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0.引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，嵌入式軟件開發(fā)變得日趨重要。嵌入式軟件開發(fā)有別于桌面軟件開發(fā)，其顯著特點是軟件開發(fā)的調試過程采用宿主機/目標機的模式進行，其交叉調試器分為宿主機和目標機兩部分，因此在軟件調試過程中就需要進行主機與目標機之間的通信。
目前宿主機與目標機之間的通信方式主要有串口方式、以太網接口方式和USB接口方式三種，其中串口通信實現簡單，穩(wěn)定可靠，是目前廣泛使用的通信方式，但是串口通信存在著速度慢、通信距離受限等弊端，而以太網接口方式則可以克服串口方式的不足，不僅可提供穩(wěn)定可靠的數據傳輸，而且無論是傳輸速度還是傳輸距離都遠遠優(yōu)于串口方式，是一種快速高效的通信方式。目前網絡通信協(xié)議的發(fā)展已經相當成熟，Internet工程委員會IETF及其下屬的管理組IESG在RFC文擋中已經明確定義了Internet協(xié)議族的規(guī)范，該規(guī)范已經成為一種標準在Internet中廣泛應用。本文根據此規(guī)范討論了在嵌入式調試器中如何實現以太網接口通信，給出了一種基于嵌入式調試器的網絡通信方法。
1.硬件結構
S3C4510B是三星公司開發(fā)的一款16/32位RISC嵌入式處理器，芯片內部集成了一個10Mbps/100Mvps以太網控制器，網卡芯片采用的是RTL8201。以太網控制器主要分為BDMA控制器和MAC子層兩部分，該控制器工作于MAC層，兼容IEEE802.3協(xié)議標準，支持半雙工或全雙工模式，采用介質獨立接口（MII）與網卡芯片通信。
2.通信協(xié)議
在嵌入式調試器的通信中，主機向目標機發(fā)送命令，目標機接收、執(zhí)行命令并將結果返回主機，網口通信主要是面向數據和字符串傳輸的，因此在通信中主要用到IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議。要通過網絡調試目標機，那么目標機IP地址的設置是必不可少的，因此目標機還需要實現BOOTP協(xié)議，通過BOOTP協(xié)議向主機申請本機IP地址，完成IP地址的配置。
BOOTP協(xié)議即引導程序協(xié)議，是一種基于UDP/IP的協(xié)議，主要用于客戶機從服務器獲得本機IP地址、服務器IP地址及其它配置信息，如本地子網掩碼等。UDP協(xié)議即用戶數據報協(xié)議，是一個簡單的面向數據報的傳輸協(xié)議，與TCP不同，UDP不提供對IP協(xié)議的可靠機制、流控制以及錯誤恢復功能，所以實現起來比較簡單，且不影響傳輸速度，適用于嵌入式系統(tǒng)。IP協(xié)議即網際協(xié)議，是網絡上實現數據傳輸的基礎，所有的TCP、UDP數據都以IP數據報格式傳輸，該協(xié)議提供了一種高效不可靠的無連接傳輸方式。ARP協(xié)議即地址解析協(xié)議，為IP地址與對應的物理地址提供映射。
3. 網絡通信程序實現
具體的程序實現主要包括網口驅動和通信協(xié)議兩部分，網口驅動即初始化S3C4510B的硬件，主要是以太網控制器和收發(fā)緩沖的設置；網絡協(xié)議的實現主要是完成數據的收發(fā)，保證目標板接入以太網。程序實現流程如圖1所示。
圖1 程序實現流程圖
3.1網口驅動實現
網口驅動的實現主要是針對具體的開發(fā)板所做的硬件初始化，配置硬件工作環(huán)境。
3.1.1管理網卡芯片
在4510開發(fā)板中由MAC層的狀態(tài)管理控制機通過MII接口來讀取和設置網卡的工作狀態(tài)，物理設備地址及其內部寄存器地址存放在站管理控制與地址寄存器STACON中，而要設置或讀取的數據則放在站管理數據寄存器STADATA中。
在實際應用中，網卡的MAC地址可以從ICC EEPROM中讀取，也可自行設定，只要保證在同一局域網內該地址的唯一性即可。
3.1.2初始化以太網控制器
