嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端報文收發(fā)機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn)

1、 引言
計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，幾乎延伸到各個領(lǐng)域，已經(jīng)成為很多嵌入式系統(tǒng)的重要功能組件[1]，并且衍生出新型終端，如IP電話、IPTV等。在嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)報文的收發(fā)依靠協(xié)議棧完成，其功能集中在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。通常的報文接收機(jī)制是在鏈路層以上建立接收任務(wù)，通過查詢物理層的通信狀態(tài)或者由物理層中斷觸發(fā)[2]，來接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。這兩種方式都有一定的缺陷。查詢方式，就是接收任務(wù)按照某種規(guī)則檢查底層是否收到新數(shù)據(jù)，簡單可靠，但由于網(wǎng)絡(luò)通信是一種隨機(jī)的離散事件，查詢方式可能對處理器資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)，加大通信延時。中斷方式相對靈活，延時固定，但在程序中引入了更多的上下文切換，在復(fù)雜度和可靠性上略有不足。本文提出一種中斷與查詢結(jié)合使用的方法，通過實(shí)踐，表明這套收發(fā)機(jī)制具有高效、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。
2、 收發(fā)機(jī)制
本文的目標(biāo)是充分利用嵌入式系統(tǒng)的處理器和存儲器資源，保證網(wǎng)絡(luò)終端報文收發(fā)的實(shí)時性和吞吐量。本系統(tǒng)按圖1的基本架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，由三層功能模塊和兩級緩存構(gòu)成一條接收通道和一條發(fā)送通道。上層是系統(tǒng)應(yīng)用程序。底層負(fù)責(zé)物理鏈路上的數(shù)據(jù)收發(fā)。中層由協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)接口適配器驅(qū)動負(fù)責(zé)上層和底層的數(shù)據(jù)交互。有兩級緩存，上層與中層之間的二級緩存用于網(wǎng)絡(luò)報文的封裝和解析；中層與底層之間的一級緩存分為接收緩存和發(fā)送緩存，采用環(huán)行結(jié)構(gòu)，作用是解決終端與網(wǎng)絡(luò)之間異步問題。接收過程分為三個階段，主要工作在RX2階段；發(fā)送過程分為兩個階段，上層和中層屬于同一階段(TX2)。原因是發(fā)送過程是主動過程，由高層發(fā)起并控制低層完成，而接收過程中低層先得到數(shù)據(jù)，但只能等待而不能控制高層的響應(yīng)。通常物理層、媒體訪問控制(MAC)和一級緩存可以使用網(wǎng)絡(luò)接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 實(shí)現(xiàn)，NIC能獨(dú)立完成物理鏈路上的報文收發(fā)。
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2、1接收流程

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本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)報文接收過程RX2階段如圖2。初始狀態(tài)下，打開接收中斷A和一級緩沖溢出中斷B。若物理層收到一幀或多幀數(shù)據(jù)，就存入一級接收緩存，并向處理器發(fā)出中斷請求。系統(tǒng)將會執(zhí)行相應(yīng)中斷程序，檢查一級接收緩存是否溢出。如果溢出，就對其復(fù)位,并回到初始狀態(tài)。否則，關(guān)閉中斷A、B，向協(xié)議棧的接收任務(wù)發(fā)出一次接收通知。接收任務(wù)每次收到該通知，就從一級緩存取出一幀數(shù)據(jù)，保存到二級緩存，并按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)交上層，之后，檢查一級緩存內(nèi)是否仍有新數(shù)據(jù)。如果沒有，就清除中斷A的有效狀態(tài)，然后重新打開中斷A、B。如果有，就直接進(jìn)入下輪接收過程。如此，一次突發(fā)過程中如果網(wǎng)絡(luò)中有多幀數(shù)據(jù)到達(dá)終端，能夠直接由上層一一接收，而不需一次次中斷。
2、2發(fā)送流程
本系統(tǒng)報文發(fā)送過程TX2階段如圖3，實(shí)現(xiàn)方式與接收不同，無專門任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)送功能，而是由協(xié)議棧提供一套統(tǒng)一接口，上層應(yīng)用程序借此發(fā)送數(shù)據(jù)。首先在二級緩存中形成網(wǎng)絡(luò)報文，然后檢查一級緩存中發(fā)送緩存，待其可用，將數(shù)據(jù)從二級緩存復(fù)制到一級緩存，啟動發(fā)送。之后，NIC通常能夠自動完成余下的物理層發(fā)送工作。此刻，系統(tǒng)主動查詢接收通道的工作狀態(tài)。如果發(fā)生中斷A或B，就觸發(fā)軟中斷。于是，構(gòu)成一種多點(diǎn)隨機(jī)查詢機(jī)制。[!--empirenews.page--]
本系統(tǒng)中，報文接收流程本是一種被動方式，相對查詢方式，軟硬件設(shè)計復(fù)雜度高，實(shí)用中很可能由于軟硬件缺陷導(dǎo)致可靠性問題。采用這種中斷結(jié)合多點(diǎn)隨機(jī)查詢的辦法，既克服了周期性查詢的效率低、實(shí)時性差的缺點(diǎn)，又消除了完全被動接收的不可靠性。
3實(shí)現(xiàn)
根據(jù)上文提出的收發(fā)機(jī)制，建立一個實(shí)驗(yàn)終端系統(tǒng)，檢查實(shí)際性能。
3、1系統(tǒng)硬件平臺
本系統(tǒng)核心采用LSI403LP定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，時鐘頻率150MHz，最高速率600MIPS。具有外部指令和數(shù)據(jù)存儲器接口，類存儲器外設(shè)接口，三種接口共享地址、數(shù)據(jù)總線和讀寫等控制信號，但具有各自的片選信號，而且可以單獨(dú)配置，兼容不同訪問時序。
本系統(tǒng)的NIC選用RTL8019AS[4]。該NIC支持ISA總線，可直接按存儲器方式訪問，支持10BASE-T，有16KBytes片內(nèi)SRAM，可作為一級緩存，其中14KB作為接收緩存，2KB作為發(fā)送緩存。

