（通信与信息系统专业论文）多路串口服务器的设计与实现.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 多路串口服务器的设计与实现 摘要 近年来，随着以太网技术的快速发展和迅速普及，各个领域都普遍采用基于以太网技 术的网络互联设备，“让全部设备接入网络 已成为当今信息社会发展的必然趋势。但是， 在工业生产和自动化控制等领域，大量采用传统的r s 2 3 2 串行通信设备进行数据传输，串 行通信由于其传输协议简单，可靠性高等特点仍然沿用至今：另一方面，串行通信因为其 传输距离短，而且无法连入主流网络等缺陷，其未来的发展面临着巨大的挑战和压力。因 而基于这种状况，急需寻找一种解决方案，能在不更换旧有设备并且避免耗费大量人力物 力的前提下使串口设备可以连入现在的主流网络以太网并进行数据传输。串口服务器 由此应用而生，使多台串口设备可以立即联网，实现串行数据通过以太网传输，与远端主 机或者远端串口设备双向的交互通信，消除了原先对传输距离的限制，实现了设备的统一 集中化管理。 本文的主要研究内容和成果如下： 1 介绍了国内外串口服务器的研究现状，以及业界技术领先的相关解决方案。 2 负责完成串口服务器的整体构架设计，其中包括系统需求分析，模块结构设计以及 关键技术的介绍等。 3 概述了串口服务器的硬件平台结构，介绍了a r m 9 处理器s 3 c 2 4 4 0 ，u a r t 扩展芯片 v 5 5 4 ，r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 复用芯片s p 3 3 6 e ，以及其他硬件模块的特点和性能。 4 嵌入式l i n u x 下c 编程完成了串口服务器的软件设计，并详细叙述了串口服务器中 各主要模块的设计细节，如并发服务器模型选择，双向通信设计方案，数据的封包策略， 数据缓冲区设计细节，配置系统参数的数据格式等。 5 测试系统性能并对结果进行分析。 关键词：并发服务器，r s 2 3 2 ，t c p i p ，封包策略，虚拟串口 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m u i r i p o r ts e i u a ld e v i c es e r v e r a b s t r a c t i nr e c e n ty e 躺，w i t l lt 1 1 er a 撕dd e v e l o p m e n to fe t h e m e t t e c l l n o l o g y n e t v 旧r k i n gt e c h n o l o g y e q u i p m e n tb a u s eo ne t h e m e ti su s e d 州d e l yi nm la r e 勰a l lt l l ee q u i p m e n tc 锄c o 皿e c tt ot h e n e t 、o r k h 嬲b e c o m et 1 1 ei n e v i t a b l en e n do fi n f 0 肌a t i o ns o c i e t ) rd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，i n i n d u s t r i 甜p r o d u c t i o na l l da u t o m a t i o nc o n t l o lf i e l d ，t h e r ea r eal a r g en 啪b e ro f 仃a d i t i o n a js e r i a l e q u i p m e n t sb 弱e do nr s 2 3 2p r o t o c o ld a t ac o m m u n i c a t i o 璐，r i 以c o m m u i l i c a t i o t l sp r o t o c o l b e c a u s eo fi t ss i m p l e ，h i 曲r e l i a b i l i 哆i ss t i l li i lu s ee v e rs i n c e ；t 1 1 eo t h e rh a n d ，b e c 乱龄o fi t s t 均皿s m i s s i o nd i s t a n c ei ss h o n ，锄dc a nn o tb ec o 衄e c t e dt om em a i n s n 。