PXA270嵌入式系统在Socket通信的应用

　　1  引言

　　英特尔公司于2003年底推出了性能为强劲的PXA27x系列嵌入式处理器，PXA27x系列嵌入式处理器基于ARMv5E的Xscale，频率可达624MHz.作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器，配合嵌入式Linux或Wince操作系统，PXA270理论上可以支持任何媒体格式，并通过软件升级，支持未来媒体格式。它初出现在PDA（比如惠普HP4700）和智能手机（如MOTO E680）上。因此它的扩展接口相当丰富，扩展接口有SD/SDIO/MMC、CF/PCMCIA、CMOS/CCD CAMERA、蓝牙、USB1.1、OTG等。

　　Socket接口是TCP/IP网络的API,Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。Socket接口设计者是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O,Socket也是一种文件描述符。

　　2 系统设计

　　系统的设计分为服务器端和客户端设计两部分，服务器端为运行Linux操作系统的PC机，客户端为PXA270系统，在该系统中移植和构建Linux嵌入式操作系统，两者通过Switch交换机进行网络通信。

　　2.1 系统工作原理

　　在Linux 操作系统中，Socket 属于文件系统的一部分，网络通信可以被看作是对文件的读取。Linux 拥有POSIX 标准库函数，Socket（）、Bind（）、Sendto（）、Recvfrom（）等库函数可以方便地实现客户/ 服务器模型中数据的传送与接收。系统设计主要的目的是完成服务器和客户端网络通信的实现。首先启动宿主机和客户机的操作系统Linux,然后每个模块加载网络设备驱动程序，通过TCP/IP协议建立双方的通信链路，完成Socket通信，详细情况如图1所示。

　　2.2  嵌入式TCP/IP协议架构

　　TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）的简写，中文译名为传输控制协议/因特网互联协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet基本的协议、Internet国际互联网络的基础，简单地说，就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。TCP/IP定义了电子设备（比如计算机）如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP/IP是一个四层的分层体系结构。高层为传输控制协议，它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包。低层是网际协议，它处理每个包的地址部分，使这些包正确的到达目的地。

　　嵌入式系统作为TCP服务器，在三次握手建立连接的过程中，嵌入式系统作为监听状态的服务器，处于LISTEN状态，等待对方发起连接。当它接收到SYN数据片，立即发出SYN+ACK的数据片确认收到对方的SYN,此时变为SYN_ RECEIVED状态。再接收到对方返回的一个包含ACK的空数据片则三次握手完成，进入ESTABLISHED状态，进行TCP数据通讯。

图1  系统的原理示意图

　　嵌入式系统建立连接时初始化序列号，然后根据对方发包中的值来确定序列号，不记忆序列号，不能识别重复报文。嵌入式服务器仅仅在服务器端响应客户端的请求，接收一个发送一个确认回答，不考虑失序问题。同时接收到TCP请求后，将存储于发送缓冲区中的数据立即发送即可，只需一个数据包就能完成，也不需考虑失序问题。

　　因为嵌入式系统采用滑动窗口为1的传输方式，即发送数据包就等待返回应答，因此当接收不到确认包，就认为自己发送的包丢失，直接发送上次发送的数据。TCP的连接中，当客户机异常导致连接崩溃时，嵌入式系统发数据时会被回复复位信号，回到初始状态。嵌入式TCP/IP协议如图2所示。

　　嵌入式系统是"控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置"（devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、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。

　　3  客户端/服务器端功能设计

　　在TCP/IP网络中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式，即客户端向服务器端发出服务请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式。

图2  嵌入式TCP/IP图解

　　3.1  客户端程序设计

　　socket是面向客户/服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的socket系统调用。客户随机申请一个socket（相当于一个想打电话的人可以在任何一台入网电话上拨号呼叫），系统为之分配一个socket号；服务器拥有全局公认的socket,任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求（相当于一个被呼叫的电话拥有一个呼叫方知道的电话号码）。

　　客户端可以向服务器端发送连接请求，并且客户端也可以接收到来自服务器端发送回来的数据。客户端可以判断当前自己的工作状态，如连接的建立，启动的成功和数据包通信的个数等。客户端程序设计主要按以下的步骤完成函数的调用：

　　①建立自己的Socket（并验证建立成功）；

　　②启动连接（并验证建立成功）；

　　③返回连接信息；

　　④接收收到的数据；

　　⑤判断数据的属性。

　　客户端程序设计的程序基本流程如图3所示。

 

图3  客户端程序简单示意图

　　客户端打开通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口，向服务器发送请求报文，等待并接收应答，请求结束后关闭通信通道并终止通信。客户端主要程序如下：

　　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）；    //建立一个套接字

　　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））；

　　//调用connect函数连接服务器端

　　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]）

　　//打印服务器IP地址和端口号

　　while（1）

　　bzero（gotbuffer,long）；

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

　　//调用阻塞函数

　　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）；

　　3.2  服务器端程序设计

　　服务器端可以快速的做出客户端的连接请求反映，服务器端反映来自客户端的连接参数，如连接的IP、连接时间、连接的当前状态等。服务器启动后根据请求提供以下服务：

　　①打开通信通道并告知本地主机，在某一公认地址上接收客户请求；

　　②等待客户请求到达该端口；

　　③接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号；

　　④返回第二步，等待另一客户请求；

　　⑤关闭服务器。

　　服务器端程序设计的流程如图4所示。

　　客户端与服务器端进程的作用是非对称的，因此编码不同。同时，服务器进程一般是先于客户请求请求而启动的，只要系统运行，该服务进程一直存在，直到正常或强迫终止。服务器端主要程序如下：

　　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）；

图4  服务器端程序简单示意图

　　{ 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）；                        //调用监听函数

　　sin_size=sizeof（struct sockaddr_in）；

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

　　//调用接收函数

　　if（newsocket==-1）

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

　　return（0）；         //建立新的socket失败返回

　　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（）；           //调用fork（）建立子进程

　　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）； //发送数据

　　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  应用与测试

图5  数据发送验证客户端

    
　　系统测试前，服务器端通过以太网和客户端实现连接。客户端构建了linux嵌入式操作系统，客户端的程序通过嵌入式交叉编译环境进行调试。测试前应保证网络的顺畅和串口的操作正常。

　　启动服务器端，运行Linux操作系统，并建立新的用户终端，然后运行服务器端socket通信程序。

　　启动客户端，运行Linux嵌入式操作系统，配置IP地址为192.168.15.15,运行客户端socket通信程序。

　　服务器端和客户端连接，在服务器端会有详细的连接请求显示出来，如IP地址、服务器当前状态，通信模式等。服务器开始发送数据，客户端开始接收来自服务器的数据，验证是否正确。图5为数据发送验证客户端。

　　5  结论

　　通过在PXA270中增加嵌入式操作系统Linux的基础上实现一个较为简单的网络通信模块，验证了嵌入式系统socket通行的可行性，实现嵌入式系统基于TCP/IP协议的网络接入，针对各种智能设备如家用电器、工业控制装置或仪器、安全监控系统、汽车电子接入互联网变得简单容易。