①關閉MAC、BDMA收發(fā)中斷，保證初始化程序的順利進行。
②設置MAC、BDMA中斷向量表。S3C4510B中共有21個中斷源，MAC和BDMA發(fā)送/接收中斷源占用16～19四個中斷號。
③設置MAC、BDMA控制器的初始值，即初始化BDMA接收/發(fā)送控制寄存器和MAC接收/控制寄存器，具體收發(fā)細節(jié)。
④配置以太網的收發(fā)緩沖區(qū)。發(fā)送幀和接收幀的幀描述符起始地址分別存放在寄存器BDMATXPTR和BDMARXPTR中，在BDMA的操作過程中它們會更新為下一個幀地址。其中，幀描述符定義為結構類型，結構體成員描述了幀信息。
⑤使能BDMA接收中斷和MAC發(fā)送中斷。將中斷屏蔽寄存器INTMSK中的相應位清零，響應BDMA和MAC中斷請求。
3.1.3收發(fā)以太數據幀
①發(fā)送以太數據幀：調用發(fā)送函數DrvEthWrite()，從BDMATXPTR中獲得發(fā)送幀地址，為發(fā)送幀緩沖賦值，將數據幀的控制權交給BDMA控制器，以太網控制器自動為發(fā)送數據加上同步位、分割位、校驗位以及填充字段并將以太幀發(fā)送出去。
②接收以太數據幀：接收時產生BDMA接收中斷，中斷處理函數BDMA_Rx_isr()完成數據的接收，并做相關的處理，如清楚中斷標志位、檢查數據幀的所有權、獲取下一個未處理的幀結構指針等。
部分主要程序如下：
/*配置物理設備*/
MIIWrite(0x0, 0x2, 1<<13|1<<8);/*設置物理設備的狀態(tài)*/
status = MIIRead(0x1, 0x0);/*讀取物理設備的狀態(tài)*/
/*配置MAC地址*/
GetMyMacAddr():
/*關閉收發(fā)中斷*/
Disable_Int(nMAC_RX_INT);
Disable_Int(nMAC_TX_INT);
Disable_Int(nBDMA_RX_INT);
Disable_Int(nBDMA_TX_INT);
/*設置MAC發(fā)送中斷和BDMA接收中斷向量*/
SetInterrupt(nMAC_TX_INT, MAC_Tx_isr);
SetInterrupt(nBDMA_RX_INT, BDMA_Rx_isr);
/*初始化MAC、BDMA控制器*/
BDMARXCON = BRxRS; /*設置BDMA接收控制寄存器*/
BDMATXCON = BTxRS; /*設置BDMA發(fā)送控制寄存器*/
MACCON = Reset; /*復位MAC控制寄存器*/
BDMARXLSZ = MaxRxFrameSize+40; /*接收幀的最大尺寸*/
MACON = gMacCon; /*設置為全雙工方式*/
/*配置以太網的收發(fā)緩沖*/
TxFDInitialize();
RxFDInitialize();
/*使能BDMA接收中斷和MAC發(fā)送中斷*/
Enable_Int(nBDMA_RX_INT);
Enable_Int(nMAC_TX_INT);
3.2通信協(xié)議實現
本文采用結構類型定義數據結構bootphdr、Udphdr、ip和arphdr，分別用來記錄BOOTP、UDP、IP和ARP協(xié)議數據報報頭的各種信息。
3.2.1配置目標機IP地址
目標機首先向主機發(fā)送BOOTP請求，主機運行DHCP服務為目標機分配IP地址，向目標機發(fā)送BOOTP應答包，目標機收到應答包后，按照協(xié)議格式獲取主機和本機的IP地址以及其它相關信息。
①生成BOOTP請求。初始化bootphdr中各個結構體成員的值，客戶IP地址和主機IP地址分別設為0.0.0.0和255.255.255.255，在系統(tǒng)進行引導時0.0.0.0是一個有效的IP地址，目標機在不知道目的主機的IP地址時可以使用廣播地址255.255.255.255,以廣播的方式發(fā)送BOOTP請求。MAC地址已在初始化時獲得，并存放在全局變量MyMacSrcAddr中，其它成員變量可以按照協(xié)議的格式設置即可。
