基于OMAP的嵌入式TCP/IP開發(fā)

隨著人們對智能化產(chǎn)品需求的增加，未來的嵌入式產(chǎn)品，包括各種家電、通信、PDA、儀器儀表等設(shè)備正逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化，以共享互聯(lián)網(wǎng)中龐大的信息資源，因而使嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)有廣闊的市場前景。由于嵌入式硬件資源有限，而傳統(tǒng)的TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度的要求較高，所以不能直接應(yīng)用。為此，必須開發(fā)一套適合嵌入式系統(tǒng)的、高度優(yōu)化的、最為精簡的TCP/IP協(xié)議棧。

開放式多媒體應(yīng)用平臺OMAP(Open Multimedia Application Platform)是美國德州儀器公司推出的高度集成的軟硬件平臺。OMAP具有獨(dú)特的雙芯結(jié)構(gòu)，結(jié)合了DSP與RISC內(nèi)核，可為無線多媒體設(shè)備提供獨(dú)一無二的性能和功耗優(yōu)勢。OMAP可連接十分豐富的外圍設(shè)備，包括USB、攝像頭、聲音設(shè)備、視頻設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。OMAP擁有開放式體系結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用環(huán)境完全可編程。

軟件協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在很大程度上決定了通信終端的質(zhì)量?；贠MAP的3G移動(dòng)終端軟件協(xié)議結(jié)構(gòu)由信令協(xié)議棧和應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧組成，如圖1所示。TCP/IP協(xié)議棧位于應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧的底層，為上層的H.323協(xié)議棧提供基礎(chǔ)與服務(wù)。其性能質(zhì)量將直接決定整個(gè)通信終端軟件系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因此，針對嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，為OMAP系統(tǒng)其設(shè)計(jì)一套高效、簡潔的TCP/IP協(xié)議，對其應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 開發(fā)方案

PC上有功能強(qiáng)大的VC平臺和網(wǎng)絡(luò)分析工具(如Sniffer)便于調(diào)試，其設(shè)計(jì)不針對任何一個(gè)嵌入式芯片，具有較好的通用性和可移植性。在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議，除了以太網(wǎng)層要結(jié)合OMAP平臺的網(wǎng)卡硬件重寫外，基本上可以直接移植到OMAP平臺上，不需要再做大的改動(dòng)。作為一個(gè)通信程序，必然需要兩端程序同時(shí)調(diào)試，在PC機(jī)上編好的程序能對OMAP平臺上程序的調(diào)試提供可靠的幫助。因此，協(xié)議開發(fā)采用先模擬再移植、先整體再部分的設(shè)計(jì)思路，而協(xié)議各層實(shí)現(xiàn)的順序?yàn)樽韵露?。具體步驟是：

(1)在PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)及VC 6.0開發(fā)平臺上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議族的模擬器。該模擬器應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的基本功能，包括以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且實(shí)現(xiàn)的ARP、IP、UDP、TCP層的程序應(yīng)該通用于各種嵌入式系統(tǒng)并可移植。

(2)將該模擬器移植到OMAP開發(fā)平臺，用其以太網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序替換原模擬器的鏈路層程序。在TI提供的CCS平臺上最終實(shí)現(xiàn)基于OMAP的TCP/IP協(xié)議。

2 開發(fā)平臺
　　OMAP的多媒體開發(fā)平臺Innovator主要由4個(gè)模塊組成：PM(處理器模塊)、IM(接口模塊)、EM(擴(kuò)展模塊)、BOB(主連接板)。OMAP處理器在PM上，以太網(wǎng)卡在BOB上。可以通過Innovator上的OMAP1510芯片的ARM微處理器對單片以太網(wǎng)控制器LAN91C96的工作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀的收發(fā)，并通過CCS對程序調(diào)試。圖2為OMAP平臺調(diào)試環(huán)境。

3 在PC上實(shí)現(xiàn)協(xié)議的基本模塊

3.1 主要模塊介紹

(1)主流程：首先對TCP/IP協(xié)議族的各層初始化，成功則進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)采用“中斷＋循環(huán)”結(jié)構(gòu)，簡單且分層清晰。中斷作為應(yīng)用層發(fā)出命令，調(diào)用下層的入口。對于接收到的以太網(wǎng)幀，則由下到上分別進(jìn)入各層進(jìn)行處理。協(xié)議實(shí)現(xiàn)主流程如圖3所示。

(2)PC上的以太網(wǎng)層：在內(nèi)存中開辟接收和發(fā)送兩個(gè)相同的循環(huán)緩沖區(qū)，用于存放接收和發(fā)送的以太網(wǎng)幀。WinPcap軟件是基于Windows平臺的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包工具，它提供一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核級的動(dòng)態(tài)鏈接庫Packet.dll作為標(biāo)準(zhǔn)的API，具有獨(dú)立于操作系統(tǒng)的編程接口。利用其提供的API可直接聯(lián)系網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)與已定義的循環(huán)緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)出，并將網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)。

