一種軟硬結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試方法
——
作者：吳明琪 馬潮
時(shí)間：2007-04-18
來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用
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引 言
隨著全球化的進(jìn)程，越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作可能由地處兩個(gè)相距很遠(yuǎn)地方甚至兩個(gè)國(guó)家的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同完成，或者設(shè)計(jì)在一個(gè)地方完成，制造在另外一個(gè)地方完成。于是，就有了這樣一種情況，一個(gè)地方的工程師需要對(duì)處在另一個(gè)遙遠(yuǎn)地方的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試和程序更新。當(dāng)然,首先會(huì)想到的是可以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，就使它支持網(wǎng)絡(luò)接口，在嵌入式系統(tǒng)上面運(yùn)行諸如Telnet的服務(wù)器端程序，這樣，使用某種客戶(hù)端程序就可以從遠(yuǎn)程訪問(wèn)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本文介紹一整套通過(guò)硬件和軟件來(lái)完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(jī)PC通過(guò)串口與從機(jī)嵌入式系統(tǒng)相連，接收從嵌入式系統(tǒng)發(fā)來(lái)的調(diào)試信息并向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送調(diào)試指令，主機(jī)和從機(jī)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(yuǎn)程嵌入式調(diào)試方法：主機(jī)PC和從機(jī)嵌入式系統(tǒng)分別通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)通過(guò)諸如Telnet之類(lèi)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(lái)，位于遠(yuǎn)端的嵌入式系統(tǒng)與其相鄰的PC2通過(guò)串口相連，主機(jī)PC1和從機(jī)PC2各自通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)PC1仍然通過(guò)Telnet協(xié)議（使用Windows自帶的“超級(jí)終端”程序）與從機(jī)PC2通信，在從機(jī)PC2上運(yùn)行一種我們?cè)O(shè)計(jì)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(duì)遠(yuǎn)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(lái)通過(guò)串口的額外控制線和一定的硬件電路完成對(duì)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(lái)說(shuō)，基本上沒(méi)有增加任何額外的電路和成本，仍和第一種方法一樣對(duì)外使用串口進(jìn)行通信。雖然增加了一臺(tái)額外的PC機(jī)，但是對(duì)于那些在正常工作中不需要使用網(wǎng)絡(luò)，只在測(cè)試和調(diào)試時(shí)需要使用網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成調(diào)試和更新固件的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這臺(tái)額外的PC機(jī)只能算作是一個(gè)調(diào)試工具。
此外，由于增加了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)的電源和I/O輸入的控制，相對(duì)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(jī)了，仍能從遠(yuǎn)端通過(guò)控制電源，使系統(tǒng)上電復(fù)位；而對(duì)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(gè)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(jì)
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(duì)嵌入式系統(tǒng)電源或者I/O輸入進(jìn)行控制。為了防止嵌入式系統(tǒng)可能對(duì)PC串口的影響，采用圖2所示的電路。通過(guò)使用光耦來(lái)達(dá)到PC串口和嵌入式系統(tǒng)之間的電氣隔離，通過(guò)使用繼電器能夠控制不同電壓的電源和不同電平的信號(hào)。
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(rèn)情況下，其使用TCP端口23。最初設(shè)計(jì)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(guò)Telnet傳送的數(shù)據(jù)基本以原來(lái)的格式（如果是0xFF數(shù)據(jù)，則以?xún)蓚€(gè)0xFF表示）填充到TCP消息的有效數(shù)據(jù)載荷區(qū)。對(duì)于控制信息（如轉(zhuǎn)入二進(jìn)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(guò)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(lái)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(jì)的Telnet到串口協(xié)議的轉(zhuǎn)換程序(telnet2com)實(shí)際上是一個(gè)Telnet的服務(wù)器。它接受來(lái)自圖1（c）中主機(jī)PC1客戶(hù)端的Telnet鏈接請(qǐng)求，然后向PC1客戶(hù)端通過(guò)Telnet協(xié)議發(fā)送其從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)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?cè)谙到y(tǒng)啟動(dòng)后就一直運(yùn)行在后臺(tái)，等待事件的觸發(fā)（如某個(gè)TCP端口是否有鏈接請(qǐng)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(kāi)始運(yùn)行一個(gè)服務(wù)組件時(shí)，首先運(yùn)行這個(gè)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(gè)dispatchTable的結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)名稱(chēng)sServiceName以及服務(wù)的實(shí)際主函數(shù)ServiceMain，并通過(guò)StartServiceCtrlDispatcher函數(shù)真正完成服務(wù)的注冊(cè)和運(yùn)行。一旦一個(gè)服務(wù)組件啟動(dòng)后，除了不斷監(jiān)聽(tīng)某端口外，還需要響應(yīng)服務(wù)管理器（service mananger）的不同請(qǐng)求（如暫停服務(wù)）。因此將服務(wù)的實(shí)際功能設(shè)計(jì)成一個(gè)子進(jìn)程bridgeThread，由服務(wù)的主進(jìn)程調(diào)用該子進(jìn)程，而服務(wù)的主進(jìn)程則專(zhuān)門(mén)用來(lái)響應(yīng)服務(wù)管理器的請(qǐng)求。
圖3
圖3是子進(jìn)程bridgeThread的流程。首先，使用Winsock對(duì)特定端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。然后，通過(guò)消息循環(huán)，當(dāng)接收到鏈接請(qǐng)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(lái)自Telnet和串口的寫(xiě)請(qǐng)求，將Telnet的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，直到收到Winsock斷開(kāi)鏈接的請(qǐng)求。
在接收到來(lái)自Telnet客戶(hù)端發(fā)來(lái)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?duì)于定義的如控制電源和I/O的命令必須進(jìn)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(hù)端之前，必須在所有的0xFF字符之前多加一個(gè)0xFF。下面是對(duì)從Telnet接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描過(guò)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(xiě)到Com緩沖
}
}
}
SetEnevnt(g_hEvent[COM_WRITE]);//觸發(fā)Com寫(xiě)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(lái)完成Telnet部分的數(shù)據(jù)讀取;串口部分是通過(guò)將串口虛擬成一個(gè)文件，通過(guò)文件讀寫(xiě)的API來(lái)完成的。此外，為了對(duì)串口其他控制線的控制，使用了GetCommState()和SetCommState()兩個(gè)Windows API來(lái)完成。
在實(shí)驗(yàn)中，使用這樣一套遠(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)，曾與遠(yuǎn)在韓國(guó)的設(shè)計(jì)中心進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試并進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)固件程序更新下載，雖然相對(duì)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(lái)完成嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)試，既節(jié)省了大量的人力物力，又節(jié)約了開(kāi)發(fā)的時(shí)間。此外，如果它和配套的測(cè)試軟件結(jié)合，可以突破一臺(tái)電腦只有一兩個(gè)串口，同時(shí)只能測(cè)試一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的局限，使一臺(tái)主機(jī)同時(shí)可以和很多個(gè)嵌入式系統(tǒng)相連，完成自動(dòng)測(cè)試和協(xié)同測(cè)試。
參考文獻(xiàn)
1 王建華,張煥生,侯麗坤.Windows核心編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
2 Postel J, Renold J. RFC 854Telnet Protocol Specification. 1983
3 msdn.microsoft.com
評(píng)論