一種軟硬結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)遠程調(diào)試方法
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引 言
隨著全球化的進程，越來越多的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計工作可能由地處兩個相距很遠地方甚至兩個國家的設(shè)計團隊共同完成，或者設(shè)計在一個地方完成，制造在另外一個地方完成。于是，就有了這樣一種情況，一個地方的工程師需要對處在另一個遙遠地方的嵌入式系統(tǒng)進行程序調(diào)試和程序更新。當(dāng)然,首先會想到的是可以在設(shè)計系統(tǒng)時，就使它支持網(wǎng)絡(luò)接口，在嵌入式系統(tǒng)上面運行諸如Telnet的服務(wù)器端程序，這樣，使用某種客戶端程序就可以從遠程訪問到該嵌入式系統(tǒng)。但是，使用這種方法的成本太大，需要為嵌入式系統(tǒng)加上額外的網(wǎng)絡(luò)通信接口芯片，還要為支持TCP/IP棧增加額外的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。本文介紹一整套通過硬件和軟件來完成對嵌入式系統(tǒng)的遠程調(diào)試方法。
圖1
1 基本方法
圖1（a）是傳統(tǒng)的嵌入式調(diào)試方法：主機PC通過串口與從機嵌入式系統(tǒng)相連，接收從嵌入式系統(tǒng)發(fā)來的調(diào)試信息并向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送調(diào)試指令，主機和從機之間只能有幾米或者幾十米的距離。圖1（b）是現(xiàn)在比較流行的遠程嵌入式調(diào)試方法：主機PC和從機嵌入式系統(tǒng)分別通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機通過諸如Telnet之類的協(xié)議向嵌入式系統(tǒng)接收調(diào)試信息和發(fā)送指令。本文介紹的方法是將這兩者結(jié)合起來，位于遠端的嵌入式系統(tǒng)與其相鄰的PC2通過串口相連，主機PC1和從機PC2各自通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機PC1仍然通過Telnet協(xié)議（使用Windows自帶的“超級終端”程序）與從機PC2通信，在從機PC2上運行一種我們設(shè)計的軟件Telent2com，其將Telnet協(xié)議轉(zhuǎn)換成串口的數(shù)據(jù)收發(fā)。為了能夠更好地完成對遠端的嵌入式系統(tǒng)的控制，還使用了Telnet協(xié)議中特殊的控制命令來通過串口的額外控制線和一定的硬件電路完成對嵌入式系統(tǒng)，如電源和I/O輸入的控制，如圖1(c)所示。
使用這種方法單從嵌入式系統(tǒng)的角度來說，基本上沒有增加任何額外的電路和成本，仍和第一種方法一樣對外使用串口進行通信。雖然增加了一臺額外的PC機，但是對于那些在正常工作中不需要使用網(wǎng)絡(luò)，只在測試和調(diào)試時需要使用網(wǎng)絡(luò)來完成調(diào)試和更新固件的嵌入式系統(tǒng)來說，這臺額外的PC機只能算作是一個調(diào)試工具。
此外，由于增加了通過網(wǎng)絡(luò)完成對嵌入式系統(tǒng)的電源和I/O輸入的控制，相對于第2種方法，即使在調(diào)試中嵌入式系統(tǒng)由于某種原因死機了，仍能從遠端通過控制電源，使系統(tǒng)上電復(fù)位；而對系統(tǒng)I/O輸入的控制，則可以更好完成模擬系統(tǒng)與外界的交互模擬。
整個系統(tǒng)的工作由兩部分構(gòu)成：① Telnet到串口之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的PC端程序；② 使用串口控制線控制嵌入式系統(tǒng)電源和I/O輸入的接口電路。
圖2
2 接口電路的設(shè)計
接口電路主要是完成將串口RXD和TXD以外的控制線（如RTS、CTS等）對嵌入式系統(tǒng)電源或者I/O輸入進行控制。為了防止嵌入式系統(tǒng)可能對PC串口的影響，采用圖2所示的電路。通過使用光耦來達到PC串口和嵌入式系統(tǒng)之間的電氣隔離，通過使用繼電器能夠控制不同電壓的電源和不同電平的信號。
3 Telnet到串口轉(zhuǎn)換的軟件
Telnet是一種最基本的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，其通信協(xié)議由RFC0854定義。它是建立于TCP協(xié)議之上的用于傳送數(shù)據(jù)和控制信息的協(xié)議。在默認情況下，其使用TCP端口23。最初設(shè)計它的目的，是為建立一種基于網(wǎng)絡(luò)的串行終端仿真協(xié)議。這也正是為什么可以使用Telnet協(xié)議傳送串口數(shù)據(jù)的原因。
通過Telnet傳送的數(shù)據(jù)基本以原來的格式（如果是0xFF數(shù)據(jù)，則以兩個0xFF表示）填充到TCP消息的有效數(shù)據(jù)載荷區(qū)。對于控制信息（如轉(zhuǎn)入二進制模式命令，以及我們自定義的控制電源和I/O的命令）則通過在控制命令前加IAC轉(zhuǎn)意字符（0xFF）方式混雜在普通數(shù)據(jù)中傳送。這樣就可以避免像FTP協(xié)議使用額外的端口來傳送控制信息的必要，降低程序的復(fù)雜度。
這里所要設(shè)計的Telnet到串口協(xié)議的轉(zhuǎn)換程序(telnet2com)實際上是一個Telnet的服務(wù)器。它接受來自圖1（c）中主機PC1客戶端的Telnet鏈接請求，然后向PC1客戶端通過Telnet協(xié)議發(fā)送其從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時將接收到的Telnet數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。