(3)ARP層：在內(nèi)存中開辟一塊循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)域用于存放已知的IP-MAC對應(yīng)表。該表可以由上層添加，在接收到ARP應(yīng)答時(shí)會(huì)自動(dòng)添加，也可以由上層清空。處理ARP層函數(shù)的過程為：根據(jù)以太網(wǎng)首部協(xié)議字段過濾出ARP包，針對ARP請求與ARP應(yīng)答進(jìn)行不同的處理。應(yīng)答對方的請求，記錄對方的應(yīng)答。

(4)IP層：根據(jù)以太網(wǎng)首部的幀類型標(biāo)志判斷接收到的是不是IP包來處理IP層函數(shù)。如果是，則調(diào)用IP包的接收函數(shù)，對收到的IP包用各種條件進(jìn)行過濾，對于滿足條件的包獲取其長度與指針信息供上層使用。本層另一個(gè)主要函數(shù)是IP包發(fā)送函數(shù)，由上層調(diào)用進(jìn)行IP封裝。

IP的檢驗(yàn)和僅包括IP首部，長度一般為20字節(jié)(如果沒有選項(xiàng))。在接收端，丟棄檢驗(yàn)和不為0xFFFF的包；在發(fā)送端，將計(jì)算所得值的反碼填入檢驗(yàn)和字節(jié)。由于主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)中高低字節(jié)默認(rèn)的順序不同，在讀寫包中的16位、32位數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先進(jìn)行高低字節(jié)的交換。

(5)UDP層：處理UDP層函數(shù)應(yīng)根據(jù)IP首部的協(xié)議字段判斷是否UDP包。如果是，則調(diào)用UDP包接收函數(shù)，用各種條件對其進(jìn)行過濾，提出UDP數(shù)據(jù)及各種有用信息，根據(jù)端口號提交給應(yīng)用進(jìn)程處理。本層的另一個(gè)主要函數(shù)是UDP發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)封裝UDP包(包括載入U(xiǎn)DP數(shù)據(jù)，計(jì)算并填入U(xiǎn)DP首部信息)，最后調(diào)用IP發(fā)送函數(shù)，交由IP層處理。

(6)TCP層：與UDP不同，TCP主機(jī)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前，必須與對方建立連接。與幾個(gè)主機(jī)通信，就要建立幾個(gè)連接。然而，若要知道接收到的TCP包屬于哪個(gè)連接且使得幾個(gè)不同的連接之間獨(dú)立工作、互不干擾，則需要定義TCP的控制模塊。這里用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組實(shí)現(xiàn)，存放所有關(guān)于連接的信息。

處理TCP層函數(shù)，判斷接收包的類型，如果是TCP包，則調(diào)用TCP接收函數(shù)。TCP接收函數(shù)用指定條件進(jìn)行過濾，找到該包所屬的連接或完成一個(gè)新連接的被動(dòng)打開，根據(jù)TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則完成11種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，并且實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)同時(shí)、雙向的傳輸。

TCP的發(fā)送函數(shù)包括主動(dòng)打開、主動(dòng)關(guān)閉(由上層調(diào)用完成新連接的主動(dòng)打開，或主動(dòng)關(guān)閉一個(gè)已建立的連接)和發(fā)送控制包(用于TCP連接的建立與終止，會(huì)在TCP接收函數(shù)中調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)TCP狀態(tài)的轉(zhuǎn)換)三個(gè)函數(shù)。

TCP層還實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)定時(shí)器。TCP重傳定時(shí)器函數(shù)可提供服務(wù)可靠性的有效保障；TCP?；疃〞r(shí)器能夠避免資源的浪費(fèi)。

3.2 程序特點(diǎn)分析

(1)簡單性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP內(nèi)核實(shí)現(xiàn)大約有15000行，而本程序源代碼約有1400行，更適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

(2)可重用性：本程序分層清晰。對于不同的嵌入式系統(tǒng)，可能使用的CPU和以太網(wǎng)卡不同，這就需要針對其特點(diǎn)的以太網(wǎng)層設(shè)計(jì)，而ARP、IP、UDP、TCP則不需要改動(dòng)。

(3)可拓展性：TCP/IP協(xié)議是底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本程序留有很好的接口，可在其上構(gòu)建更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括H.323協(xié)議、ftp、telnet。

4 在OMAP平臺上的移植

4.1 單片以太網(wǎng)控制器LAN91C96

LAN91C96是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10Mbps以太網(wǎng)控制器，具有性能優(yōu)良、功耗低及尺寸小的特點(diǎn)。如圖4所示。

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6KB的RAM：用來存放數(shù)據(jù)包。
     MMU：對RAM進(jìn)行有效管理，為接收和發(fā)送包在RAM中分配存儲(chǔ)空間。
     ARBITE：使MMU和RAM與CPU、CSMA很好地連接。
     CSMA/CD模塊：集成了IEEE 802.3 MAC層協(xié)議，負(fù)責(zé)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)情況和地址過濾。若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數(shù)據(jù)包，否則拋棄。
     ENDEC：負(fù)責(zé)曼徹斯特(Manchester)編解碼。
     收發(fā)器：負(fù)責(zé)與10Mbps以太網(wǎng)物理媒體的連接。