e 锄n e t 、o r l ( s 锄do t l l e r d e f e c t s ，t l l ed e v e l o p m e n to f r i a lc o m m u n i c a t i o ni sf 如e d 诵t l l 臼e m e n d o 鸺p r e s s u r c s 卸d c h a j l e n g e s t h u s ，as o l u t i o nw h i c hs e r i a ld e v i c e sc a nb ec o 衄e c t e dt 0m ec l l r r e n tm a i n s t r e 锄 n e t 、o r k e m e m e tf o rd a 妇协m s f e 盯i n g 岫d e rt h ep r e m i s et l l a ti ti sn o tn e e dt or e p l a c et l l eo l d e q u i p m e n t 锄dt 0a v o i dc o n s 啪i n gal o to fm 锄p o w e r 觚dm a t e r i 羽r c s o u r c e sn e e dt 0b ef o u n d w g e n t l y t h e r i a ls e r v e rt l l a ta l l o w sm u l t i p l es e r i a ld e v i c e s c e s st 0t 置l en e m o r k i n gi m m e d i a t e l y f o rn 锄s m i s s i o no fs e r i 引d a t av i ae t h e m e t 、a sb o m t h e 陀m o t eh o s t so rr e m o t es e r i a ld e v i c e s c 锄i i l t e r a c t i o n 锄dc o m m u n i c a t i o n 、“t 1 1e a c ho t h e r i te l i m i n a t e st l l el i m i to fn 锄s m i s s i o n d i s t 柚c e 锄dt h ec e n 删i z e dm 觚a g e m e n to fm ea l le q u i p m e n tc 锄b ea c m e v e d t h em a i ni e s e 锄c hc o n t e n t s 锄dr e s u l t s 踟ea sf 1 0 l l o w s ： 1 t h i sp a p e ri n 仃0 d u c e st h es 铷so ft l l es e r i a ls e r v 锄dt h ea d v 锄c e ds o l u t i o n s 2 r e s p o n s i b l ef o rt l l eo v e r a j la r c h i t e c t u r ed e s i g n ，i n c l u d i n g 陀q u i r e m e n t s 觚甜y s i s ，d i v i d e d f u n c t i o nm o d u l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g ys o l u t i o n s 3 o v e r v i e wt h eh a r d w a r ep l a t f 0 n n so fs e r i a l l s e r v e r i n c l u d i n gt h ea r m 9p r o c e s s o r s 3 c 2 4 4 0 ，u a r te x p 锄s i o nc h i pv 5 5 4 ，r s 2 3 2 瓜s 4 2 2 瓜s 4 8 5m u l t i p l e x i n gc h i ps p 3 3 6 e ，锄d o t h e rh a r d w a r em o d u l e s 4 c o m p l e t et i l e s e r i a ls e r v e rs o 胁a r ed e s i g n 帅d e rt l l ee m b e d d e dl i n u ) 【cl a n g u a g e p r o g r 锄m i n gb 嬲e do na r m 9p r o c e s s o r 锄dd e s c r i p tt 1 1 ed e t a i l so ft h em a i nm o d u l e s ，s u c h 鹪 浙江工业大学硕士学位论文 t l l ec o n c u r r e n t 驼r v e rm o d u l e ，t i l ed a 【协b u a 研m o d u l e ，t l l ep 猢e t e r sc o n f i 洲i o nm o d u l e 锄d p a c k e ts t r a t e g ya n ds oo n 5 t e s tt 1 1 ep e 0 m l a j l c eo fs y s t e ma n d 锄a l y z et h et e s t i n gd a t a k e yw b r d s ： c o n c u r t e n ts e n ，e r ，r s 2 3 2 ，t c p i p ，p a c k e ts t r a t e g y v i n u a ls e r i a lp o r t 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 串行通信【1 1 是指把二进制数据位在特定的通信信道上逐位进行传输的一种通信方式。 与传统的并行通信方式不同，串行通信只需要一个通信信道就可以完成通信双方之间的数 据传输，被广泛应用于工业控制及生产生活的各个领域。 