基于MC9328MXl的以太网通信系统开发
eeskill 2021-10-22

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。

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