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标题: 基于uCLinux和ARM7的网络通信设计 01 [打印本页]

作者: samwalton 时间: 2013-8-1 06:37 标题: 基于uCLinux和ARM7的网络通信设计 01

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。

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*/

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