基于PPP的TMS320C6x嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

 摘要：PPP是TCP/IP協(xié)議族中的重要協(xié)議之一，它能適應(yīng)多種傳輸介質(zhì)，安全性好，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。本文結(jié)合TMS320C6x的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)包，研究基于PPP的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)方案，介紹一種以低層PPP API為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：PPP 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò) TCP/IP TMS320C6x

　　隨著嵌入式應(yīng)用的普及，嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題日益引人關(guān)注。在信息化進(jìn)程中，如何實(shí)現(xiàn)資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設(shè)備必須回答的問(wèn)題，嵌入式系統(tǒng)也不例外。

　　在傳統(tǒng)的工控領(lǐng)域，大量以單片機(jī)為代表的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備、過(guò)程控制設(shè)備等，面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。因?yàn)樵诠I(yè)化進(jìn)程中，信息化正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，而網(wǎng)絡(luò)則是信息共享的基礎(chǔ)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，由于應(yīng)用環(huán)境千差萬(wàn)別，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)也見(jiàn)仁見(jiàn)智，方案之間差異很大。由于近幾年電子技術(shù)的發(fā)展，以TCP/IP為代表的通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用日益增多，開(kāi)始逐漸被人們接受。但是，TCP/IP協(xié)議的真正優(yōu)勢(shì)在上層，它適合于大范圍的信息共享。如何將品種繁多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并非TCP/IP所長(zhǎng)，為了解決這個(gè)難題，人們想到了PPP（Point to Point Protocol）。

　　在TCP/IP協(xié)議族中，PPP本來(lái)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)結(jié)的，其特點(diǎn)是適應(yīng)多種傳輸介質(zhì)和可靠性高。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，這是兩個(gè)被非常看重的優(yōu)點(diǎn)，所以采用PPP作為嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注[1]。為了利用PPP的優(yōu)點(diǎn)，一些系統(tǒng)甚至在已經(jīng)具備以太網(wǎng)的環(huán)境中仍然采用PPP，這就是所謂的以太網(wǎng)承載PPP技術(shù)（PPPoE）[2]。

1 TMS320C6x網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)PPP的支持

　　為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，TI結(jié)合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。該開(kāi)發(fā)包采用緊湊的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了用較少的資源耗費(fèi)支持TCP/IP。從實(shí)用效果看，NDK僅用200~250K程序空間和95K數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，包括應(yīng)用層的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)DSP上網(wǎng)的重要支撐工具。

　　與常規(guī)的TCP/IP應(yīng)用環(huán)境不同，為了最大限度地減少資源消耗，TI為其NDK采用了許多特殊技巧，重要的有：

　?、?UDP socket和RAW socket不使用發(fā)送或接收緩沖區(qū)；

　?、?TCP socket使用發(fā)送緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)依配置文件而定；

　?、?低層驅(qū)動(dòng)程序與協(xié)議棧之間通過(guò)指針傳遞數(shù)據(jù)，不對(duì)包進(jìn)行復(fù)制拷貝；

　?、?設(shè)置專門的線程清除存儲(chǔ)器中的碎片和檢查存儲(chǔ)器泄露。

　　要特別注意“低層驅(qū)動(dòng)程序與協(xié)議棧之間的通信”。因?yàn)樵谇度胧较到y(tǒng)中，低層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序一樣均需要開(kāi)發(fā)者自行設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，在以NDK為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)中，開(kāi)發(fā)人員需要分別設(shè)計(jì)低層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，這兩部分程序通過(guò)NDK提供的TCP/IP包發(fā)生關(guān)聯(lián)。程序的執(zhí)行過(guò)程是：應(yīng)用程序調(diào)用TCP/IP包，TCP/IP包再調(diào)用低層的驅(qū)動(dòng)程序。

　　在NDK中，對(duì)低層驅(qū)動(dòng)程序與TCP/IP包之間的接口作了明確規(guī)定。換言之，低層驅(qū)動(dòng)程序必須符合接口約定，其要點(diǎn)是：

　　① 由低層驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用TCP/IP包函數(shù)創(chuàng)建PPP連接實(shí)例，在連接實(shí)例中，以回調(diào)函數(shù)的形式將用于處理數(shù)據(jù)發(fā)送的函數(shù)名傳遞給TCP/IP包；

　?、?當(dāng)TCP/IP包有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，直接調(diào)用PPP創(chuàng)建時(shí)由低層驅(qū)動(dòng)程序傳遞來(lái)的函數(shù)名；

　?、?當(dāng)?shù)蛯域?qū)動(dòng)程序接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用TCP/IP包函數(shù)發(fā)送到IP層。

低層驅(qū)動(dòng)程序直接面向硬件，為了適應(yīng)硬件的多樣性，在NDK中也提供了多種實(shí)現(xiàn)PPP的方法。

2 PPP低層驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)和實(shí)現(xiàn)方案

　　PPP低層驅(qū)動(dòng)程序在硬件和TCP/IP包之間傳遞PPP幀；但是，面向硬件和TCP/IP包的PPP幀是不同的。面向硬件的PPP幀由六個(gè)字段組成：

　?、?Flag標(biāo)志（7E），1字節(jié)；

　?、?Address地址（FF），1字節(jié)；

　?、?Control控制（03），1字節(jié)；

　　④ Protocol協(xié)議，2字節(jié)；

　?、?Payload凈荷，小于1500字節(jié)；

　?、?CRC檢查和，2字節(jié)。

　　而面向TCP/IP包的PPP幀則只有④和⑤兩個(gè)字段。所以，PPP低層驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)可以歸納為：在硬件和TCP/IP包之間提供數(shù)據(jù)通道，在物理上實(shí)現(xiàn)鏈路層上的信息發(fā)送與接收，在邏輯上對(duì)PPP幀進(jìn)行處理和加工。

