基于DSP的嵌入式網(wǎng)絡(luò)瘦服務器的研究

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)上的實現(xiàn),并論述了以TMS320VC5402為核心處理器的嵌入式網(wǎng)路瘦服務器的研制。該系統(tǒng)簡化了TCP/IP的實現(xiàn)，使嵌入式系統(tǒng)成功接入Internet，具有靈活，方便，可移動性等特點。并給出了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的應用前景。
關(guān)鍵詞：TCP/IP,TMS320VC5402,RTL8019AS,網(wǎng)絡(luò)瘦服務器；

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、種類非常多，在各種不同的微處理器上實現(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，本文精簡了TCP/IP的實現(xiàn)，只保留其中最核心的部分，實現(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)服務器接收和處理來自遠端的數(shù)據(jù)，另一方面還能作為Web服務器給遠程客戶機提供HTTP訪問。

2．系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

    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DSP，適應遠程通信等實時嵌入式應用的需要。它有高度的操作靈活性和運行速度，具有專用硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外圍設(shè)備以及一個高度專業(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)存儲器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流等特點，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器映射區(qū)之間以及內(nèi)部存儲器與片內(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的負擔，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送與存儲。

    本文中以太網(wǎng)控制芯片采用臺灣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)需對遠程DMA操作 ^[5]。本系統(tǒng)中，TMS320VC5402通過IO空間對RTL8019AS進行控制以及數(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瘦服務器提供不同的電壓。TMS320VC5402是主處理器，它主要負責對網(wǎng)卡芯片RTL8019AS接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理分析，存儲，并可以以USB或RS485串口總線的方式與上位機相連，其工作過程為DSP通過McBsp接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，當McBsp緩沖區(qū)數(shù)據(jù)滿時觸發(fā)DMA控制器并進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了McBsp與DMA控制器的配合工作。網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS主要負責對網(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

    系統(tǒng)軟件部分是本文研究的重點，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)議分為四個部分^[6]的定義，系統(tǒng)軟件的設(shè)計也分為相應的四個部分，即：網(wǎng)卡底層驅(qū)動程序，ARP以及RARP程序?qū)W(wǎng)絡(luò)接口層；IP，ICMP以及IGMP程序?qū)ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)層；TCP和UDP程序部分對應網(wǎng)絡(luò)傳輸層；HTTP服務程序?qū)獞脤印?/P>

3.1 網(wǎng)卡驅(qū)動程序設(shè)計

    在網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的驅(qū)動程序設(shè)計中主要涉及到RTL8019AS的寄存器配置，DSP對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)計等。

◆ RTL8019AS寄存器以及對它們的初始化配置

    RTL8019AS的內(nèi)部輸入輸出地址共32個，地址偏移量為00H—1FH。其中00H—0FH共16個地址，為寄存器地址。10H—17H共8個地址，為DMA地址。18H—1FH共8個地址，為復位端口^[5]。本文中我們只用到了上面的地址中只有18個，即00H—0FH共16個寄存器地址,10H DMA地址,1FH 復位地址。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8019中的數(shù)據(jù)進行讀取。在查詢方式下，主程序通過CURR和Boundary兩個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

    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)都有自己的尋址機制，所以兩層之間必須進行地址之間的轉(zhuǎn)換。向以太網(wǎng)中發(fā)送IP數(shù)據(jù)時，如果目的IP地址在ARP高速緩存表中查詢相應的以太網(wǎng)地址失敗，ARP會先保留待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報，然后廣播一個詢問目的主機硬件地址的ARP報文，等收到回答后再將IP數(shù)據(jù)報發(fā)送出去,RARP協(xié)議恰恰相反，它負責將以太網(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，其具體過程為：發(fā)送ARP廣播請求時，目的以太網(wǎng)地址全為1；接收到ARP數(shù)據(jù)包時首先判斷ARP數(shù)據(jù)包的類型，如果是ARP請求包，則將自己的MAC地址拷貝到數(shù)據(jù)包中，生成ARP應答包，然后發(fā)送出去；如果收到的是ARP應答包，則存儲遠程主機的MAC地址。

