2021年03月05日 | 基于MC9328MXl的Socket通信设计与实现

1 引言

目前，嵌入式系统已经广泛应用到人们的工作、生活中，2003年我国嵌入式系统应用产品经济总量达l 000亿元。随着技术的发展，8位MCU市场已逐步趋向稳定，32位MPU代表着嵌入式技术的发展方向，正在加速发长。在32位嵌入式微处理器市场上，基于ARM内核的微处理器处于绝对的领导地位。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统除了具有高效、稳定、性能专一等优点外，还具有实时性较高的操作系统。嵌入式系统与通信、网络技术的结合可以极大增强网络的智能化与灵话性，拓展通信功能，从而实现各种通信系统之间的互联互通。本文给出了一种适合于中/低端应用的通信平台设计方案，它可支持以太网之间的数据传输，并且具有RS232、RS485、USB等接口。文中围绕嵌入式Linux环境设计了基于MC9328MXl(ARM920T)最小系统的硬件通信平台，从而实现了嵌入式Socket通信。

2 最小系统分析

Motorola公司的MC9328MXl是以ARM920T为内核的高性价比16/32位RISC微控制器，内含一个ARM公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器核，ARM920T为低功耗，高性能16/32位核，最适合于对价格及功耗敏感的应用场合。除了ARM920T核以外，MC9328MXl还包含了许多外围功能模块。处理器和这些模块都集成在核心板上，其具体结构如图1所示。

由图1可见，除了ARM920TDMI内核外，MC9328MXl还集成了多个外围功能模块：一个LCD控制器、一个脉冲调制控制器、一个USB控制器及多个扩展通道，但是没有集成用于网络通信的以太网控制器。所以，需要设计包含合适的以太网控制器的外围电路。

3 外围电路设计

本系统选用与MC9328MXl相匹配的CS8900A作为以太网控制器。CS8900A是Cirrus Logic公司生产的低功耗16位以太网控制器，功能强大。该器件的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。

CS8900A内部结构框图如图2所示，内部功能模块主要是802.3介质访问控制块(MAC)。802.3介质访问控制块支持全双工工作模式，完全依照IEEE802.3以太网标准，采用100引脚TQFP封装，负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，包括：冲突检测、帧头的产生和检测、CRC校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器(TxCMD)的初始化配置，MAC能自动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于46个字节，它能生成填充字段使数据帧达到802.3所要求的最短长度。

CS8900A的主要特点如下：

符合IEEE802.3以太网标准，并带有ISA接口；

片内4KB RAM；

适用于I/O工作模式、存储器工作模式和DMA工作模式；

带有传送、接收低通滤波的lOBase2T连接端口；

支持lOBase2，lOBase5和lOBase2F的AUI接口；

自动生成报头，自动进行CRC检验，冲突后自动重发；

最大电流消耗为55mA(5 V电源)；

全双工工作模式；

支持外部EEPROM。

另外，要实现CS8900A与主机之间的数据通讯，在电路设计时可根据具体情况灵活选择合适的数据传输模式。CS8900A支持的传输模式有：I/O模式和Memory模式，另外还有DMA模式。其中，I/O模式是访问CS8900A存储区的缺省模式，简单易用。

由MC9328MXl的引脚描述可以看出，MCU的数据是通过D[3l：0]传输的，而以太网控制器CS8900A最多使用16位传输模式，所以MC9328MXl的数据总线前16位(D[15：0])应与CS8900A的SD[O：15]相连，为解决速度不匹配的问题，需使用具有缓冲功能的总线收发器。从成本考虑，该系统采用两个8位的74LS245。地址信息通过MC9328MXI地址总线接口的A[DO：03]与CS8900A的SA[00：03]通过缓冲器74HC244相连，A[04：19]与SA[04：19]直接相连用于设置网卡的初始基址。另外，CS8900A通过一个带扼流线圈的隔离变压器20F001N将CPU发送的数据(变比为l：1.414)发送到网络上；接收数据时，网络传送的数据经过隔离变压器(变比为1：1)。隔离变压器的作用主要是将外部线路与CS8900A隔开，防止干扰和烧坏元件，实现带电的插拔功能。XTALl与XTAL2之间的晶振为CS8900A提供稳定的时钟脉冲。其电路图如图3所示。

