基于uCLinux和S3C4510B的网络通信设计_嵌入式系统论文
关键词：uclinux s3c4510b 网络通信 dm9161 嵌入式系统
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。
图2
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*/
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。
*struct sockaddr:用来保存socket
struct sockaddr{unsigned short sa_family;/*地址族，af_xxx*/
char sa_data[14]; /*14字节的协议地址*