基于DSP的嵌入式網(wǎng)絡(luò)瘦服務(wù)器的研究

摘要：主要介紹了網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議TCP/IP的原理以及在嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn),并論述了以TMS320VC5402為核心處理器的嵌入式網(wǎng)路瘦服務(wù)器的研制。該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了TCP/IP的實(shí)現(xiàn)，使嵌入式系統(tǒng)成功接入Internet，具有靈活，方便，可移動(dòng)性等特點(diǎn)。并給出了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：TCP/IP,TMS320VC5402,RTL8019AS,網(wǎng)絡(luò)瘦服務(wù)器；

1. 引言

    將嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)結(jié)合起來主要的困難在于，一方面，Internet網(wǎng)上的各種通訊協(xié)議對(duì)于處理器的要求比較高，而嵌入式系統(tǒng)微處理器的資源卻是很有限^[1]；另一方面，嵌入式系統(tǒng)微處理器的型號(hào)、種類非常多，在各種不同的微處理器上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的軟件編程可移植性差 ^[2]。為了能夠使得嵌入式系統(tǒng)接入Internet，本文精簡(jiǎn)了TCP/IP的實(shí)現(xiàn)，只保留其中最核心的部分，實(shí)現(xiàn)了低速度，低內(nèi)存，低成本的嵌入式系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)連接，一方面能夠作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收和處理來自遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)，另一方面還能作為Web服務(wù)器給遠(yuǎn)程客戶機(jī)提供HTTP訪問。

2．系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

    在本系統(tǒng)中我們采用的核心處理器為TI公司的TMS320VC5402，TMS320VC5402是16位定點(diǎn)DSP，適應(yīng)遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要。它有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，具有專用硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個(gè)高度專業(yè)化的指令集^[3]。在本文中，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流較大，我們采用了TMS320VC5402的McBsp接口以及其DMA功能。McBsp具有全雙工通信，雙緩沖的發(fā)送和三緩沖的接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流等特點(diǎn)，能夠完全滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的接收，發(fā)送和處理的要求^[4]。DMA控制器可以在沒有CPU參與的情況下完成存儲(chǔ)器映射區(qū)之間以及內(nèi)部存儲(chǔ)器與片內(nèi)外設(shè)或外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，DMA控制能夠大大減輕CPU的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送與存儲(chǔ)。

    本文中以太網(wǎng)控制芯片采用臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS，它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。按數(shù)據(jù)鏈路的不同， RTL8019AS內(nèi)部分為遠(yuǎn)程DMA通道和本地DMA通道兩部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作 ^[5]。本系統(tǒng)中，TMS320VC5402通過IO空間對(duì)RTL8019AS進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)整體硬件框圖

    系統(tǒng)框圖如上圖所示，整個(gè)系統(tǒng)分為兩大部分，即DSP處理器和網(wǎng)卡部分。系統(tǒng)有專門的電源部分為整個(gè)瘦服務(wù)器提供不同的電壓。TMS320VC5402是主處理器，它主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)卡芯片RTL8019AS接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，存儲(chǔ)，并可以以USB或RS485串口總線的方式與上位機(jī)相連，其工作過程為DSP通過McBsp接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)McBsp緩沖區(qū)數(shù)據(jù)滿時(shí)觸發(fā)DMA控制器并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了McBsp與DMA控制器的配合工作。網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS主要負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的接收與發(fā)送，為了防止干擾，獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)在網(wǎng)卡芯片與外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線之間增加了電氣隔離濾波芯片YCL20F001N。外部接口部分我們采用常用的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件部分是本文研究的重點(diǎn)，由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，所以系統(tǒng)只涉及到TCP/IP中的核心的部分。按照TCP/IP協(xié)議分為四個(gè)部分^[6]的定義，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)也分為相應(yīng)的四個(gè)部分，即：網(wǎng)卡底層驅(qū)動(dòng)程序，ARP以及RARP程序?qū)?yīng)網(wǎng)絡(luò)接口層；IP，ICMP以及IGMP程序?qū)?yīng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層；TCP和UDP程序部分對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層；HTTP服務(wù)程序?qū)?yīng)應(yīng)用層。

3.1 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

    在網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中主要涉及到RTL8019AS的寄存器配置，DSP對(duì)RTL8019AS內(nèi)存的讀取以及發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議ARP和RARP的程序設(shè)計(jì)等。