当前热点方向智能交通和智能家电研究领域中，大量应用串行通信来完成数据的现场 采集和设备的智能控制；工业生产和自动化控制领域中，成百上千个检测器，感应器相互 之间通过串行通信连接成为一个小型的控制网络，并将数据传送到控制处理中心，可以及 时检测生产情况和监控设备状况【2 】串行通信由于其通信协议简单，可靠性高，连接信 号线少等优点，在嵌入式相关应用中可以说是无处不在。 但是近年来，通信技术飞速发展，其传输速度从最初的十兆、百兆提高到现如今的千 兆及吉比特的以太网传输速率，交换技术使物理相隔的设备可以逻辑互联，在这种大形势 背景下，让串行设备全部连入网络将是一种趋势。而串行通信技术则面临着巨大的挑战和 压力，串行通信在实际应用过程中逐渐暴漏出其缺陷： 一、有效传输距离短。r s 2 3 2 的有效传输距离仅为1 5 米，即使工业级的r s 4 8 5 也限 制在1 0 0 0 米之内。超过这个距离范围，数据的有效性无法保证，并且无法较远距离的对 串口设备进行操作。 二、传输速率慢。常用的串口传输速率为1 9 2 0 0 b p s 、3 8 4 0 0 b p s 、1 1 5 2 0 0 b p s ，最大仅 为3 8 7 0 0 0 b p s 。无法与以太网的传输速度相比较。 三、统一管理困难。由于串口设备没有自己特有的标识，如m a c 或者i p 地址，很 难对大量串口设备进行统一的管理。 如果大量更换旧有设备以及改变设备之间原有的通信方式，必然造成较大的经济压 力，耗费不必要的人力物力，故急需一种结合串行通信技术和以太网通信技术特点的快速 和经济的解决方案，使管理者只要连入互联网就可以在任何时间和地点都可以做到数据的 实时访问及对设备的远程控制。本论文基于此提出了一种可行的解决方案，通过将串行设 备与串口服务器相连，使原本不具备联网功能的串行设备可以立即联网，远端主机就可以 与这些串行设备进行高效、安全、可靠的远程交互。 - 1 一 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前国内外已有很多厂商开始致力于串口服务器的研发。如国内的宇泰科技，上尚科 技1 3 1 等公司。国外知名的公司有a t o pt e c t u l o l o g i e s 公司，美国l 觚仃d n i x 公司【4 1 ，c o n e x t o p 公司等。一些低端的串口服务器通常是在原有的串行设备上增加一块8 位或者是1 6 位的 m c u 来实现联网功能，但由于m c u 较为低端，处理能力有限，性能存在很大的局限性， 现在主流的解决方案是应用嵌入式技术，使用高端的3 2 位a l 洲芯片处理器和l i n u ) 【操 作系统来实现多路串口同时联网的功能。一些技术领先的公司已经提出他们较为成熟的解 决方案。 m o x a 集团 m o x a 专注于发展及制造信息联网产品，为客户提供全球技术领先的串口设备联网解 决方案。n p o r t 系列具有绿色节能、快速配置、浪涌保护等优点。n p o r t 为用户提供了r e a l c o m 肿y 驱动程序【5 1 ，使用户可以继续使用现有的基于c o m 胛y 的软件，而无需格外 的软件投资。其代表产品n p o r t5 1 1 0 a 是全球首台功耗小于l w 的串口设备联网服务器。 德国c o n e x t o p c o n e x t o p ( 科联浦) 多年来致力于m 2 m 方向的研究和开发，以成百上千的串口联网 设备应用于全球的各个领域。2 0 0 2 年该公司发布了世界上最小巧的串口联网r j 4 5 模块。 n e p o r t 系列嘲以其体积小巧的特点为客户提供一套完整、高效、低廉的联网方式。 宇泰科技 该公司的串口服务器内建的i u o s ( 实时操作系统) 及完整的t c p i p 通讯协议使其 不仅提供可靠稳定的操作平台，而且使原有系统可以经由i n t e m e t 进行远程管理。u t - 6 2 0 【7 】 提供了一路r s 2 3 2 和一路r s 4 8 5 以及1 0 1 0 0 m 自适应网口，支持动态i p 设置和代理服务 器，提供数据的双向透明传输。 1 3 研究内容与章节安排 本论文通过对串行通信协议和网络t c p i p 协议深入分析理解的基础上，设计完成了 一套较为成熟的多路串口服务器的解决方案，实现了多个串口设备的联网功能以及串行通 信协议与t c p i p 协议之间相互转换等功能。 论文总共分为六个章节，各个章节的内容安排如下： 第一章概述了串行通信的应用现状以及在当今信息技术高速发展的时代背景下串行 一2 一 浙江工业大学硕士学位论文 通信面临的问题。通过收集大量资料和文献，掌握了国内外相关领域的研究现状，同时结 合以太网的先进性技术，分析了对串口服务器研究的必要性。 第二章对串口服务器整体解决方案进行叙述，通过系统需求分析把系统划分为几个主 要模块：初始化模块，串行协议模块，网络协议模块，缓冲区模块，设备管理模块，进程 管理模块和状态监控模块等，并叙述了串口服务器设计过程中的关键技术。 第三章对串口服务器的硬件平台做一些基本介绍，主要包括串行接口模块的介绍，网 络接口模块的介绍以及f l a s h 、s d 删等硬件的介绍。