3.2 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層的程序設(shè)計

    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，所有的應用都要通過它在Internet進行數(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。ICMP協(xié)議主要是用于差錯控制。IGMP協(xié)議主要是用于支持主機和路由器迸行多播^[5]。為了簡化TCP/IP協(xié)議，在本系統(tǒng)中只涉及到IP,ICMP的程序設(shè)計。

◆ IP數(shù)據(jù)報實現(xiàn)

    在本協(xié)議棧中，IP層的實現(xiàn)就是把要發(fā)送出去的消息進行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)包進行IP解包，即去掉包頭，送到TCP層。

    IP協(xié)議的實現(xiàn)主要流程是：當接收到以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包時，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行更進一步的處理。見圖2：

◆ ICMP數(shù)據(jù)報的格式及其實現(xiàn)

    由于本文所研究的是嵌入式瘦服務器，所以我們簡化了ICMP的程序設(shè)計，只涉及ECHO和ECHO REPLAY消息,目的是為了測試另一臺主機是否可達。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，如果是則生成相應的ICMP REPLAY幀，并發(fā)送出去。

 3.3  傳輸層的程序設(shè)計

     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。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，是能動態(tài)滿足互聯(lián)網(wǎng)的要求并能處理各種錯誤的可靠性協(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)向遠方主機之前，必須先建立TCP接入。在建立TCP連接時，用到了三向握手機制。包含數(shù)據(jù)的每一個TCP段都應該取得對端返回的應答段（ACK），作為握手信號來保證數(shù)據(jù)被可靠地接收。應答段本身不再需要應答，避免應答陷入無窮的嵌套。每一個TCP段中都包含一個序號，并以這個序號作為數(shù)據(jù)流的定位器，而返給客戶機的應答號則表達所發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)妥收。消除傳輸中的錯誤，仰賴持續(xù)跟蹤已發(fā)出數(shù)據(jù)段的應答是否返回。在設(shè)定的時間段內(nèi)，如果未收到該段的應答則應重發(fā)。如果還是未收到應答，則適當增加間隔時間再次重發(fā)。在總的極限時間段內(nèi)一直不能等到應答返回，則本次接入失效不能再用，并應將出錯情況及時通知應用程序。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TCP協(xié)議時不得不采取大幅度的調(diào)整。同一時間只能有一個TCP任務，不支持分片和重組，只能同時接收和處理一個TCP包，不支持類型服務安全選項。在MCU啟動時，將打開本地的80端口，作為一個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，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 應用層的程序設(shè)計

    TCP／IP的應用層協(xié)議主要有Telnet協(xié)議、文件傳輸協(xié)議FTP、簡單郵件協(xié)議SMTP、簡單的網(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)中我們在MCU的Flash中存儲了一個HTML 網(wǎng)頁，客戶端存在外部請求時，傳輸網(wǎng)頁給客戶端，從而同時實現(xiàn)了一個Web服務器^[8]。

3.5 整體軟件框架

    系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計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)動程序設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理部分主要包括來自遠程采集數(shù)據(jù)的接收與處理，存儲和對來自網(wǎng)絡(luò)客戶機的訪問的處理等。圖4即為系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體架構(gòu)。

4.系統(tǒng)的應用前景

    本系統(tǒng)主要應用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，處理，即可以作為Web服務器為外部所訪問，又可以為遠程采集到的數(shù)據(jù)進行處理和存儲。該系統(tǒng)不僅利用了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹姶蠊δ?，還結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)的靈活性，在不久的將來當IPV6得以實現(xiàn)的時候，每個嵌入式系統(tǒng)都擁有自己獨立的IP地址將成為可能，本系統(tǒng)也將有更加廣闊的應用前景^[9]。

參考文獻：

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