1 引言

英特爾公司于2003年底推出了性能最為強(qiáng)勁的PXA27x系列嵌入式處理器，PXA27x系列嵌入式處理器基于ARMv5E的Xscale核心，最高頻率可達(dá)624MHz.作為一款性能極其強(qiáng)勁的嵌入式處理器，配合嵌入式Linux或Wince操作系統(tǒng)，PXA270理論上可以支持任何媒體格式，并通過(guò)軟件升級(jí)，支持未來(lái)媒體格式。它最初出現(xiàn)在PDA(比如惠普HP4700)和智能手機(jī)(如MOTO E680)上。因此它的擴(kuò)展接口相當(dāng)豐富，擴(kuò)展接口有SD/SDIO/MMC、CF/PCMCIA、CMOS/CCD CAMERA、藍(lán)牙、USB1.1、OTG等。

Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API,socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來(lái)開(kāi)發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。要學(xué)Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須理解Socket接口。Socket接口設(shè)計(jì)者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O,Socket也是一種文件描述符。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為服務(wù)器端和客戶(hù)端設(shè)計(jì)兩部分，服務(wù)器端為運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)，客戶(hù)端為PXA270系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中移植和構(gòu)建Linux嵌入式操作系統(tǒng)，兩者通過(guò)Switch交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

2.1 系統(tǒng)工作原理

在Linux 操作系統(tǒng)中，Socket 屬于文件系統(tǒng)的一部分，網(wǎng)絡(luò)通信可以被看作是對(duì)文件的讀取。Linux 擁有POSIX 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，Socket()、Bind()、Sendto()、Recvfrom()等庫(kù)函數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)客戶(hù)/ 服務(wù)器模型中數(shù)據(jù)的傳送與接收。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要的目的是完成服務(wù)器和客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。首先啟動(dòng)宿主機(jī)和客戶(hù)機(jī)的操作系統(tǒng)Linux,然后每個(gè)模塊加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，最后通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立雙方的通信鏈路，完成Socket通信，詳細(xì)情況如圖1所示。

2.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議架構(gòu)

TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)的簡(jiǎn)寫(xiě)，中文譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又叫網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議、Internet國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成的。TCP/IP定義了電子設(shè)備(比如計(jì)算機(jī))如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是一個(gè)四層的分層體系結(jié)構(gòu)。高層為傳輸控制協(xié)議，它負(fù)責(zé)聚集信息或把文件拆分成更小的包。低層是網(wǎng)際協(xié)議，它處理每個(gè)包的地址部分，使這些包正確的到達(dá)目的地。

嵌入式系統(tǒng)作為T(mén)CP服務(wù)器，在三次握手建立連接的過(guò)程中，嵌入式系統(tǒng)作為監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的服務(wù)器，處于LISTEN狀態(tài)，等待對(duì)方發(fā)起連接。當(dāng)它接收到SYN數(shù)據(jù)片，立即發(fā)出SYN+ACK的數(shù)據(jù)片確認(rèn)收到對(duì)方的SYN,此時(shí)變?yōu)镾YN_ RECEIVED狀態(tài)。再接收到對(duì)方返回的一個(gè)包含ACK的空數(shù)據(jù)片則三次握手完成，進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，最后進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通訊。

圖1 系統(tǒng)的原理示意圖

嵌入式系統(tǒng)建立連接時(shí)初始化序列號(hào)，然后根據(jù)對(duì)方發(fā)包中的值來(lái)確定序列號(hào)，不記憶序列號(hào)，不能識(shí)別重復(fù)報(bào)文。嵌入式服務(wù)器僅僅在服務(wù)器端響應(yīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求，接收一個(gè)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)回答，不考慮失序問(wèn)題。同時(shí)接收到TCP請(qǐng)求后，將存儲(chǔ)于發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)立即發(fā)送即可，只需一個(gè)數(shù)據(jù)包就能完成，也不需考慮失序問(wèn)題。

因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)采用滑動(dòng)窗口為1的傳輸方式，即發(fā)送一次數(shù)據(jù)包就等待返回應(yīng)答，因此當(dāng)接收不到確認(rèn)包，就認(rèn)為自己發(fā)送的包丟失，直接發(fā)送上次發(fā)送的數(shù)據(jù)。TCP的連接中，當(dāng)客戶(hù)機(jī)異常導(dǎo)致連接崩潰時(shí)，嵌入式系統(tǒng)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)被回復(fù)復(fù)位信號(hào)，回到初始狀態(tài)。嵌入式TCP/IP協(xié)議如圖2所示。

