PC104計算機網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)設計與研究
關鍵詞：DOS；嵌入式PC104計算機；TCP；UDP；SOCKET；丟幀
1．引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)工程中對嵌入式計算機的體積、功耗、硬件開銷等方面要求的加強，嵌入式計算機不僅僅要實現(xiàn)單一的串行數(shù)據(jù)的傳輸，還要實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。特別是DOS操作系統(tǒng)以其內(nèi)核小、操作簡單、技術成熟等優(yōu)點使其在嵌入式操作系統(tǒng)領域占有重要的地位。但是，DOS操作系統(tǒng)沒有Windows操作系統(tǒng)中Winsock這樣的API，使得網(wǎng)絡通訊的開發(fā)工作量及難度相對較大，下面介紹某火控系統(tǒng)中基于DOS操作系統(tǒng)的UDP網(wǎng)絡通訊軟、硬件系統(tǒng)設計，并在保證UDP通訊快速交付、傳輸?shù)葍?yōu)點的同時，又針對UDP網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)的不可靠性做了必要防護設計，很好的克服了UDP網(wǎng)絡通訊中的丟幀、誤碼這一實際工程難題。
2．網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)的硬件組成
型號為SCM/SDXa的 PC104采用增強型的80486處理器做CPU，板上包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中斷控制器及定時器，ROM-BIOS，32M字節(jié)的DRAM及鍵盤、喇叭接口；在板的外部接口包括兩個串行口、并口、IDE接口、軟盤接口、CRT接口、平板顯示接口、重要的是與NE2000兼容的RTL8019網(wǎng)絡接口。該款PC104做為硬件PCB電路設計的主要核心部件。ST16C554的四串口卡實現(xiàn)串行通訊，isp1032E門電路作為各個分系統(tǒng)的同步基準信號源，8255A并口電路來控制響應外部按鍵。系統(tǒng)編譯軟件采用的是Borland C++。
3．非面向連接的UDP數(shù)據(jù)報套接字網(wǎng)絡通訊
在UDP網(wǎng)絡應用中，首先要調(diào)用Socket建立套接字，然后用bind綁定本地地址、與端口。與面向連接的TCP流式套接字不同的是它不需要偵聽和建立連接，此時通過調(diào)用Recvfrom()和sendto()函數(shù)就可以進行數(shù)據(jù)讀寫了，客戶端與此相同。
圖2 UDP數(shù)據(jù)報套接字調(diào)用過程圖
4．DOS下的UDP網(wǎng)絡通訊設計
4．1網(wǎng)卡驅(qū)動
型號為SCM/SDXa 的PC104內(nèi)嵌的網(wǎng)卡為RTL8019網(wǎng)絡接口芯片，首先要運行RSET8019.exe來設置網(wǎng)卡參數(shù)。主要設置網(wǎng)卡的中斷號為中斷15，基地址為320H（根據(jù)不同款的PC104，進行不同的設置）。然后需要運行NE2000.COM來安裝網(wǎng)卡的底層信息包驅(qū)動。需要設置網(wǎng)卡的軟中斷為0x62.軟中斷可以在60H到70H之間的任何數(shù)。 運行格式如下NE2000 0x62 15 0x320; 最后需要在autoexec.bat里設置：ne2000 0x62 15 0x320。
4．2 UDP網(wǎng)絡通訊工程模型建立
需要在Borland C++下建立工程文件，工程文件中要加入DSOCK.LIB和dsock.h。DSOCK.LIB是DOS 模式下的Dsock庫的支持文件，它是把網(wǎng)絡通訊底層驅(qū)動文件和應用層C編譯文件連接的橋梁。dsock.h是支持Dsock的C語言的頭文件。還要在工程文件夾下根據(jù)不同工程要求修改DSOCK.CFG文件。
DSOCK.CFG文件修改如下：
ip=192.21.209.61
netmask=255.255.255.0
4．3 UDP網(wǎng)絡通訊特點及防丟幀設計與研究
UDP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊是非面向連接的、不可靠的，但是UDP協(xié)議在某些方面有其特殊的優(yōu)點：發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，減少了開銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時延;不使用擁塞控制，也不保證可靠交付,主機不需要維持具有許多參數(shù)的、復雜的連接狀態(tài)表;用戶數(shù)據(jù)報只有8個字節(jié)的首部開銷，要比TCP的20個字節(jié)的首部要短;由于UDP沒有擁塞控制，網(wǎng)絡出現(xiàn)的擁塞不會使主機的發(fā)送速率降低。
為了克服UDP通訊的不可靠性可以通過軟件做類似像TCP“握手”一樣的通訊過程，但是這樣便大大折扣了UDP通訊的優(yōu)點，增加了開銷和延時。為了即保證UDP的交付、通訊的快速性又要避免UDP通訊的不可靠性，在控制軟件中做了以下設計。