②發(fā)送BOOTP請求。BOOTP請求需封裝在UDP數據報中發(fā)送,BOOTP的服務器端口和客戶端口分別使用知名端口67和68；UDP校驗和通過調用函數udpChksum()計算獲取。IP報頭各成員按照IP數據報格式設置，源IP地址與目的IP地址分別是0.0.0.0和255.255.255.255，IP校驗和通過調用函數ipChksum()計算獲得。本機MAC地址作為源MAC地址，廣播形式的MAC地址0xffffffff作為目的MAC地址，封裝成以太數據幀，調用寫函數DrvEthWrite()發(fā)送。調用發(fā)送中斷處理函數MAC_Tx_isr()，更新當前幀結構描述指針并復位MAC控制器。
③接收BOOTP應答包，獲取主機和本機的IP地址。采用中斷方式接收BOOTP應答包。中斷處理函數BDMA_Rx_isr()將接收到的包存放在接收幀描述符RxFDBaseAddr中，提取有效數據放入BOOTP接收緩沖區(qū)BOOTP_REC_BUF中,并且復位相應的BDMA控制寄存器道和中斷控制位。
③按照協(xié)議的數據報格式從BOOTP_REC_BUF中提取數據，記錄本機和主機的IP地址。
3.2.2數據收發(fā)
數據的收發(fā)主要是涉及IP、UDP和ARP三個重要的協(xié)議，在具體實現中根據嵌入式系統(tǒng)的特性有針對性地做了裁減，既保證了網口的正常工作，又節(jié)省了嵌入式系統(tǒng)的資源。
①有以太網數據包到來，首先進行判斷。如果是ARP請求則發(fā)送一個ARP應答；如果是ARP應答，則記錄發(fā)送方的IP地址和以太網地址；如果是IP數據包，則開始接收數據。
②接收數據：IP數據包到來，中斷處理函數將數據包放在接收幀描述符RxFDBaseAddr中，提取IP包放入接收緩沖區(qū)IP_REC_BUF。從IP_REC_BUF中提取有效數據交給調試器進行處理。
③發(fā)送數據：發(fā)送的數據封裝在UDP數據報中，目標機IP地址和主機IP地址分別記錄在全局變量MyIpAddr和HostIpAddr中，按照UDP和IP協(xié)議的數據報格式為數據加上UDP報頭和IP報頭。以本機MAC地址作為源物理地址，以ARP應答中獲得的主機物理地址作為目的地址，封裝成以太數據幀，調用寫函數DrvEthWrite()發(fā)送,中斷處理函數MAC_Tx_isr()進行發(fā)送中斷處理。
部分主要通信程序如下：
SendBootpRequest(bootp_id);/*發(fā)送BOOTP請求，bootp_id是該請求隨機分配的標識號*/
/*等待BOOTP應答包*/
/*BOOTP應答包到來，從接收緩沖BOOTP_REC_BUF提取數據*/
memcpy(MyIpAddr,bhdr->your_ip,4); /*提取目標板的IP地址放在全局變量MyIpAddr中*/
memcpy(HostIpAddr,bhdr->server_ip,4); /*提取主機IP地址放在全局變量HostIpAddr中*/
/*檢查到來的包*/
if(pro_type==ETHERTYPE_IP) IpProcess(IP_REC_BUF);/*處理到來的IP包*/
if(pro_type==ETHERTYPE_ARP) ArpProcess(IP_REC_BUF,42);/*處理到來的ARP包*/
4.結語
用C語言實現的程序代碼已調試通過，并成功應用于嵌入式調試器中。該功能模塊針對具體的開發(fā)板所設計的網口驅動和協(xié)議棧，裁減了冗余的功能部分，既能滿足嵌入式系統(tǒng)對資源占用的要求，又能保證數據準確、無丟失傳輸。測試證明對于批量數據的傳輸，網口的速度遠遠優(yōu)于串口，有效地實現了主機與目標機之間的調試通信，具有一定的實際意義。
本文作者創(chuàng)新點:設計并實現了嵌入式調試器的以太網接口通信方式，針對具體的開發(fā)板對網口驅動和協(xié)議棧做了裁減，既能滿足嵌入式系統(tǒng)的資源占用要求，又能保證數據高效傳輸。
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