嵌入式系統(tǒng)是"控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置"(devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants)。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3 客戶(hù)端/服務(wù)器端功能設(shè)計(jì)

在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，通信的兩個(gè)進(jìn)程間相互作用的主要模式是客戶(hù)/服務(wù)器模式，即客戶(hù)端向服務(wù)器端發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，提供相應(yīng)的服務(wù)?？蛻?hù)/服務(wù)器模式在操作過(guò)程中采取的是主動(dòng)請(qǐng)求方式。

圖2 嵌入式TCP/IP圖解

3.1 客戶(hù)端程序設(shè)計(jì)

socket是面向客戶(hù)/服務(wù)器模型而設(shè)計(jì)的，針對(duì)客戶(hù)和服務(wù)器程序提供不同的socket系統(tǒng)調(diào)用。客戶(hù)隨機(jī)申請(qǐng)一個(gè)socket(相當(dāng)于一個(gè)想打電話的人可以在任何一臺(tái)入網(wǎng)電話上撥號(hào)呼叫)，系統(tǒng)為之分配一個(gè)socket號(hào);服務(wù)器擁有全局公認(rèn)的socket,任何客戶(hù)都可以向它發(fā)出連接請(qǐng)求和信息請(qǐng)求(相當(dāng)于一個(gè)被呼叫的電話擁有一個(gè)呼叫方知道的電話號(hào)碼)。

客戶(hù)端可以向服務(wù)器端發(fā)送連接請(qǐng)求，并且客戶(hù)端也可以接收到來(lái)自服務(wù)器端發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)?？蛻?hù)端可以判斷當(dāng)前自己的工作狀態(tài)，如連接的建立，啟動(dòng)的成功和數(shù)據(jù)包通信的個(gè)數(shù)等?？蛻?hù)端程序設(shè)計(jì)主要按以下的步驟完成函數(shù)的調(diào)用：

①建立自己的Socket(并驗(yàn)證建立成功);

②啟動(dòng)連接(并驗(yàn)證建立成功);

③返回連接信息;

④接收收到的數(shù)據(jù);

⑤判斷數(shù)據(jù)的屬性。

客戶(hù)端程序設(shè)計(jì)的程序基本流程如圖3所示。

圖3 客戶(hù)端程序簡(jiǎn)單示意圖

客戶(hù)端打開(kāi)通信通道，并連接到服務(wù)器所在主機(jī)的特定端口，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，等待并接收應(yīng)答，請(qǐng)求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止通信?？蛻?hù)端主要程序如下：

Int main(int argc,char *argv[])

if(argc!=3)

printf("error!!!please enter the remote IP and PORT please!!! the form like 192.168.0.* 4000\n");

mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //建立一個(gè)套接字

if(mysocket==-1)

printf("error!!! failed to created the new socket,program end here\n");

printf("OK-- you have successful created a socket named mysocket\n");

return(0); //socket 建立不成功，回初始位置

connectcheck=connect(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,sizeof(struct sockaddr));

//調(diào)用connect函數(shù)連接服務(wù)器端

if(connectcheck==-1)

printf("error!!!sorry you have failed to connect the remote server!!try again !program end here\n");

// connect不成功回初始位置

printf("OK-- Now you have successful connect the server,this server IP =%s,and it's PORT =%s,now you can communicat with this server!!!!!!!\n ",argv[1],argv[2])

//打印服務(wù)器IP地址和端口號(hào)

while(1)

bzero(gotbuffer,long);

number=recv(mysocket,gotbuffer,long,0);

//調(diào)用阻塞函數(shù)

if(number==-1)

printf("error!!! some thing wrong !let you can not got the data form server,program end here\n");

return(0);

gotbuffer[number]='\0';

close(mysocket);[!--empirenews.page--]

3.2 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器端可以快速的做出客戶(hù)端的連接請(qǐng)求反映，服務(wù)器端反映來(lái)自客戶(hù)端的連接參數(shù)，如連接的IP、連接時(shí)間、連接的當(dāng)前狀態(tài)等。服務(wù)器啟動(dòng)后根據(jù)請(qǐng)求提供以下服務(wù)：

①打開(kāi)通信通道并告知本地主機(jī)，在某一公認(rèn)地址上接收客戶(hù)請(qǐng)求;