在串行接口模块中，重点介绍 了u a r t 扩展芯片v 5 5 4 和u a i 玎信号转化芯片s p 3 3 6 e 等。 第四章介绍了并发服务器的各种设计模型，l i n u x 下的s o c l 江t 网络编程，以及 t c p l p 协议，并基于这些技术进行系统软件的设计，在设计过程中，提出了多种设计方 案，通过性能对比选择出最佳的设计实施方案。对于一些细节问题展开叙述，如下行通信 方案，数据封包策略，数据缓冲区模块的设计实现，参数配置模块的设计实现等等。最后 编写m a k e f i l e 文件完成程序的编译。 第五章对系统进行功能和性能的测试，首先对所要分析的问题进行数学建模，理性分 析；然后通过对等通信和非对等通信，以及不同的参数配置等多种情况进行测试分析，以 判断系统功能和性能的优劣。 第六章对全文进行总结，提出一些设计过程中的不足。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章串口服务器的系统设计 串口服务器的系统设计包括系统的硬件设计和系统的软件设计。系统的硬件设计包括 处理器芯片的选型，串口模块的接口设计，网络模块的接口设计，以及f l a s h ，s d r a m ， j t a g 等硬件的设计，硬件平台负责完成串口设备的读写和网络数据的收发；软件系统负 责完成协议转换工作，系统软件设计的核心为上行和下行通信的设计，数据封包策略的实 现以及数据缓冲区和参数配置模块的设计。与其他串口服务器选择8 位或者1 6 位的m c u 的设计方案不同，并且出于现有硬件设备和技术能力的考虑，设计了一套较为合理的串口 服务器的总体解决方案：选择3 2 位的a r m 9 作为主处理芯片，采用l i n u ) 【操作系统来管 理多任务程序，多线程并发服务器实现网络通信，串口服务器作为以太网中远端主机和串 行设备之间的桥梁，通过协议转化完成数据的透明传输，利用嵌入式技术稳定、可靠、高 效的实现多路串口服务器的所有功能。 2 1 系统需求分析 串口服务器的主要功能是让串口设备具有联网功能，实现r s 2 3 2 瓜s 4 2 2 瓜s 4 8 5 与 t c p i p 协议相互转化，完成数据的透明传输，主机可以远程配置服务器的相关参数，动 态监控客户端连接状态和数据传输情况。在实际的使用过程中，串口服务器的连接方式分 为配对连接和非配对连接。 基于串口服务器的实际应用和用户的需求，总结其功能需求如下： 接收串口数据，暂存于缓冲区，以i p 包格式通过网口发送。 接收网口数据，暂存于缓冲区，以串口帧格式写入相应串口设备。 支持t c ps e r v e r 模式，t c pc l i e n t 模式，u d p 模式。 s e r v e r 模式下一个端口最多支持4 个远端主机同时连接，多余主机则需要等待。 支持d h c p a r p 等多种t c p i p 协议。 动态监测客户端连接状态与数据传输状况。 参数动态配置。包括设备参数，网络参数，串口参数等。 远程参数配置，串口方式配置参数。 对等设备交互，与远端主机交互。 支持串行端口的数量1 8 个。 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 支持r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 多种协议。 如图2 - l 所示，物理上不相连的串口设备通过配对的串口服务器实现逻辑互联，可以 相互通信，不受距离的限制。 斟翩扣 日2 扣 串串 口， _ n 母n 舾 ，口 i 服 务。 。务 圆一 器 器厂 l r 翩扣 r l 卜- 一串行通信叫_ 一以太网通信卜串行通f 叫 图2 1 串口服务器配对连接示意图 如图2 2 所示，远端主机与串口设备交互通信，上层应用程序通过p c 机的网口直接 与串口设备进行通信；也可以在p c 端安装虚拟串口软件，映射出多个虚拟串口，上层应 用程序通过控制这些虚拟串口而实现与实际串口设备的交互。 卜- 一串行通信叫叶一以太网通信叫卜数据传递叫 图2 2串口服务器非配对连接示意图 一5 一 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 模块结构设计 结合串口服务器的系统功能需求，采用模块化的设计思路【8 l 划分各主要功能并设计 为相对独立的模块，主要分为初始化模块，串行协议模块，网络协议模块，缓冲区模块， 设备管理模块，进程管理模块，状态检测模块，虚拟串口模块等。各功能模块示意如图所 示。 状态监控模块初始化模块 卜 ji 1r 虚拟驱动模块进程管理模块 设备管理模块 $ 、， 上 串行协议模块缓冲区模块+网络协议模块 协议转化模块 图2 3 功能模块示意图 各模块功能简述： 初始化模块：负责完成内核启动，读取配置参数等初始化相关工作。 串行协议模块：负责串口服务器端和串口设备间的串行通信。 网络协议模块：实现t c p i p 相关协议以及服务器和客户端之间的网络通信。 缓冲区模块：用于数据缓冲存储。 设备管理模块：配置设备及网络参数。 进程管理模块：负责各个进程和线程的创建，销毁，以及相互之间的通信。 状态监控模块：动态监测客户端连接状态与数据传输状况。 虚拟驱动模块：远端主机上映射出多个虚拟串口设备。 