◆ RTL8019AS寄存器以及對(duì)它們的初始化配置

    RTL8019AS的內(nèi)部輸入輸出地址共32個(gè)，地址偏移量為00H—1FH。其中00H—0FH共16個(gè)地址，為寄存器地址。10H—17H共8個(gè)地址，為DMA地址。18H—1FH共8個(gè)地址，為復(fù)位端口^[5]。本文中我們只用到了上面的地址中只有18個(gè)，即00H—0FH共16個(gè)寄存器地址,10H DMA地址,1FH 復(fù)位地址。RTL8019AS初始化配置為操作方式為跳線方式Jumper；端口I/O base為0300-31FH。

◆ RTL8019AS的數(shù)據(jù)收發(fā)

    處理器對(duì)RTL8019AS的軟件操作，有查詢和中斷兩種方式^[5]。在本文中我們采用了查詢方式對(duì)8019中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。在查詢方式下，主程序通過CURR和Boundary兩個(gè)寄存器的值來判斷是否收到一幀數(shù)據(jù)^[7]。

◆ 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議ARP的程序設(shè)計(jì)

    在TCP／IP協(xié)議通訊中，涉及到的地址是IP地址，這是來自網(wǎng)絡(luò)層的地址，然而以太網(wǎng)都有自己的尋址機(jī)制，所以兩層之間必須進(jìn)行地址之間的轉(zhuǎn)換。向以太網(wǎng)中發(fā)送IP數(shù)據(jù)時(shí)，如果目的IP地址在ARP高速緩存表中查詢相應(yīng)的以太網(wǎng)地址失敗，ARP會(huì)先保留待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)，然后廣播一個(gè)詢問目的主機(jī)硬件地址的ARP報(bào)文，等收到回答后再將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去,RARP協(xié)議恰恰相反，它負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)地址轉(zhuǎn)化為IP地址^[5]。

    在本系統(tǒng)中只涉及到ARP程序設(shè)計(jì)，其具體過程為：發(fā)送ARP廣播請(qǐng)求時(shí)，目的以太網(wǎng)地址全為1；接收到ARP數(shù)據(jù)包時(shí)首先判斷ARP數(shù)據(jù)包的類型，如果是ARP請(qǐng)求包，則將自己的MAC地址拷貝到數(shù)據(jù)包中，生成ARP應(yīng)答包，然后發(fā)送出去；如果收到的是ARP應(yīng)答包，則存儲(chǔ)遠(yuǎn)程主機(jī)的MAC地址。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層的程序設(shè)計(jì)

    網(wǎng)絡(luò)層主要涉及到IP協(xié)議、ICMP協(xié)議和IGMP協(xié)議。IP協(xié)議是TCP/IP中的重點(diǎn)，所有的應(yīng)用都要通過它在Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，IP協(xié)議提供的是不可靠、無連接的數(shù)據(jù)分組傳送服務(wù)。ICMP協(xié)議主要是用于差錯(cuò)控制。IGMP協(xié)議主要是用于支持主機(jī)和路由器迸行多播^[5]。為了簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議，在本系統(tǒng)中只涉及到IP,ICMP的程序設(shè)計(jì)。

◆ IP數(shù)據(jù)報(bào)實(shí)現(xiàn)

    在本協(xié)議棧中，IP層的實(shí)現(xiàn)就是把要發(fā)送出去的消息進(jìn)行IP打包，即加上IP包頭，使之符合IP數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送到物理層；將接收到的來自物理層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行IP解包，即去掉包頭，送到TCP層。

    IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要流程是：當(dāng)接收到以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)IP幀頭中的數(shù)據(jù)類型，轉(zhuǎn)交給不同的子程序進(jìn)行更進(jìn)一步的處理。見圖2：

◆ ICMP數(shù)據(jù)報(bào)的格式及其實(shí)現(xiàn)

    由于本文所研究的是嵌入式瘦服務(wù)器，所以我們簡(jiǎn)化了ICMP的程序設(shè)計(jì)，只涉及ECHO和ECHO REPLAY消息,目的是為了測(cè)試另一臺(tái)主機(jī)是否可達(dá)。其主要工作過程為先判斷所收到的ICMP數(shù)據(jù)包是否為ECHO幀，如果是則生成相應(yīng)的ICMP REPLAY幀，并發(fā)送出去。

