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摘要:介紹了嵌入式系統(tǒng)TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層及運(yùn)動(dòng)層C代碼的開發(fā)過程,結(jié)合以太網(wǎng)控制器LAN91C96實(shí)現(xiàn)其鏈路層,將通用的上層程序移植到OMAP平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了OMAP平臺(tái)的底層TCP/IP協(xié)議。

隨著人們對(duì)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(duì)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(tái)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(tái)。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。基于OMAP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(duì)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(duì)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(tái)和網(wǎng)絡(luò)分析工具(如Sniffer)便于調(diào)試,其設(shè)計(jì)不針對(duì)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(tái)的網(wǎng)卡硬件重寫外,基本上可以直接移植到OMAP平臺(tái)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(duì)OMAP平臺(tái)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(tái)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(tái),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(tái)上最終實(shí)現(xiàn)基于OMAP的TCP/IP協(xié)議。

2 開發(fā)平臺(tái)
  OMAP的多媒體開發(fā)平臺(tái)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(duì)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(duì)程序調(diào)試。圖2為OMAP平臺(tái)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(duì)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(duì)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(tái)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包工具,它提供一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)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(duì)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(duì)ARP請求與ARP應(yīng)答進(jìn)行不同的處理。應(yīng)答對(duì)方的請求,記錄對(duì)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(duì)收到的IP包用各種條件進(jìn)行過濾,對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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。

6KB的RAM:用來存放數(shù)據(jù)包。
MMU:對(duì)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(duì)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(hào),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(hào)放入接收FIFO;如果接收FIFO不為空,則RCV_INT(接收中斷標(biāo)識(shí))被設(shè)置。檢查接收中斷寄存器狀態(tài),如果有接收中斷,對(duì)應(yīng)其編號(hào),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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào),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(duì)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(duì)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)

[1]Texas Instruments Corp.OMAP5910 Dual Core Processor Technical Reference Manual SPRU602.2002
[2]Texas Instruments Corp.Innovator Development Kit for the OMAP Platform User′s Guide.2003
[3]J Postel.Internet Protocol RFC791.,2004

作者:張陽 唐昆 來源:電子技術(shù)應(yīng)用

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