协议转化模块：包括串口模块，缓冲区模块，网络协议模块，此模块为串口服务器设 计过程中的核心模块，负责串行通信和t c p i p 的协议转换工作。 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 关键技术简介 在系统软件设计过程中，尤其是串口服务器的相关核心模块的设计过程中，一些关键 环节的设计好坏直接决定了系统的整体性能的优劣。这些关键技术包括： l 、并发服务器的模型选择 并发服务器有多种设计模型，分别适合于不同的应用场合，本文通过对比不同的设计 模型，分析其优缺点，最后选择了一种适合串口服务器的并发服务器设计模型。 2 、下行通信的方案设计 下行通信由于其通信方式的特出性，需要一套不同于上行通信的设计方案。使串口服 务器性能更加优越。 3 、数据包的封装策略 数据包的封装和解包过程。数据的封包策略包括基于时间的封包策略和基于包长的封 包策略。 4 、数据缓冲区的方案设计 数据缓冲区的设计也是串口服务器设计过程中的重要环节，通过对数据缓冲区的设计 方案进行对比，在最大化满足实时性的基础上选择了一种较为合理的数据缓冲区方案。 5 、系统参数配置的设计 系统参数可以通过网络远程配置，也可以通过串口方式直接配置。定义了通信过程中， 配置数据的具体传输格式等。 一7 一 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章串口服务器的硬件设计 3 1 硬件平台概述 基于串口服务器的功能和性能指标参数，设计完成了串口服务器的硬件平台框架。系 统硬件构架框图如图3 1 所示。其中，核心处理器模块负责协议转化及系统管理等各个方 面【9 j ；串口模块负责完成串口数据的收发读写；网口模块负责完成网络数据的收发读写。 由于c p u 只提供有限几路的u a i 玎通道，需要对串口进行扩展，可以同时连接多路串口 设备进行并发的协议转化工作。 j t a g b刮w a t c h d o g f l a s h 障 s 3 c 2 4 4 0刮网络接口 s d r a m i 刮u a r t 扩展 3 2 核心处理器模块 图3 1系统硬件构架框图 采用s 3 c 2 4 4 0 作为系统的主处理芯片。s 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的3 2 位刚s c 处理 器，属于a l 洲9 2 0 t 体系结构【m 】，具有o 1 3 啪的c m o s 标准宏单元和存储器单元。由于 其功耗低，设计简单等特点特别适合于对成本和功耗敏感的应用，s 3 c 2 4 4 0 采用了新型总 线结构一先进的微控制器总线体系结构( a m b a ) 。 s 3 c 2 4 4 0 的突出特点是其核心处理器是由a d v 锄c e dr i s cm a c h i n e s 设计，出于降低 成本考虑，2 4 4 0 片上集成了丰富的组件：内存管理单元m m u ，n 锄dn 嬲h4 k b 启动，内 存控制器，3 路u a l 强3 通道的d m a ，4 通道的p w m 定时器等多种总线和i o 接口。s 3 c 2 4 4 0 实现了先进的微控制器总线体系结构a m b a ，具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 l 出数据 c a c h e 。s 3 c 2 4 4 0 结构框图如图所示： 一8 一 ilii h 8 b ， s 图3 2s 3 c 2 4 4 0 结构框图 s 3 c 2 4 4 0 的相关特性： 采用9 2 0 tc p u 内核，最高工作频率3 0 0 m h z ，增强的m m u 功能。 支持大、小端模式，支持多种操作系统：w i n c e ，l i n m 【，e p o c3 2 。 支持多种r o m 启动方式：n o r 、n a n df l 髂h 启动和e e p r o m 启动。采用n a n df i 弱h 时，n a n df l a s h 既可以利用其内部4 l 缓冲器来装载b o o t l o a d e r 启动内核，又可以在内 核启动完毕后作为外部存储器使用。 8 个1 2 8 m b 存储器b a i l l ( ，共1 g b 寻址空间。8 个b 觚l ( 都有可编程的访问周期。 提供3 路u a r t ，每路内部都有1 6 字节的接受和发送f i f o 。可以工作于d m a 模式 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 和中断模式，其u a l 订支持5 8 位串行数据的接受和发送。可编程的波特率，并支持外 部时钟作为u a i 盯的u e x t c l k 。 电源模式可以支持正常运行模式，不加p l l 的低时钟慢速模式，停止c p u 时钟的空 闲模式，掉电模式。 4 通道的d m a 控制器，支持存储器和i o 之间数据的通信。通过突发传送模式以加 快数据发送速率。 3 3 串行接口模块 s 3 c 2 4 4 0 内部提供3 个独立的u a r t ，在工作于异步方式且使用系统时钟的情况下， 传输速率最高支持2 3 0 4 k b p s ，如果使用外部时钟，则工作频率可以更高。