 3.3  傳輸層的程序設(shè)計(jì)

     傳輸層主要包括UDP協(xié)議和TCP協(xié)議，在本文中主要涉及到TCP的程序設(shè)計(jì)。傳輸控制協(xié)議TCP提供面向連接的可靠的字節(jié)流通信服務(wù)，是能動(dòng)態(tài)滿足互聯(lián)網(wǎng)的要求并能處理各種錯(cuò)誤的可靠性協(xié)議^[5]。

◆ TCP連接的建立與關(guān)閉

    TCP工作過程是： 建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、關(guān)閉連接。在將數(shù)據(jù)發(fā)向遠(yuǎn)方主機(jī)之前，必須先建立TCP接入。在建立TCP連接時(shí)，用到了三向握手機(jī)制。包含數(shù)據(jù)的每一個(gè)TCP段都應(yīng)該取得對(duì)端返回的應(yīng)答段（ACK），作為握手信號(hào)來保證數(shù)據(jù)被可靠地接收。應(yīng)答段本身不再需要應(yīng)答，避免應(yīng)答陷入無窮的嵌套。每一個(gè)TCP段中都包含一個(gè)序號(hào)，并以這個(gè)序號(hào)作為數(shù)據(jù)流的定位器，而返給客戶機(jī)的應(yīng)答號(hào)則表達(dá)所發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)妥收。消除傳輸中的錯(cuò)誤，仰賴持續(xù)跟蹤已發(fā)出數(shù)據(jù)段的應(yīng)答是否返回。在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，如果未收到該段的應(yīng)答則應(yīng)重發(fā)。如果還是未收到應(yīng)答，則適當(dāng)增加間隔時(shí)間再次重發(fā)。在總的極限時(shí)間段內(nèi)一直不能等到應(yīng)答返回，則本次接入失效不能再用，并應(yīng)將出錯(cuò)情況及時(shí)通知應(yīng)用程序。關(guān)閉TCP接入分為4向握手才能完成^[6]。

    由于TMS320VC5402的資源有限，因此，在設(shè)計(jì)TCP協(xié)議時(shí)不得不采取大幅度的調(diào)整。同一時(shí)間只能有一個(gè)TCP任務(wù)，不支持分片和重組，只能同時(shí)接收和處理一個(gè)TCP包，不支持類型服務(wù)安全選項(xiàng)。在MCU啟動(dòng)時(shí)，將打開本地的80端口，作為一個(gè)Passive Port，等待網(wǎng)絡(luò)上的客戶端設(shè)備連接，這就能提供HTTP服務(wù)的支持。

◆ TCP數(shù)據(jù)的處理

    TCP數(shù)據(jù)的處理包括兩種情況：發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)前面加上TCP包頭再發(fā)送到IP層。接收TCP數(shù)據(jù)包處理過程如下圖3所示：

3.4 應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)

    TCP／IP的應(yīng)用層協(xié)議主要有Telnet協(xié)議、文件傳輸協(xié)議FTP、簡(jiǎn)單郵件協(xié)議SMTP、簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP和超文本連接協(xié)議HTTP等等。本系統(tǒng)中我們?cè)贛CU的Flash中存儲(chǔ)了一個(gè)HTML 網(wǎng)頁，客戶端存在外部請(qǐng)求時(shí)，傳輸網(wǎng)頁給客戶端，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Web服務(wù)器^[8]。

3.5 整體軟件框架

    系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)主要分為硬件初始化部分和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送處理部分，其中硬件初始化部分主要包括TMS320VC5402的初始化以及其McBsp和DMA控制器的配置，USB接口芯片的初始化，RS485串行接口的初始化，網(wǎng)卡芯RTL8019的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理部分主要包括來自遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)的接收與處理，存儲(chǔ)和對(duì)來自網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)的訪問的處理等。圖4即為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)。

4.系統(tǒng)的應(yīng)用前景

    本系統(tǒng)主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，處理，即可以作為Web服務(wù)器為外部所訪問，又可以為遠(yuǎn)程采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。該系統(tǒng)不僅利用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)大功能，還結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)的靈活性，在不久的將來當(dāng)IPV6得以實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都擁有自己獨(dú)立的IP地址將成為可能，本系統(tǒng)也將有更加廣闊的應(yīng)用前景^[9]。

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