一種軟硬結合的嵌入式系統遠程調試方法

摘要：介紹一種軟硬件相結合來(lái)實(shí)現嵌入式系統遠程調試的方法。其主要思想是，通過(guò)使用一個(gè)程序將串口和Telnet協(xié)議進(jìn)行轉換，主機通過(guò)Telnet從遠端訪(fǎng)問(wèn)與嵌入式系統用串口直接相連的PC機，從而間接訪(fǎng)問(wèn)到嵌入式系統，獲得調試信息、發(fā)送指令和更新固件；同時(shí)，通過(guò)附加的硬件電路，完成遠端對嵌入式系統的電源和I/O的控制，從而獲得更為全面的調試手段。


關(guān)鍵詞：多維力傳感器 MSC1210 微位移檢測

引 言

　　隨著(zhù)全球化的進(jìn)程，越來(lái)越多的嵌入式系統的設計工作可能由地處兩個(gè)相距很遠地方甚至兩個(gè)國家的設計團隊共同完成，或者設計在一個(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處在另一個(gè)遙遠地方的嵌入式系統進(jìn)行程序調試和程序更新。當然,首先會(huì )想到的是可以在設計系統時(shí)，就使它支持網(wǎng)絡(luò )接口，在嵌入式系統上面運行諸如Telnet的服務(wù)器端程序，這樣，使用某種客戶(hù)端程序就可以從遠程訪(fǎng)問(wèn)到該嵌入式系統。但是，使用這種方法的成本太大，需要為嵌入式系統加上額外的網(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據存儲器。本文介紹一整套通過(guò)硬件和軟件來(lái)完成對嵌入式系統的遠程調試方法。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1

1 基本方法

　　圖1（a）是傳統的嵌入式調試方法：主機PC通過(guò)串口與從機嵌入式系統相連，接收從嵌入式系統發(fā)來(lái)的調試信息并向嵌入式系統發(fā)送調試指令，主機和從機之間只能有幾米或者幾十米的距離。圖1（b）是現在比較流行的遠程嵌入式調試方法：主機PC和從機嵌入式系統分別通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò )上，主機通過(guò)諸如Telnet之類(lèi)的協(xié)議向嵌入式系統接收調試信息和發(fā)送指令。本文介紹的方法是將這兩者結合起來(lái)，位于遠端的嵌入式系統與其相鄰的PC2通過(guò)串口相連，主機PC1和從機PC2各自通過(guò)以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò )上，主機PC1仍然通過(guò)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上運行一種我們設計的軟件Telent2com，其將Telnet協(xié)議轉換成串口的數據收發(fā)。為了能夠更好地完成對遠端的嵌入式系統的控制，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(xiàn)和一定的硬件電路完成對嵌入式系統，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外使用串口進(jìn)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 )，只在測試和調試時(shí)需要使用網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成調試和更新固件的嵌入式系統來(lái)說(shuō)，這臺額外的PC機只能算作是一個(gè)調試工具。

　　此外，由于增加了通過(guò)網(wǎng)絡(luò )完成對嵌入式系統的電源和I/O輸入的控制，相對于第2種方法，即使在調試中嵌入式系統由于某種原因死機了，仍能從遠端通過(guò)控制電源，使系統上電復位；而對系統I/O輸入的控制，則可以更好完成模擬系統與外界的交互模擬。

　　整個(gè)系統的工作由兩部分構成：① Telnet到串口之間通信協(xié)議轉換的PC端程序；② 使用串口控制線(xiàn)控制嵌入式系統電源和I/O輸入的接口電路。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2

2 接口電路的設計

　　接口電路主要是完成將串口RXD和TXD以外的控制線(xiàn)（如RTS、CTS等）對嵌入式系統電源或者I/O輸入進(jìn)行控制。為了防止嵌入式系統可能對PC串口的影響，采用圖2所示的電路。通過(guò)使用光耦來(lái)達到PC串口和嵌入式系統之間的電氣隔離，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。

3 Telnet到串口轉換的軟件

　　Telnet是一種最基本的網(wǎng)絡(luò )應用層協(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據和控制信息的協(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)議傳送串口數據的原因。