为了使多台串 口设备同时联网则需要对u a r t 进行扩展，并且需要每路端口可以同时支持r s 2 3 2 模式、 r s 4 2 2 模式和r s 4 8 5 模式。串行接口模块的结构框图如图3 3 所示，其中u a r ，r 2 暂时作 为调试串口使用，在产品设计完成之后，可以同样连接扩展芯片v 5 5 4 ，故最多可以扩展到 1 2 路串口。 s 3 c 2 4 4 01 刊调试串口 u a r t a u a 九b u a n c u a r t d蚋3 6 e 嘏蒸 图3 3 串口模块的结构框图 3 3 1 通用异步收发器 u a i 汀( u n i v e 倦出a s y l l c h r o n o u sr e c e i v e r 锄dt r 锄s m i t t e r ) 是目前使用最广的串行数据 通信方式，可以同时作为接受器和发送器用来接收和发送数据1 1 1 l 。串行通信分为同步通 信和异步通信，现在大都采用异步方式，同步方式需要2 5 个引脚，而异步方式则只需9 个引脚，u a l 玎主要由数据线接口，控制逻辑，配置寄存器，波特率发生器，发送器和接 浙江工业大学硕士学位论文 收器组成。u a l 玎的主要功能是将数据以字符为单位，按照低位到高位的顺序进行逐位分 时的传输。字符的传输包括起始位，数据位，校验位和停止位【12 1 。数据帧格式如下图所 示，其中起始位l 位，数据位5 8 位，校验位可选，停止位l 位、1 5 位或者2 位。 一bb长王iit占 一 飘朋 起停 始止 数据位 位位 oi 0i 01 oi 0i oi 0i 0i 0l 图3 4 串口数据帧格式 接收器的数据接受过程是c p u 通过数据总线将字写入u a r t 的控制寄存器中，将接 受到的位数据重新组成字符形式，完成数据的接受：发送器的数据发送过程是接受c p u 中的并行数据，通过移位寄存器将数据传化成串行数据形式发出，在发送之前将数据字符 分割成位【1 3 】。 常用的串行通信的接口r s 2 3 2 c ，是美国电子工业协会制定的串行通信标准。定义 为在数据终端设备和数据通讯设备之间使用串行二进制数据交换的接口1 1 4 】。作为嵌入式 系统应用中最为广泛的一种串行接口，它采用的是9 芯或者2 5 芯的d 型插头接口，d b 9 的各引脚信号说明如表所示： 表3 1d b 9 引脚说明 引脚 符号 说明 ld c d 载波检测 2r x d 负责接受数据 3 t x d 负责发送数据 4d t r 数据终端准备就绪 5g n d接地线 6d s r 数据设置准备就绪 7r t s 请求发送 8 c t s 清除发送 9i u 振铃指示 通常，串口引脚的连接方法采用三线制接法，即使用引脚2 ，3 ，5 分别负责数据的接 浙江工业大学硕士学位论文 受，发送和接地，将引脚2 和引脚3 交叉连接，通信双发就可以相互发送和接受数据1 1 5 】。 r s 2 3 2 协议标准采用负逻辑方式，协议定义标准逻辑“1 ”对应5 v 1 5 v ，标准逻辑“0 对应5 v 1 5 v ，由于r s 2 3 2 接口标准所定义的高低电平信号与嵌入式系统的1 v r l 电路所 定义的高低电平信号不同【1 6 1 ，t t l 的逻辑l 对应2 v 3 3 v ，逻辑o 对应0 v 0 4 v ， 故两者的通信需要经行电平转换才能实现。 3 3 2u a r t 扩展芯片v 5 5 4 x r l 6 v 5 5 4 ( v 5 5 4 ) 集成了4 个增强型的1 6 c 5 5 0 通用异步收发器l m 。每个u a r t 独 立控制并有自身的设备配置寄存器。寄存器负责对x r l 6 v 5 5 4 进行控制，监视状态和数 据传输。此外，每个u a r t 通道有1 6 个字节发送和接收的f i f o 。可编程的波特率发生 器和数据传输速率在3 3 v 时最高可达4m b p s 。x r l 6 v 5 5 4 工作电压范围2 2 5 v 3 6 v 。 v 5 5 4 是先进的c m o s 工艺制造的，采用4 8 引脚q f n ，“引脚l q f p ，6 8 引脚p l c c 和 8 0 引脚l q f p 封装。6 4 引脚和8 0 引脚封装仅提供1 6 模式接口，4 8 和6 8 引脚封装提供 一个额外的6 8 模式接口，可与摩托罗拉的处理器轻松集成。 图3 - 5v 5 5 4 结构图 芯片特性及应用： 增强型的f i f o 。v 5 5 4 支持1 6 个字节的发送和接收f i f o 内存，而不是在s t l 6 c 4 5 4 中的一个字节。在v 5 5 4 的设计是为了高性能的数据通信系统，需要快速的数据处理时间。 提高性能体现在v 5 5 4 由发送和接收f l f o 和接收f i f o 触发电平控制。这使得外部的处 理器来处理特定的时间内更多的网络任务。这增加了服务时间间隔给其他应用程序外部 c p u 更多的时间和降低整体u a r t 的中断服务的时间。 一1 2 浙江工业大学硕士学位论文 数据速率。v 5 5 4 操作在3 3 v 下可以高达4m b p s 的数据传输能力。可以工作在3 3 v 的高达2 4m h z 的晶体引脚x t a l l 和x t a l 2 ，或外部6 4m h z 的时钟源x t a l l 引脚晶 体振荡器。