sruct in_addr sin_addr; /*IP地址*/

unsigned cha sin_zero[8]; /*填充0，以保持与struct sockaddr同样大小*/}；

至此，可经编出uCLinux的网络通信工程程序。在此给出部分uCLinux下实现网络通信源代码及其Makefile文件的编写实例。

main()函数中部分代码如下：

int sockfd;

unsigned int uiip;

char szsendbuf[1024];

char head[8];

int*phead=head+4,nsize=1024,allsize=0;

struct sockaddr_in servaddr;

sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*创建socket*/

bzero(&servaddr,sizeof(struct sockaddr_in));

servaddr.sin_family=AF_INET;

servaddr.sin_port=8888;//htons(8888); /*指定通信端口*/将命令行输入的字符串IP转换为connect函数可识别的整数uiip。本来在Linux上开发时可以使用C库函数inet_pton(),但在uCLinux的库中不支持该函数，因此只好自己实现该函数的功能。

aiptoi()如下所示：

aiptoi(argv[1],&uiip);

servaddr.sin_addr.s_addr=uiip; /*指定连接的对端IP*/

connect(sockfd,(struct sockaddr)&servaddr,sizeof(struct sockaddr));

/*连接对端接收代码*/

fp=fopen("kongzhi.htm","r"); /*打开控制页面*/

while(nsize==1024)

{bzero(szsendbuf,1024); /*每次从文件中读取巧024个字节发送出去，若读出少于1024字节结束*/

nsize=phead=fread(szsendbuf,1,1024,fp);/*从文件中读取并填入发送BUFFER中*/

write(sockfd,head,8);/*发送协议头*/
nsize=write(sockfd,szsendbuf,nsize);/*发送*/}

fclose(fp);

uCLinux中的Makefile需做的修改如下：

CC=gcc

COFF2FLAT=/uclinux/coff2flt-0.3/coff2flt

CFLAGS=-I/uclinux/uC-libc-pic/include

LDFLAGS=/uclinux/uC-libc-pic/libc.a

ethernet:Ethernet.o

$(CC)-o $@.coff ethernet.c $(CFLAGS)$(LDFLAGS)

$(COFF2FLAT)-o Ethernet ethernet.coff

cp Ethernet /Ethernet

clean:

rm -f Ethernet Ethernet.o

需要注意的是：①uCLinux中不带有pthread库，在编写网络程序要切记；②在uCLinux环境下，处理器（硬件）和内核黄素（软件）均不提供内存管理机制，所以程序的地址空间等同于内存的物理地址空间。在程序中可直接对I/O地址进行操作，而不需要申请和释放I/O空间，但需要用户自己来检查所操作的I/O地址的占用情况。

结语

由于网络通信工程广泛应用在嵌入式设备中，以往的文章只是泛泛地叙述网络通信设计的某一个方面。本文结合实际工程项目，从硬件电路的搭建、应用软件的设计要点。这对于在嵌入式设备中，特别是基于uCLinux的系统中应用网络通信有重要的参考意义。

参考文献:
[1]. S3C4510B datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/S3C4510B_589499.html.
[2]. DM9161 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/DM9161_264516.html.
[3]. RISC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[4]. ARM7TDMI datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[5]. RTL8201 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RTL8201_586322.html.
[6]. 100M datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/100M_2509927.html.