　　通過(guò)Telnet傳送的數據基本以原來(lái)的格式（如果是0xFF數據，則以?xún)蓚€(gè)0xFF表示）填充到TCP消息的有效數據載荷區。對于控制信息（如轉入二進(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轉意字符（0xFF）方式混雜在普通數據中傳送。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，降低程序的復雜度。

　　這里所要設計的Telnet到串口協(xié)議的轉換程序(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PC1客戶(hù)端的Telnet鏈接請求，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據，同時(shí)將接收到的Telnet數據發(fā)送到串口。

　　在Windows操作系統，大部分的服務(wù)器(如IIS)都是以Windows NT服務(wù)組件(service)的形式存在于系統中的，它們在系統啟動(dòng)后就一直運行在后臺，等待事件的觸發(fā)（如某個(gè)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，當Windows開(kāi)始運行一個(gè)服務(wù)組件時(shí)，首先運行這個(gè)入口函數，而非通常的main函數。

void NtServiceEntry(char *sServiceName) {
SERVICE_TABLE_ENTRY dispatchTable[] = 
{
{TEXT(sServiceName), (LPSERVICE_MAIN_FUNCTION)ServiceMain},
{NULL, NULL}
};
StartServiceCtrlDispatcher(dispatchTable);
}

　　在入口函數中，必須定義一個(gè)dispatchTable的結構，包括服務(wù)名稱(chēng)sServiceName以及服務(wù)的實(shí)際主函數ServiceMain，并通過(guò)StartServiceCtrlDispatcher函數真正完成服務(wù)的注冊和運行。一旦一個(gè)服務(wù)組件啟動(dòng)后，除了不斷監聽(tīng)某端口外，還需要響應服務(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(shí)際功能設計成一個(gè)子進(jìn)程bridgeThread，由服務(wù)的主進(jìn)程調用該子進(jìn)程，而服務(wù)的主進(jìn)程則專(zhuān)門(mén)用來(lái)響應服務(wù)管理器的請求。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3

　　圖3是子進(jìn)程bridgeThread的流程。首先，使用Winsock對特定端口進(jìn)行監聽(tīng)。然后，通過(guò)消息循環(huán)，當接收到鏈接請求的事件后，將串口初始化。之后，消息循環(huán)就不斷響應來(lái)自Telnet和串口的寫(xiě)請求，將Telnet的數據發(fā)送到串口，直到收到Winsock斷開(kāi)鏈接的請求。

　　在接收到來(lái)自Telnet客戶(hù)端發(fā)來(lái)的數據后發(fā)送到串口之前，必須掃描接收到數據中是否有IAC轉義字符。如果有，必須將它們去掉，而且對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，從串口接收的數據在發(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。下面是對從Telnet接收的數據進(jìn)行掃描過(guò)程的代碼。

case WSA_READ://Telnet收到數據事件
while((iBytes=ReadSocketData(&(g_lpBridgeCfg->sockClient),sTcpBufferIn,MAXSIZE_TCPBUFFER))!=-1) {//讀數據
iPos = 0;
iPosComBuffer = 0;
while (iPos < iBytes) {//掃描數據
if(sTcpBufferIn[iPos]==0xFF) {//如果是IAC
iPos++;
switch(sTcpBufferIn[iPos]) {
case 0xff://是否為正常數據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部分的數據讀取;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，為了對串口其他控制線(xiàn)的控制，使用了GetCommState()和SetCommState()兩個(gè)Windows API來(lái)完成。

　　在實(shí)驗中，使用這樣一套遠程調試系統，曾與遠在韓國的設計中心進(jìn)行聯(lián)合調試并進(jìn)行嵌入式系統固件程序更新下載，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，結果更為直觀(guān)。

4 總結

　　使用這樣一套軟硬件系統來(lái)完成嵌入式系統的遠程調試，既節省了大量的人力物力，又節約了開(kāi)發(fā)的時(shí)間。此外，如果它和配套的測試軟件結合，可以突破一臺電腦只有一兩個(gè)串口，同時(shí)只能測試一個(gè)嵌入式系統的局限，使一臺主機同時(shí)可以和很多個(gè)嵌入式系統相連，完成自動(dòng)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