②等待客戶(hù)請(qǐng)求到達(dá)該端口;

③接收到重復(fù)服務(wù)請(qǐng)求，處理該請(qǐng)求并發(fā)送應(yīng)答信號(hào);

④返回第二步，等待另一客戶(hù)請(qǐng)求;

⑤關(guān)閉服務(wù)器。

服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

客戶(hù)端與服務(wù)器端進(jìn)程的作用是非對(duì)稱(chēng)的，因此編碼不同。同時(shí)，服務(wù)器進(jìn)程一般是先于客戶(hù)請(qǐng)求請(qǐng)求而啟動(dòng)的，只要系統(tǒng)運(yùn)行，該服務(wù)進(jìn)程一直存在，直到正?；驈?qiáng)迫終止。服務(wù)器端主要程序如下：

mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

//建立新的套接字

if(mysocket==-1)

printf("error!!! failed to created mysocket\n");

return(0); //socket建立不成功，回初始位置

mybindcheck=bind(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_local,sizeof(struct sockaddr));

if(mybindcheck==-1)

printf("error!!!failed to bind the IP and port with mysocket\n");

return(0);

圖4 服務(wù)器端程序簡(jiǎn)單示意圖

{ printf("OK--you have successed bind your IP with port %d\n",port);

listencheck=listen(mysocket,howmany);

if(listencheck==-1)

printf("error!!! you have failed listen this port,program end here\n");

return(0); //調(diào)用監(jiān)聽(tīng)函數(shù)

sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);

newsocket=accept(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,&sin_size);

//調(diào)用接收函數(shù)

if(newsocket==-1)

printf("error!!!failed to got remote connect this server,program end here\n");

return(0); //建立新的socket失敗返回

printf("OK-- now have created the newsocket to use this own connection,use this communicate with clint%s\n",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr)，port);

printf("OK-- server have successed got connect from clint IP = %s,port = %d,now connecting is running;\n",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr)，port)

pid_t pid;

pid=fork(); //調(diào)用fork()建立子進(jìn)程

if(pid>0)

printf("OK-- i am a father procces,child proccess will continue for you,it's ID= %d,now end newsock and use old socket to listen again…… \n",pid);

close(newsocket);

printf("OK-- i am a child procces,i am responsible for this new communicate,blow i will do for connect\n");

printf("OK-- please enter your data which you want to send n");

while(1)

bzero(sendbuffer,long);

scanf("%s",sendbuffer);

sendcheck=send(newsocket,sendbuffer,strlen(sendbuffer)，0); //發(fā)送數(shù)據(jù)

if(sendcheck==-1)

printf("error!!!failed to send to remote\n");

close(newsocket);

else

printf("OK--now you have send %d byte data to remote!!!pleases send again!!!!\n",sendcheck);

4 應(yīng)用與測(cè)試

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送驗(yàn)證客戶(hù)端

系統(tǒng)測(cè)試前，服務(wù)器端通過(guò)以太網(wǎng)和客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)連接。客戶(hù)端構(gòu)建了linux嵌入式操作系統(tǒng)，客戶(hù)端的程序通過(guò)嵌入式交叉編譯環(huán)境進(jìn)行調(diào)試。測(cè)試前應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)的順暢和串口的操作正常。

啟動(dòng)服務(wù)器端，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并建立新的用戶(hù)終端，然后運(yùn)行服務(wù)器端socket通信程序。

啟動(dòng)客戶(hù)端，運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，配置IP地址為192.168.15.15,運(yùn)行客戶(hù)端socket通信程序。

服務(wù)器端和客戶(hù)端連接，在服務(wù)器端會(huì)有詳細(xì)的連接請(qǐng)求顯示出來(lái)，如IP地址、服務(wù)器當(dāng)前狀態(tài)，通信模式等。服務(wù)器開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶(hù)端開(kāi)始接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證是否正確。圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送驗(yàn)證客戶(hù)端。

5 結(jié)論

通過(guò)在PXA270中增加嵌入式操作系統(tǒng)Linux的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，驗(yàn)證了嵌入式系統(tǒng)socket通行的可行性，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入，針對(duì)各種智能設(shè)備如家用電器、工業(yè)控制裝置或儀器、安全監(jiān)控系統(tǒng)、汽車(chē)電子接入互聯(lián)網(wǎng)變得簡(jiǎn)單容易。