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本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口模塊電路如圖4。8019的JP引腳接高電平，將8019設(shè)置在jumper工作模式。此模式下，8019的部分功能由跳線開關(guān)來設(shè)定，軟件控制使用NE2000寄存器組。LSI403LP對8019的一個訪問周期即PCS0N的一個有效周期，可通過403的寄存器設(shè)置為403時鐘周期的整數(shù)倍。
3、2系統(tǒng)軟件設(shè)計
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本系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5，網(wǎng)絡(luò)通信流程按照上文描述設(shè)計。本系統(tǒng)基于單DSP，采用uC/OS-II 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。uC/OS-II采用基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)內(nèi)核，最高優(yōu)先級任務(wù)一旦就緒就必須搶占處理器[3]，任務(wù)級響應(yīng)時間可預(yù)知，對實(shí)時通信應(yīng)用非常重要。
本系統(tǒng)中存在一個網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)和多個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任務(wù)，NIC作為它們的共享資源，利用一個信號量來進(jìn)行資源分配，以確保這幾個任務(wù)不會同時訪問NIC，導(dǎo)致NIC故障。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將一臺PC作為主機(jī)與一臺實(shí)驗(yàn)終端通過10Base-T以太網(wǎng)直接連通，不通過任何中間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行以下測試，考察本系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的性能。
4、1中斷頻率
主機(jī)向?qū)嶒?yàn)終端發(fā)送100字節(jié)的ICMP回傳請求報文，發(fā)送10萬次，發(fā)送速率約8330次/秒，占用帶寬約7.0Mbps。實(shí)驗(yàn)終端收到ICMP報文并且解析正確則是一次成功接收，但并不響應(yīng)。LSI403與8019采用不同通信帶寬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。
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表1說明，在終端內(nèi)部，隨著上層與一級緩存通信速率的降低，接收中斷次數(shù)大大減少，報文丟失數(shù)有一定增加，但收到的報文數(shù)遠(yuǎn)高于中斷次數(shù)。說明本系統(tǒng)的接收機(jī)制，能夠有效減少中斷和任務(wù)切換對處理器資源的消耗，彌補(bǔ)上層與一級緩存通信速率的不足。表1中第6種配置下，有大量數(shù)據(jù)包丟失，原因是403外部總線通信速率略高，數(shù)據(jù)傳輸出錯。
總線通信速率低，與處理器速度慢或者協(xié)議棧效率低對網(wǎng)絡(luò)報文接收性能的影響是一致的，因此，這些都能夠采用本系統(tǒng)的接收機(jī)制來獲得較大的改善。
4、2帶寬
采用表1中第5種配置，測試環(huán)境與中斷頻率測試相同，ICMP回傳請求報文長度分別為60和1514字節(jié)。主機(jī)配置是2.4GHz奔4處理器，256MDDR內(nèi)存，RTL8139快速網(wǎng)卡，按0ms間隔(即最高速度)發(fā)送數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如表2。本系統(tǒng)兩種情況下的吞吐量分別可以達(dá)到5.77Mbps和9.55Mbps，說明本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬具有很高的使用效率。
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4、3沖擊測試
計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點(diǎn)都可能遭到大量數(shù)據(jù)沖擊，導(dǎo)致發(fā)生故障，甚至無法自動恢復(fù)。為檢測本系統(tǒng)抗沖擊能力，主機(jī)向?qū)嶒?yàn)終端連續(xù)地發(fā)送長度74字節(jié)的ICMP回送請求報文。相同帶寬下，數(shù)據(jù)包長度越小，收發(fā)頻率越高，通信節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)也就越大。測試過程中，實(shí)驗(yàn)終端只運(yùn)行uC/OS-II操作系統(tǒng)和協(xié)議棧相關(guān)任務(wù)，以及一個用戶任務(wù)(每秒鐘向主機(jī)發(fā)送一個報文)。主機(jī)發(fā)送報文頻率約每毫秒10次，占用帶寬約786KBytes/s。經(jīng)過3000萬次沖擊，終端仍在按1秒間隔發(fā)送報文，并且主機(jī)仍能收到終端的ICMP回送。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?yàn)閷?shí)際應(yīng)用提供很好的穩(wěn)定性保障。

5、結(jié)束語
本文針對嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端，提出了一種中斷結(jié)合多點(diǎn)隨機(jī)查詢的網(wǎng)絡(luò)報文收發(fā)機(jī)制并進(jìn)行實(shí)踐。通過這種機(jī)制既獲得了很高的報文接收速率，同時大大降低了系統(tǒng)的中斷切換、查詢、任務(wù)切換等負(fù)擔(dān)，而且具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。本文的成果已經(jīng)在一種基于LSI403LP的單DSP網(wǎng)絡(luò)電話終端方案中運(yùn)用，在通信速度、丟報率、穩(wěn)定性各方面收到令人滿意的效果。