基于Petalinux的Socket網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 謝，武傳華，路后兵，楊 標(biāo)

（合肥電子工程學(xué)院，安徽 合肥230037）

嵌入式系統(tǒng)是為特定目的而構(gòu)建的一類計(jì)算機(jī)設(shè)備。該設(shè)備具有體積小、功耗低、可靠性穩(wěn)定、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系[1]。Petalinux是由PetaLogix公司專門(mén)為在Xilinx FPGA的MicroBlaze軟核處理器上運(yùn)行而開(kāi)發(fā)的嵌入式Linux。Petalinux發(fā)布的版本中包含定制的Linux2.4/2.6內(nèi)核原碼、U-boot內(nèi)核編碼、相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具以及開(kāi)發(fā)板參考硬件平臺(tái)配置，極大地方便了開(kāi)發(fā)人員的使用，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

對(duì)于如何在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信這一問(wèn)題，本文給出了一種基于Xilinx開(kāi)發(fā)板ML402的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，成功實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)板與PC機(jī)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。

1 硬件工程設(shè)計(jì)

1.1 底層硬件平臺(tái)的選取與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案采用Xilinx EDK 10.1在ML402開(kāi)發(fā)板搭建一個(gè)最簡(jiǎn)化的硬件平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中各部件在FPGA內(nèi)部以IP核的形式構(gòu)建并連接，系統(tǒng)以帶有32 bit MicroBlaze軟核的FPGA作為控制中心,SysACE用于存放文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序配置文件；INTC用來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷控制；串口可在調(diào)試時(shí)輸出系統(tǒng)的運(yùn)行信息；以太網(wǎng)控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能；DDR_SDRAM通過(guò)XCL總線與處理器相連，用于對(duì)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)[2]。

1.2 軟件平臺(tái)的配置

在移植Petalinux之前，必須配置BSP(Board Support Package)。所謂BSP，就是為給定的板子提供特定操作系統(tǒng)支持的代碼。介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間，屬于操作系統(tǒng)的一部分,主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運(yùn)行于硬件主板。

Xilinx EDK已經(jīng)包括相應(yīng)的BSP產(chǎn)生器，因此，第一步只需要把解壓的Petalinux文件夾下的hardware/edk_user_repository/PetaLogix/bsp/petalinux_v1_00_b文件夾拷貝到EDK文件夾下的swlibsp目錄下進(jìn)行相應(yīng)的配置即可。接下來(lái)打開(kāi)已建立的硬件工程，進(jìn)行軟件平臺(tái)配置，點(diǎn)擊Software菜單，啟動(dòng)Software Platform Setting。系統(tǒng)會(huì)彈出軟件平臺(tái)的配置窗口，可以看到共有3個(gè)可配置項(xiàng)——Software Platform、OS and Libraries和Drivers。右方的窗口為可配置選項(xiàng)的參數(shù)。首先對(duì)Software Platform進(jìn)行配置，點(diǎn)擊Software Platform，在窗口右側(cè)可以看到可配置參數(shù)，包括兩個(gè)子窗口，其一是processor parameters，其中包括處理器主頻信息、交叉編譯器等選項(xiàng)。其中，extra compiler flag指定了在生成BSP與庫(kù)的過(guò)程中，交叉編譯器所用的編譯標(biāo)志，archiver和compiler分別指定了生成BSP與庫(kù)所用的工具鏈，在這里只需保持默認(rèn)即可。在OS and Library settings子窗口中打開(kāi)OS的下拉菜單，選擇 Petalinux，版本只有 1.00.b，如果第一步?jīng)]有完成，則在點(diǎn)開(kāi)OS的下拉菜單后，沒(méi)有Petalinux選項(xiàng)。

完成上一步之后，選中OS and Library可配置選項(xiàng)，這里主要是針對(duì)開(kāi)發(fā)板對(duì)μClinux的BSP進(jìn)行配置，包括Flash與Memory以及輸入輸出調(diào)試端口的配置，在這里主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行修改：

最后點(diǎn)擊 OK，退出，基于 Petalinux的 MicroBlaze軟件平臺(tái)配置完成。下一步是根據(jù)軟件平臺(tái)的配置生成針對(duì)MicroBlaze處理器的BSP與庫(kù)，使Petalinux與開(kāi)發(fā)板的信息交互成為可能。進(jìn)入EDK的Software菜單，點(diǎn)擊Generate BSP and Libraries，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成板級(jí)支持包與庫(kù)。之后就可以在microblaze_0/libsrc/petalinux_v1_00_b文件夾下生成auto-config.in文件[3]。

1.3 Petalinux操作系統(tǒng)的移植

軟件平臺(tái)完成后需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般采用交叉編譯的方法，通過(guò)PC機(jī)對(duì)內(nèi)核和應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，具體步驟如下：

(1)將工程所在目錄復(fù)制到Petalinux解壓目錄下的～/hardware/user-platforms目錄下。

(2)進(jìn)入 Petalinux解壓目錄，運(yùn)行 source./settings.sh命令，設(shè)置Petalinux環(huán)境變量。

(3)進(jìn)入～/software/petalinux-dist目錄，運(yùn)行 petalinuxnew-platform-k 2.6-v Xilinx-p ml402新建用戶平臺(tái)；其中-v后綴為FPGA的生產(chǎn)廠商，-p后綴為工程使用的FPGA開(kāi)發(fā)板名稱，-k為配置內(nèi)核的版本。然后運(yùn)行make menuconfig命令，進(jìn)入Vendor/Product Selection選項(xiàng)，選擇相應(yīng)的平臺(tái)，退出并保存。

