基于ARM微處理器TCP／IP協(xié)議棧LwlP實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，越來越多的嵌入式設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)化，支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，已成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。而目前嵌入式系統(tǒng)中大量應(yīng)用低速處理器，受內(nèi)存和速度限制，實(shí)現(xiàn)完整的TCP／IP協(xié)議較為困難，LwIP作為較為成熟的嵌入式TCP／IP協(xié)議棧受到了廣泛的應(yīng)用。

1 硬件平臺(tái)
    本通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由以下幾個(gè)部分組成：S3C2410主CPU芯片控制嵌入式外圍設(shè)備的存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)試、顯示等操作；DSP和FPGA負(fù)責(zé)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理；CS8900A負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)；其他部分還包括串口RS232的通信、LCD的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH和SDRAM以及其他硬件控制等。本硬件通信平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。

    嵌入式操作系統(tǒng)選用的是μcosⅡ，μcosⅡ作為目前市場(chǎng)上最小的嵌入式操作系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，提供任務(wù)問通信、同步使用的信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列；具有良好的可裁剪性。

2 TCP／IP協(xié)議棧LwIP的移植
    LwIP由幾個(gè)模塊組成，除TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模塊外(IP，ICMP，UDP，TCP)，還有包括許多相關(guān)支持模塊。這些支持模塊包括：操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)及一組Internet校驗(yàn)和計(jì)算函數(shù)。緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)等大部分模塊LwIP都已經(jīng)獨(dú)立出來，在移植的過程中不需要改動(dòng)，我們只需要實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層以及底層硬件驅(qū)動(dòng)就可以正常工作。
    操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是為了方便LwIP的移植，它在底層操作系統(tǒng)μcosⅡ和LwIP之間提供了一個(gè)接口。這樣，我們?cè)谝浦睱wIP到一個(gè)新的目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，只需修改這個(gè)接口即可。操作系統(tǒng)模擬層需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)量操作函數(shù)、郵箱操作函數(shù)和線程操作函數(shù)三類。
    為支持操作系統(tǒng)模擬層，還需要完成與CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、字的高低位順序等，這些應(yīng)該與實(shí)現(xiàn)μC／OS-Ⅱ時(shí)相一致。另外需要注意的是由于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能由不同的體系結(jié)構(gòu)的CPU組成，其字節(jié)順序可能有兩種方式：Little-endian順序和Big-endian順序。需要注意字節(jié)順序的相互匹配。

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3 底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的框架LwIP已經(jīng)為我們實(shí)現(xiàn)了絕大部分(如圖2所示)，我們只需要在作者設(shè)計(jì)好的框架中完成與底層硬件相關(guān)的部分即可。即我們只需要實(shí)現(xiàn)與硬件相關(guān)的網(wǎng)卡初始化函數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收函數(shù)。

    本文所采用的底層網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900A是C IRRU SLO G IC公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強(qiáng)大。突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。它的主要特點(diǎn)是符合IEEE 802．3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；片內(nèi)帶有4K字節(jié)的RAM來存儲(chǔ)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊方式有I／O模式、Memory模式和DMA模式，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況靈活選擇；帶有傳送、接收低通濾波的10Base2T連接端口；支持10Base2，10Base5和10Base2F的AU I接口；自動(dòng)生成報(bào)頭，自動(dòng)進(jìn)行CRC檢驗(yàn)，沖突后自動(dòng)重發(fā)；全雙工和半雙工可選模式。
    CS8900A初始化部分的主要內(nèi)容如下：
    ·軟件復(fù)位，并檢查復(fù)位完成標(biāo)志是否置位；
    ·設(shè)定Memory工作模式，使其4K內(nèi)存地址映射到主機(jī)內(nèi)存中；
    ·設(shè)定臨時(shí)使用的以太網(wǎng)物理地址，真實(shí)地址需要向權(quán)威機(jī)構(gòu)申請(qǐng)；
    ·設(shè)定接收幀的類型，至少要能接收廣播；
    ·確定數(shù)據(jù)的傳送方向，一般設(shè)為全雙工方式；
    ·中斷使能允許；
    ·使能接收中斷；
    ·確定CS8900A的中斷管腳號(hào)，根據(jù)硬件線路使用情況來確定；
    ·接收發(fā)送使能。
    其中需要說明的是由于TCP／IP通信非常頻繁，在arm中接收發(fā)送數(shù)據(jù)采用中斷模式占用資源太多，因此本文采用的是查詢方式，也可以保證數(shù)據(jù)的基本通信。

    CS8900A的數(shù)據(jù)發(fā)送基本流程如下：在收到由主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)后，偵聽網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。發(fā)送過程中，首先，它添加以太網(wǎng)幀頭(包括先導(dǎo)字段和幀開始標(biāo)志)，然后，生成CRC校驗(yàn)碼，最后，將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]
    數(shù)據(jù)接收時(shí)，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過解碼、去掉幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟后緩存在片內(nèi)。在CRC校驗(yàn)通過后，它會(huì)根據(jù)初始化配置情況，通知主機(jī)CS8900A收到了數(shù)據(jù)幀，然后傳到主機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)中。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4所示。

4 上層Socket基本通信實(shí)現(xiàn)
    LwIP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分的Socket網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)，我們要實(shí)現(xiàn)Socket，的基本通信，只需要在此基礎(chǔ)上通過調(diào)用其Socket網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的客戶機(jī)／服務(wù)器模式即可。儀器作為服務(wù)器方，主機(jī)作為客戶機(jī)進(jìn)行連接。實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖5所示，發(fā)送程控命令FREQ 300，返回FREQ 300．000000MHzOK表示設(shè)置成功。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)已經(jīng)在場(chǎng)強(qiáng)儀AV3942中使用，能夠通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)簡(jiǎn)便實(shí)用，能夠方便、靈活的實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的互聯(lián)。