通过典型的晶振频率1 4 7 4 5 6m h z 和软件选项，数据传输速率可以高达9 2 1 6 k b p s 。 其他特性。丰富的功能的内部寄存器，可选的接收f i f o 触发，可编程的波特率， 红外编码器解码器接口和调制解调器接口控制都是该芯片的基本功能。在1 6 位模式 i n t s e l 和m c r 3 可配置为提供软件控制或具有连续中断能力。引脚兼容s t l 6 c 4 5 4 ， s t l 6 c 5 5 4 ，t l 的t l l 6 c 5 5 4 a 和菲利普的s c l 6 c 5 5 4 b 。 应用。便携式电器，电信网络路由器，以太网网络路由器，设备蜂窝数据，工厂自 动化及过程控制。 3 3 3 混合模式芯片s p 3 3 6 e s p 3 3 6 e 是串行多收发器设备，同时包含r s 2 3 2 和r s 4 8 5 依s 4 2 2 标准线路驱动器和 接收器【1 8 l 。s p 3 3 6 e 有八种工作模式：仅r s 2 3 2 ( 4 t x 4 r x ) 模式，全部或半双工 r s 4 8 5 瓜s 4 2 2 ( 2 t x 2 r x ) 模式，r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 接口混合模式，关机模式和诊断环回模 式。通过改变三种模式引脚的逻辑状态来设置选择模式。该设备可以实现双串口模式，混 合模式，作为端口信号转换器。s p 3 3 6 e 仅需要4 个o 1 | lf 的电荷泵电容。无论是在高数 据速率情况下或可变速率情况下，控制特定引脚可以配置驱动输出。所有的r s 4 8 5 接收 器或收发器具有高阻抗，允许多达2 5 6 个收发器共享一条总线。每个驱动可以单独启用或 进入三态状态，使共享总线或双向通信大为简化。所有接收器具有先进的故障安全保护， 以防止振荡时输入设备无法连接。在r s 2 3 2 模式下每个接收器输入具有5 k 欧姆电阻下拉 到地面。差分接收器在输入短路或开路的情况下默认输出为逻辑“l ，所有驱动器输出和 接收器输入抗e s d 打击高达+ - 1 5 ，o o o 伏。 浙江工业大学硕士学位论文 t 3 - m t 2 帆 t 价 b u i 、 m d d eo m o d e j r 4o u r 3o u t r 2o 幢 r o 嚏 r 蛔 船h 愆蚺 r 岍 图3 6s p 3 3 6 e 管脚分布图 s p 3 3 6 e 管脚分布如上图所示。通过控制这相关引脚的高低电平来选择s p 3 3 6 e 的工 作模式，选择控制模式的引脚分别为引脚2 ( m o d e l ) ，引脚2 3 ( m o d e 2 ) ，引脚2 4 ( m o d e 0 ) 。 常用模式为r s 2 3 2 单模式，r s 4 8 5 4 2 2 单模式，混合模式。各模式管脚设置如下： m o d e o ：r n o d e l ：m o d e 2 = 0 ：0 ：1此模式为r s 2 3 2 单模式，提供4 路r s 2 3 2 ； m o d e o ：m o d e l ：m o d e 2 = l ：0 ：l此模式为r s 4 8 5 4 2 2 单模式，提供两路r s 4 8 8 r s 4 2 2 ； m o d e o ：m o d e l ：m o d e 2 = 0 ：l ：l此模式为混合模式，提供2 路r s 2 3 2 ，1 路r s 4 8 5 ； m o d e 0 ：m o d e l ：m o d e 2 = l ：l ：l低功率关闭模式，i o 高阻抗： m o d e 0 ：m o d e l ：m o d e 2 = o ：o ：o 回环模式，t x o u t 和i i n 高阻抗： m o d e o ：m o d e l ：m o d e 2 = o ：l ：o此模式为混合模式，2 t 3 rr s 2 3 2 ，l t 1 rr s 4 8 5 ： m o d e 0 ：m o d e l ：m o d e 2 = l ：l ：0低功率关闭模式，4 m t 驱动器高阻抗； m o d e o ：m o d e l ：m o d e 2 = l ：0 ：o半双工模混合模式，4 t 2 rr s 4 8 5 & 2 rr s 2 3 2 。 性能特点： l 、3 3 v 或5 v 单电源供电，强大的+ 1 5 k v 的e s d 保护； 2 、软件可选的模式选择，多达4 个驱动器，接收器r s 2 3 2 2 8 4 ，最多支持2 个驱 动器，2 接收器的r s 4 8 5 瓜s 4 2 2 ； 3 、全双工或半双工配置，八分之一单位负载，多达2 5 6 个总线上的接收器； 4 、支持混合型的r s 2 3 2 瓜s - 4 8 5 模式，诊断环回功能，2 8 脚s o i c 或t s s o p 封装。 典型应用 自动化设备厂：安全网络：工业过程控制网络：在销售点设备；串行协议转换( 如 r s 2 3 2 转的r s 4 8 5 瓜s 4 2 2 ) ；嵌入式工业p c 的建筑环境控制系统；电缆中继器端口扩 一1 4 一 =；|；： 浙江工业大学硕士学位论文 展器。 