LAN91C96采用地址映射方式，通過訪問Innovator的指定地址對其寄存器訪問。LAN91C96的寄存器在Innovator內(nèi)存中的地址分配為：0x08000300～0x0800030F。寄存器共有4組(BANK0～BANK3)，使用相同的地址，通過BANK_SELECT寄存器選擇。

4.2 移植過程

先實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)程序，再用它替換PC模擬器的以太網(wǎng)層。程序驅(qū)動(dòng)主要包含以下三個(gè)部分：

(1)初始化：主要為Lan91C96的各寄存器填入正確的初始值使其正常工作。

(2)接收：如圖5所示，由CSMA(載波偵聽模塊)接收到符合地址要求的包后，MMU(存儲(chǔ)器管理單元)為其請求在RAM中分配存儲(chǔ)空間并分配一個(gè)編號，DMA將其存入RAM。接著在接收數(shù)據(jù)的前面封裝STATUS和COUNT字節(jié)信息，如果CRC檢測正確，則將其編號放入接收FIFO；如果接收FIFO不為空，則RCV_INT(接收中斷標(biāo)識)被設(shè)置。檢查接收中斷寄存器狀態(tài)，如果有接收中斷，對應(yīng)其編號，上層協(xié)議便可以取出數(shù)據(jù)了。取出后，將該數(shù)據(jù)編號從FIFO中清除。

狀態(tài)字可以從RCR寄存器中讀取，它反映了接收過程出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，如CRC錯(cuò)誤、接收幀過長等。數(shù)據(jù)包的編號從FIFO_PORTS寄存器中獲得，而數(shù)據(jù)指針可從POINTER寄存器中獲得，數(shù)據(jù)信息從DATA寄存器中得到，根據(jù)這些信息將接收數(shù)據(jù)包復(fù)制到CPU內(nèi)存，供上層使用。接收函數(shù)的主要流程如圖6。

(3)發(fā)送：圖7描述了發(fā)送數(shù)據(jù)包在FIFO中的排隊(duì)過程。首先MMU在RAM中分配一定字節(jié)的存儲(chǔ)空間；然后，將分配結(jié)果寄存器中的編號放入PNR寄存器，寫數(shù)據(jù)指針寄存器POINTER并將上層數(shù)據(jù)封裝后拷入DATA寄存器，根據(jù)其編號放入發(fā)送FIFO，排隊(duì)的包將自動(dòng)發(fā)出；發(fā)出包的編號接著進(jìn)入發(fā)送完成FIFO。如果發(fā)送成功，則存儲(chǔ)空間自動(dòng)釋放；否則釋放存儲(chǔ)空間并將其重新排隊(duì)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 內(nèi)存資源占用量

運(yùn)行該TCP/IP協(xié)議棧需要3MB內(nèi)存，而Innovator 提供32MB SDRAM和32MB Flash，內(nèi)存占用率為：3M/64M＝4.7%，完全適用于嵌入式系統(tǒng)。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性

TCP利用以下機(jī)制糾錯(cuò)。數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼：檢驗(yàn)和機(jī)制與重傳機(jī)制；數(shù)據(jù)包的重復(fù)：在接收端會(huì)自動(dòng)舍棄已經(jīng)接收過的數(shù)據(jù)包，并且不發(fā)ACK，故不會(huì)發(fā)生一個(gè)數(shù)據(jù)包接收多次的情況；數(shù)據(jù)包的丟失：接收端在接收完一段數(shù)據(jù)后，會(huì)計(jì)算下一個(gè)預(yù)期數(shù)據(jù)的序號，如果不符合就不發(fā)ACK，從而導(dǎo)致發(fā)端重發(fā)，避免了數(shù)據(jù)包的丟失。經(jīng)測試，在未發(fā)生擁塞情況下，傳輸?shù)恼`碼率幾乎為0。

5.3 文件最大平均傳輸速率

下面就本程序所實(shí)現(xiàn)的利用TCP進(jìn)行文件傳輸功能，給出在不同情況下的最大傳輸速率。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為10Mbps以太網(wǎng)。

理想狀態(tài)下的理論最大吞吐量：假定發(fā)送方傳輸兩個(gè)背對背、滿長度的TCP數(shù)據(jù)，接收方為其發(fā)出兩個(gè)ACK，每包中用戶數(shù)據(jù)量為1460位，總數(shù)據(jù)量為1538位，故最大的用戶數(shù)據(jù)吞吐量為：

本實(shí)驗(yàn)測得文件的平均傳輸速率隨著TCP連接數(shù)的增多有如圖8所示的曲線變化。前半段隨著連接數(shù)的增加成線性增長，后半段由于出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞，整體的平均速率反而有所下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論最大吞吐量有所差距，原因在于：

(1)理論值只是一種理想的狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)中難以達(dá)到。其值是瞬時(shí)最大值，平均值肯定要小，而本實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)為平均值。

(2)受CPU處理速度及文件傳輸過程的讀、寫文件操作的限制。

(3)本程序采用的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是當(dāng)收到上一個(gè)包的ACK之后再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣避免了對接收數(shù)據(jù)的排序，提高了可靠性，但數(shù)據(jù)的傳輸速度會(huì)受到制約。

參考文獻(xiàn)

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