1． 在傳輸?shù)拿恳粠校覀円?guī)定報頭信息狀態(tài)字包含了報頭單元序號，即與本地端口號唯一對應的報頭單元序號。例如：在信源（information origin）規(guī)定了報頭單元序號為0x7d對應的端口號為1600，網(wǎng)絡連通后，信宿(information end-result)判斷接收的數(shù)據(jù)報頭單元序號是否為0x7d，是則表示接收來自端口號為1600的數(shù)據(jù)。否則可能是因網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞、擁塞而產(chǎn)生的誤碼、誤幀錯誤。
2． 在傳輸?shù)拿恳粠?，我們?guī)定報頭信息狀態(tài)字包含了信息單元序號，即與每一幀唯一對應的信息單元序號。例如：在第一個時間周期內(nèi)發(fā)送的一幀的信息單元序號為00，而在下一個時間周期內(nèi)發(fā)送的一幀的信息單元序號則做加一處理為01，依次類推直到255完成一個循環(huán)。這樣實現(xiàn)了信源單元序號從0-255的連續(xù)循環(huán)發(fā)送，信宿可以通過檢查信息單元序號的連續(xù)性、完整性來判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有丟幀現(xiàn)象。
3． 對數(shù)據(jù)幀做校驗和運算，所謂的校驗和就是信源對除去信息單元序號、報頭單元序號、信息長度、報文標志等報頭信息外的具體數(shù)據(jù)字節(jié)段做邏輯異或處理。校驗和運算結(jié)果做幀尾送至信宿，信宿接收后對也做解校驗和的運算，如果與信源的一致就表明這幀為有效的網(wǎng)絡信道傳輸數(shù)據(jù)，否則丟棄。
4． 設置時間戳信息，信源的每一幀中包含了發(fā)送該幀時刻的四個字節(jié)時間戳信息，精度為1ms。信宿把本周期內(nèi)接收到的時間戳再打包回送到信源，信源將時間戳與上一周期幀數(shù)據(jù)發(fā)送時刻的時間戳做信息比較，如果一致則說明沒有丟幀現(xiàn)象。
5． 設計了丟幀、誤碼錯誤判斷累加信息，即針對上述四種情況而產(chǎn)生的錯誤信息次數(shù)做累加統(tǒng)計。并且在顯示器上實時的顯示，這樣可以很直觀的顯示出每次網(wǎng)絡通訊過程中具體的錯誤信息次數(shù)，以便更好的改進UDP網(wǎng)絡通訊的不足。
通過以上設計滿足1%的誤碼率測試要求。
4．4 UDP網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)的工程應用
在某工程中，我們采用了10MB/S帶寬的以太網(wǎng)，通訊分系統(tǒng)和上級火控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡傳輸，通訊分系統(tǒng)和伺服分系統(tǒng)、電視分系統(tǒng)通過串行通訊進行連接。isp1032E門陣列時統(tǒng)電路產(chǎn)生不同頻率的時統(tǒng)信號，以達到各個分系統(tǒng)之間同步的目的。UDP通訊主要函數(shù)及流程圖如下：
BOOL Dsock_Open()函數(shù)實現(xiàn)的功能是打開一個Dsock socket 庫。
BOOL Dsock_LoadConfigFile(char *szFile) 函數(shù)是加載網(wǎng)絡設置的配置文件，即我們上邊所提到的dsock.cfg文件。
SOCKET SocketCreate(int nType)函數(shù)創(chuàng)建一個socket類。nType的類型可以為TCP_SOCKET或UDP_SOCKET.
BOOL SocketBind(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort)函數(shù)是實現(xiàn)綁定本地IP地址和本地端口。dwAddr為本地IP地址，wPort為本地端口號。
int SocketDataReady(SOCKET s)函數(shù)實現(xiàn)查詢通過建立的套接字s返回的數(shù)據(jù)。該函數(shù)的返回值為socket 接收到數(shù)據(jù)的個數(shù)。
int SocketRecvFrom(SOCKET s,DWORD *pdwAddr,WORD *pwPort,BYTE *pby,int nlen)函數(shù)為通過UDP Socket 接收到的數(shù)據(jù)。
int SocketSendTo(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort,BYTE *pby,int nlen) 函數(shù)為通過UDP Socket 發(fā)送的數(shù)據(jù)。
圖3 UDP通訊主要實現(xiàn)流程圖
5．結(jié)語
本文介紹了基于DOS下PC104計算機UDP網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)的軟、硬件設計原理和過程，文中提到的一些理論和方法，在某實際工程項目中得到了很好的驗證，并達到實際丟幀碰撞技術指標。本通訊系統(tǒng)的防止丟幀設計設計思想可以推廣到其它嵌入式UDP通訊設備。本文作者創(chuàng)新點：設計如何在DOS操作系統(tǒng)下更好的解決UDP通訊的優(yōu)點與不可靠性這一矛盾問題。
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