在Windows操作系統(tǒng)，大部分的服務(wù)器(如IIS)都是以Windows NT服務(wù)組件(service)的形式存在于系統(tǒng)中的，它們在系統(tǒng)啟動后就一直運行在后臺，等待事件的觸發(fā)（如某個TCP端口是否有鏈接請求）。作為服務(wù)組件，其與一般Windows程序的不同之處是：它必然包含名為NtServiceEntry的入口函數(shù)，當(dāng)Windows開始運行一個服務(wù)組件時，首先運行這個入口函數(shù)，而非通常的main函數(shù)。
void NtServiceEntry(char *sServiceName) {
SERVICE_TABLE_ENTRY dispatchTable[] =
{
{TEXT(sServiceName), (LPSERVICE_MAIN_FUNCTION)ServiceMain},
{NULL, NULL}
};
StartServiceCtrlDispatcher(dispatchTable);
}
在入口函數(shù)中，必須定義一個dispatchTable的結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)名稱sServiceName以及服務(wù)的實際主函數(shù)ServiceMain，并通過StartServiceCtrlDispatcher函數(shù)真正完成服務(wù)的注冊和運行。一旦一個服務(wù)組件啟動后，除了不斷監(jiān)聽某端口外，還需要響應(yīng)服務(wù)管理器（service mananger）的不同請求（如暫停服務(wù)）。因此將服務(wù)的實際功能設(shè)計成一個子進程bridgeThread，由服務(wù)的主進程調(diào)用該子進程，而服務(wù)的主進程則專門用來響應(yīng)服務(wù)管理器的請求。
圖3
圖3是子進程bridgeThread的流程。首先，使用Winsock對特定端口進行監(jiān)聽。然后，通過消息循環(huán)，當(dāng)接收到鏈接請求的事件后，將串口初始化。之后，消息循環(huán)就不斷響應(yīng)來自Telnet和串口的寫請求，將Telnet的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，直到收到Winsock斷開鏈接的請求。
在接收到來自Telnet客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)后發(fā)送到串口之前，必須掃描接收到數(shù)據(jù)中是否有IAC轉(zhuǎn)義字符。如果有，必須將它們?nèi)サ?，而且對于定義的如控制電源和I/O的命令必須進行相關(guān)的操作。反之，從串口接收的數(shù)據(jù)在發(fā)送到Telnet客戶端之前，必須在所有的0xFF字符之前多加一個0xFF。下面是對從Telnet接收的數(shù)據(jù)進行掃描過程的代碼。
case WSA_READ://Telnet收到數(shù)據(jù)事件
while((iBytes=ReadSocketData(&(g_lpBridgeCfg->sockClient),sTcpBufferIn,MAXSIZE_TCPBUFFER))!=-1) {//讀數(shù)據(jù)
iPos = 0;
iPosComBuffer = 0;
while (iPos < iBytes) {//掃描數(shù)據(jù)
if(sTcpBufferIn[iPos]==0xFF) {//如果是IAC
iPos++;
switch(sTcpBufferIn[iPos]) {
case 0xff://是否為正常數(shù)據(jù)0xFF
sComBufferOut[iPosComBuffer++]=sTcpBufferIn[iPos++];
break;
default:
handleCmd(sTcpBufferIn[iPos++]);
//命令處理
}
}
else {//如果不是
sComBufferOut[iPosComBuffer++]=
sTcpBufferIn[iPos++];//寫到Com緩沖
}
}
}
SetEnevnt(g_hEvent[COM_WRITE]);//觸發(fā)Com寫事件
WSAResetEvent(g_hEvent[WSA_READ]);//復(fù)位winsock讀事件
break;
這里主要使用了Winsock的API來完成Telnet部分的數(shù)據(jù)讀取;串口部分是通過將串口虛擬成一個文件，通過文件讀寫的API來完成的。此外，為了對串口其他控制線的控制，使用了GetCommState()和SetCommState()兩個Windows API來完成。
在實驗中，使用這樣一套遠程調(diào)試系統(tǒng)，曾與遠在韓國的設(shè)計中心進行聯(lián)合調(diào)試并進行嵌入式系統(tǒng)固件程序更新下載，雖然相對于本地下載速度慢了很多，但是仍然比其他方式（如電子郵件+手工下載）更為便捷，結(jié)果更為直觀。
4 總結(jié)
使用這樣一套軟硬件系統(tǒng)來完成嵌入式系統(tǒng)的遠程調(diào)試，既節(jié)省了大量的人力物力，又節(jié)約了開發(fā)的時間。此外，如果它和配套的測試軟件結(jié)合，可以突破一臺電腦只有一兩個串口，同時只能測試一個嵌入式系統(tǒng)的局限，使一臺主機同時可以和很多個嵌入式系統(tǒng)相連，完成自動測試和協(xié)同測試。
參考文獻
1 王建華,張煥生,侯麗坤.Windows核心編程.北京：機械工業(yè)出版社，2000
2 Postel J, Renold J. RFC 854Telnet Protocol Specification. 1983
3 msdn.microsoft.com
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