3 4 网络接口模块 d m 9 0 0 0 a 是一个高集成，低成本，高性能，低损耗的单芯片高速以太网控制器，提 供一个通用的处理器接口，一个1 0 1 0 0 mp h y 和4 k 大小的s r a m l l 9 j 。d m 9 0 0 0 a 支持8 位和1 6 位数据接口，可以与多种处理器的内部存储器直接通信。在1 0 0 b 弱e t x ，1 0 b a s e t 和u t p 5a u t 0 m d i x 的各种情况下，p h y 可以连接u t p 3 ，4 ，5 符合i e e e 8 0 2 3 u 标 准规格。它的自动协调能力可以自动配置d m 9 0 0 0 a 以发挥它的最大优势。同时也支持 i e e e8 0 2 3 x 中的全双工流量控制功能等。d m 9 0 0 0 a 的结构框图如下所示 图3 7d m 9 0 0 0 a 的结构框图 当硬件系统上电时，处理器通过对d m 9 0 0 0 a 的内部网络控制寄存器、中断寄存器等 配置，完成d m 9 0 0 0 a 的初始化工作，这时d m 9 0 0 0 a 进入就绪状态，等待数据的接受和 发送。向网络发送数据时，需要先将数据进行协议封装，处理器将打包好的数据发送到 d m 9 0 0 0 a 中的数据发送缓存区，然后再发送数据。从网络接收数据时，需要检测数据的 合法性，如果存在错误则丢弃该帧，正确则将数据暂存于内部存储器，产生中断通知处理 器进行数据处理。 浙江工业大学硕士学位论文 3 5 其他模块介绍 f l a s h ：选用n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 u d m ，存储启动程序，系统内核，文件 系统以及服务程序。大小为6 4 m b 。系统启动时，n a n df l a s h 的前4 k b 存储器将被加 载到s d r a m 中，系统会自动执行启动代码。 s d ra m ：选用2 片1 6 位的k 4 s 5 6 1 6 3 2 c t c 7 5 并联构建成为3 2 位的存储器系统， 以更好发挥3 2 位处理器高性能的优势。每片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c t c 7 5 容量为3 2 m b ，系统存储 器容量为6 4 m b 。 电源模块：系统中需要3 3 v 和1 8 v 的直流稳压电源供电，为了简化设计，系统输入 端采用5 v 直流供电，可以经过d c d c 转化器转化成3 3 v 和1 8 v 。 看门狗：用于程序异常时系统复位。只要设置中断使能并对看门狗的控制寄存器 w t c o n ，数据寄存器w t d a t ，计数寄存器w t c n t 进行操作即可实现系统复位。 j t a g 接口：用于芯片内部测试及系统的仿真和调试等。 浙江工业大学硕士学位论文 第4 章串口服务器的软件设计 硬件平台设计好后，开始进行嵌入式的软件设计，此平台的软件设计是基于l i n m 【2 6 内核操作系统下的嵌入式c 语言编程，利用多进程和多线程技术，s o c k e t 网络编程等技术 实现串口服务器的软件设计。本章就串口服务器的几个核心模块进行论述，其中包括并发 服务器模型的设计，上行和下行数据通信的系统设计，协议转换模块的设计，数据封包策 略的实现，进程管理模块的设计和参数配置模块的设计等。 4 1系统软件的整体构架 串口服务器的工作模式分为服务器r v e r 模式，客户端c l i e n t 模式，针对不同的应用 场合选择不同的工作模式【2 0 1 。串口服务器的每路串行端口都有各自的工作模式，相互独 立，不受影响，可以独自配置。 服务器s e r v e r 模式。当串口服务器工作于r v e r 模式下，远端主机则作为c l i e n t 端。此时一路串行设备可以被多台远端主机同时监控，多台主机可以同时与串行设备交互 操作和数据通信，串行设备的数据需要向已建立连接的多台远端主机同时发送。串口服务 器常常工作于此模式下。 客户端c l i e n t 模式，当串口服务器工作于c l i e n t 模式下，远端主机则作为s e r v e r 端。 此时多个串行设备作为客户端主动连接r v e r ，一台远端主机可以同时管理多个串行设 备。远端主机常常工作于在此模式下。 当两个串口服务器配对使用时，即一个串口服务器作为s e r v e r 端而另一个串口服务器 作为c l i e n t 端，两个串口服务器通过以太网通信，这种情况下串行设备一般都是一对一进 行数据通信的。 综合串口服务器的应用特性，设计出一套较为合理的解决方案。串口服务器的系统流 程图如图4 一l 所示。系统上电启动，内核启动并建立文件系统，系统启动完成后执行脚本 自动读取配置文件s 2 e p r o x y c f g ，根据配置文件信息完成串口服务器串行端口设备初始化 以及网络参数的初始化工作，并进入相应的工作模式。 初始化完毕后，系统创建一个负责接收配置参数的进程，该进程负责接收远端主机发 送的参数配置数据，并将这些数据保存在s 2 e p r o x y c f g 中，当接收到特定结束符时则通知 一1 7 一 浙江工业大学硕士学位论文 系统重新初始化。 服务器模式下，系统为每路串行端口都创建一个并发服务器，可以使多个远端主机同 时管理一个串口设备。不同串行端口之间相互独立互不影响。