(4)進(jìn)入工程所在文件夾，運(yùn)行petalinux-copy-autoconfig命令，將libgen生成的microblaze_0/libsrc/Kconfig.auto和autoconfig.in轉(zhuǎn)換成linux格式，并拷貝到當(dāng)前活躍的platform下(例如 software/linux-2.6.x/arch/Microblaze/platform/ml402)。它是根據(jù)在make menuconfig中選擇的vendor/platform來(lái)拷貝的。

(5)內(nèi)核的配置與編譯

搭建的底層硬件平臺(tái)的不同決定了系統(tǒng)內(nèi)核的區(qū)別，參考文獻(xiàn)[2]中薛慧敏針對(duì)不同情況給出了較為詳細(xì)的配置過(guò)程，可作為參考，在此不再贅述。

(6)Xmd下載啟動(dòng)

Xmd是Xilinx EDK提供的調(diào)試工具，可以使用該工具對(duì)EDK開(kāi)發(fā)的工程進(jìn)行調(diào)試。使用該方法下載image文件，啟動(dòng)Petalinux后，通過(guò)串口超級(jí)終端可以看到系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程。

2 網(wǎng)絡(luò)通信程序的開(kāi)發(fā)

Petalinux移植成功后，就可以使用petalinux-new-app命令在其上建立軟件應(yīng)用工程，進(jìn)行軟件應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。新建的軟件應(yīng)用工程放在～/petalinux/software/user-apps。

2.1 軟件應(yīng)用工程的建立

在petalinux-dist文件夾下輸入命令：petalinux-newapp petaserver，其中petaserver為應(yīng)用工程名稱。創(chuàng)建成功后，在user-apps文件夾下新建了以工程名稱petaserver為名稱的文件夾，里面包括.C的應(yīng)用程序、Makefile的編譯規(guī)則和readme的幫助文件。

2.2 Socket程序的創(chuàng)建

進(jìn)入新建的應(yīng)用工程文件夾，輸入命令：gedit petaserver.c，打開(kāi)文本編輯器，對(duì).C的應(yīng)用程序進(jìn)行編輯。本應(yīng)用工程主要是作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，接收客戶端傳送的命令，消息經(jīng)過(guò)處理后再回饋給客戶端，主要流程如圖2所示。

圖2 Socket通信流程圖

現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中TCP/IP協(xié)議是最通用的一個(gè)，因此，本程序也使用該協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)[4]。

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。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。Socket具有一個(gè)類似于打開(kāi)文件的函數(shù)調(diào)用Socket()，該函數(shù)返回一個(gè)整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^(guò)該Socket實(shí)現(xiàn)的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket(SOCK_STREAM)和數(shù)據(jù)報(bào)式Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一種面向連接的Socket，針對(duì)于面向連接的、無(wú)差錯(cuò)的、發(fā)送先后順序一致的、包長(zhǎng)度不限和非重復(fù)的TCP服務(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)報(bào)式Socket是一種無(wú)連接的Socket，對(duì)應(yīng)于無(wú)連接的 UDP服務(wù)應(yīng)用，主要以獨(dú)立的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為32 KB，傳輸不保證順序性、可靠性和無(wú)重復(fù)性，它通常用于單個(gè)報(bào)文傳輸或可靠性不重要的場(chǎng)合。根據(jù)以上特點(diǎn)，本應(yīng)用選擇流式Socket[1]。

(1)服務(wù)器端petaserver.c主要代碼如下：

（2）啟動(dòng)服務(wù)器

程序編寫(xiě)好后，重新編譯，生成image.bin文件，下載該文件。

打開(kāi)超級(jí)終端，系統(tǒng)啟動(dòng)后輸入用戶名與密碼，進(jìn)入petalinux系統(tǒng)執(zhí)行下列命令：

可以看到服務(wù)器端啟動(dòng)語(yǔ)句輸出：

這時(shí)打開(kāi)PC機(jī)客戶端，客戶端使用成都眾山科技有限公司提供的TCP/UDP Socket調(diào)試工具 V2.3，點(diǎn)擊TCP Client按鈕，在彈出的窗口中輸入服務(wù)器IP地址：192.168.0.10，端口:8000，點(diǎn)擊連接按鈕，可以看到當(dāng)PC機(jī)客戶端向開(kāi)發(fā)板上服務(wù)器端發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端通過(guò)PC機(jī)超級(jí)終端輸出：

同時(shí)在PC機(jī)socket客戶端回顯:Successfully connect；

客戶端向服務(wù)器發(fā)送hello petalinux；

超級(jí)終端顯示服務(wù)器端已經(jīng)接收到客戶端發(fā)來(lái)的信息，屏幕輸出為:15(接收到的字節(jié)長(zhǎng)度)和hello petalinux(接收到的內(nèi)容)。

至此說(shuō)明客戶端與服務(wù)器端完成了網(wǎng)絡(luò)的連通，后續(xù)就可以接入外圍設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與完善了。

本文簡(jiǎn)單介紹了基于Petalinux的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與移植過(guò)程以及客戶端與服務(wù)器端Socket的創(chuàng)建過(guò)程，通過(guò)在客戶端及服務(wù)器端創(chuàng)建Socket實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與Petalinux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)驗(yàn)證明Petalinux的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性較好，為接下來(lái)在該系統(tǒng)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)，能夠滿足進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)需求。

[1]歐文盛.ARM嵌入式 Linux應(yīng)用實(shí)例開(kāi)發(fā)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]薛慧敏，武傳華，路后兵，等.基于 MicroBlaze的 Petalinux嵌入式操作系統(tǒng)移植[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(8)：109-110.

[3]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]IT同路人.Linux標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)教程[M].北京：人民郵電出版社，2008.