　　在NDK中，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議棧提供了三套實(shí)現(xiàn)PPP的函數(shù)。即低層 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低層PPP API 只能從內(nèi)核層調(diào)用，用戶應(yīng)該非常熟悉內(nèi)核的操作，如llEnter()/ llExit() 函數(shù)對(duì)等，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)的限制較大，但應(yīng)用范圍寬廣。HDLC API 可在用戶程序中調(diào)用，由TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，配合HAL層的串行驅(qū)動(dòng)程序llSerial，提供在常規(guī)串口上的PPP能力，應(yīng)用范圍有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太網(wǎng)的PPP接口，對(duì)硬件端的要求更加嚴(yán)格。

　　為了使開(kāi)發(fā)的PPP低層驅(qū)動(dòng)程序具有較寬的適應(yīng)能力，我們選擇低層 PPP API作為開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。低層 PPP API的函數(shù)包括：

　　pppNew() 創(chuàng)建一個(gè)PPP會(huì)話連接；

　　pppFree() 釋放一個(gè)PPP會(huì)話連接；

　　pppTimer() 1s的定時(shí)器函數(shù)；

　　pppInput() 發(fā)送已接收到的PPP 輸入緩沖區(qū)。

　　在低層 PPP API中最重要的是創(chuàng)建函數(shù)。通過(guò)對(duì)pppNew()的深入研究，我們可以把握住PPP低層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。pppNew()的接口為：

HANDLE pppNew(HANDLE hSI ， uint pppFlags ，uint mru ， IPN IPServer ， IPN IPMask ， IPN IPClient, char *Username, char *Password, UINT32 cmap, void (*pfnSICtrl)(HANDLE， uint ， UINT32, HANDLE ));

　　pppNew包含有許多參數(shù)，重要的有：hSI 供回調(diào)函數(shù)使用的句柄、pppFlags 連接選項(xiàng)標(biāo)志、mru 最大接收單元數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)掩碼、用戶名稱和口令等。其中，最重要的參數(shù)是回調(diào)函數(shù)的指針：pfnSICtrl 。當(dāng)TCP/IP包需要通過(guò)PPP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將使用該指針提供的函數(shù)。

　

　　回調(diào)函數(shù)由PPP低層驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)人員負(fù)責(zé)編寫，但它的接口是由pppNew的參數(shù)決定的?；卣{(diào)函數(shù)的接口界面為：

　　void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)

　　參數(shù)的含義為：hSI與特定PPP連接會(huì)話（由pppNew創(chuàng)建）相聯(lián)系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代碼，Data關(guān)于消息代碼的附加信息。hPkt是最重要的，當(dāng)消息代碼為SI_MSG_ SENDPACKET時(shí)，表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的句柄。

　　PPP 通常在三類情況下調(diào)用該回調(diào)函數(shù)，即：

　　① SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的連接狀態(tài)已經(jīng)改變；

　?、?SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在請(qǐng)求一將數(shù)據(jù)幀編碼和傳輸；

　?、?SI_MSG_PEERCMAP LCP 已經(jīng)收到對(duì)等的 32 位異步字符映射。

3 編程舉例

　　下面給出兩段代碼，說(shuō)明在PPP低層驅(qū)動(dòng)程序中如何接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收數(shù)據(jù)通過(guò)pppInput函數(shù)實(shí)現(xiàn)，核心代碼如下：

HANDLE hPkt;

HANDLE hFrag;

uint Offset,ValidSize;

UINT8 *pb;

// 生成1500字節(jié)payload包

if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );

hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存儲(chǔ)器碎片

pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包頭指針

Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );

if( Offset <= 2 ) Offset = 0;

else Offset-=2;

pb += Offset; // 置pb指針到寫數(shù)據(jù)開(kāi)始處

// 利用指針“pb”向數(shù)據(jù)包中填充數(shù)據(jù)；hFrag是向PPP傳

//遞的句柄

FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );

return( hPkt );

　　發(fā)送數(shù)據(jù)的情況要復(fù)雜一些，需要使用回調(diào)函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：

void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )

{…switch( Msg )

{

case SI_MSG_CALLSTATUS:

if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )

{ // Close PPP

if( hSI→hPPP )

{

hTmp = hSI→hPPP;

hSI→hPPP = 0;

pppFree( hTmp );

}

break;

case SI_MSG_PEERCMAP:

break;

case SI_MSG_SENDPACKET:

// 確認(rèn)數(shù)據(jù)包有效

// 取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)參數(shù)

// 計(jì)算“凈荷”（payload）的起始地址

// 發(fā)送數(shù)據(jù)

// 釋放數(shù)據(jù)包

break;

}

}

結(jié) 語(yǔ)

　　自1994年P(guān)RECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP開(kāi)發(fā)包以來(lái)，如何在以DSP為硬件環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)中支持TCP/IP就一直引人關(guān)注。隨著硬件水平的提高和應(yīng)用的深入，基于DSP的TCP/IP應(yīng)用日漸增多。由于嵌入式系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境，它的鏈路層情況非常復(fù)雜,所以開(kāi)發(fā)方法與常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)方式有稍許不同，NDK自身已體現(xiàn)出了這種差異。目前，將PPP應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中仍是一種新的、積極的嘗試。在NDK中，提供了多種方式支持PPP通信。我們認(rèn)為，在操作系統(tǒng)層面開(kāi)發(fā)基于PPP的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該采用低層 PPP API，這樣可以適應(yīng)更多的應(yīng)用需求和嵌入式應(yīng)用環(huán)境。