4 基于嵌入式Linux的Socket通信

基于嵌入式Linux的开发环境一般由装有交叉编译器的PC机和硬件开发板组成。本设计以PC宿主机作为客户端，以MC9328MXl的开发板作为服务器实现通信。先由PC机将客户机程序(server)编译好后，通过串口写入开发板，然后将开发板与PC机通过以太网口建立连接。

Socket(套接字)是通过标准UNIX文件描述符和其他程序通讯的一个方法，其实质是提供了进程通信的端点，可以看作是一种特殊的管道。通过Sock-et编程可以实现网络通信。一个完整的套接字有一个相关的描述：协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端口。

通用套接口地址结构struct sockaddr的定义如下：

套接字操作函数主要有：

(1)创建一个Sockets

sockfd=socket (family，type，protocol)

其中由地址类(family)参数指定该Socket使用的地址类。由类型(type)参数规定所请求的通信类型。协议(protocol)参数一般为零，使得默认的协议将自动被选取。

(2)连接本地地址

本函数的主要功能是将一个规定的地址与一个Sockets结合，一个服务进程要使用如下函数：bind(sockfd，address，addrlen)其中，sockfd参数是由socket()调用返回的sockets描述符。address指向一个地址结构，addrlen参数规定了地址的字节长度。

(3)客户进程连接到服务进程

用此函数实现客户进程对服务进程连接的初始化。此系统调用是：

connect(sockfd，address，addrlen)

其中，sockfd是本地Sockets的Sockets描述符。address规定目的机上服务进程正在使用的地址，addrlen规定了地址的字节长度。

当connect()函数被调用时，如果客户的Sockets还没有结合到一个本地地址，则系统自动选择一个本地地址和一个适当的端口号，并且把它们和该客户的Sockets相结合。

(4)网络监听

int listen(int sockfd，int backlog)；

sockfd是Socket系统调用返回的Socket描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept ()(参考下文)。backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该Socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。当出现错误时listen函数返回-l，并置相应的errno错误码。

(5)接收请求函数

accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。

int accept(int sockfd，void*addr，int*addrlen)；

sockfd是被监听的Socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息；addrlen通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。

(6)数据传输

Send()和Recv()这两个函数应用于面向连接的Socket上进行数据传输。

Send()函数原型为：int send(int sockfd，const void*msg，int len，int flags)；sockfd是用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；len是以字节为单位的数据长度；flags一般情况下置为0。

Recv ()函数原型为：int Recv(int sockfd，void*buf int len，unsigned int flags)；sockfd是接受数据的Socket描述符；buf是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。flags也被置为O。Recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。

本部分设计的目的是通过分析Socket的编程方法，编写一个服务器程序server，用arm-linux-gcc编译后运行在ARM开发板上，一个客户端程序client用gcc编译后在PC上运行。

总体编程模型即客户机与服务器的通信过程见图4。

4.1 服务器端

(1)初始化

4.2 客户机端

(1)通过服务器域名获得服务器的IP地址

(2)创建一个Socket(实现方法与服务器端相同)

(3)与服务器建立连接

这样，给ARM开发板CS8900A网卡分配地址，并且编译server和client程序后，可以将开发板用作服务器，PC用作客户端，实现两者的通信。

5 结束语

本文设计开发了基于MC9328MXl的以太网通信系统，并利用嵌入式linux操作系统强大的网络功能实现了Socket通信。文中的客户端应用程序已经在基于ARM9TDMI核的MC9328MXl处理器的嵌入式开发平台上成功运行，应用宿主PC机的服务器端应用程序成功实现了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。