嵌入式uIPTCP/IP協(xié)議棧在基于DSP系統(tǒng)中的應用

謝文娣

（安徽新華學院，安徽 合肥 230088）

近年來，嵌入式技術發(fā)展迅速并在許多電子產(chǎn)品（如手持式、便攜式）中都有廣泛的應用[1]，而嵌入式產(chǎn)品網(wǎng)絡化是當今社會一股不可抵擋的研究潮流。嵌入式系統(tǒng)必須具有網(wǎng)絡互連功能才能快速地與設備通信，以太網(wǎng)是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)技術。由于有些嵌入式系統(tǒng)要求網(wǎng)絡的實時性較高，因此本文使用精簡TCP/IP協(xié)議?！猽IP協(xié)議棧來實現(xiàn)基于DSP的嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接入功能，下面詳細闡述其設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件平臺

TMS320C5000系列是16 bit定點DSP，通常被應用在如VoIP以及IP電話網(wǎng)關等通信領域中?；贒SP的嵌入式系統(tǒng)中選擇的數(shù)字信號處理芯片是TI公司的TMS320VC5510芯片，網(wǎng)卡芯片選擇的是由Cirrus Logic公司生產(chǎn)的CS8900AS芯片。系統(tǒng)硬件接口基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

TMS320VC5510芯片是由TI公司生產(chǎn)的第一個基于定點TMS320C55x核，具有低功耗、高性能的16 bit數(shù)字信號處理器[2]。Cirrus Logic公司專門設計了以太網(wǎng)控制器CS8900A，這款網(wǎng)卡芯片主要應用在對可靠性要求極高的工業(yè)控制領域中[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件平臺

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件上，DSP完成數(shù)據(jù)包的讀和寫工作，主要是通過軟件編程來控制CS8900A以太網(wǎng)控制芯片中的各寄存器，從而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的通信功能[4]。圖 2所示為uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應用程序之間的接口關系圖。

圖2 uIP協(xié)議棧與各層之間的接口關系圖

2.1 底層驅(qū)動程序的設計

本系統(tǒng)采用查詢方式來完成CS8900A芯片的軟件編程控制工作。這一工作主要分為以下3個過程：

（1）首先是完成以太網(wǎng)控制芯片的初始化工作，由初始化函數(shù) ethernet_driver_init（void）來完成發(fā)送/接收配置寄存器的相關設置工作，如對CS8900A進行軟件復位、設置以太網(wǎng)接口參數(shù)以及設置以太網(wǎng)的硬件地址。

（2）若發(fā)送數(shù)據(jù)，則由數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)ethernet_driver_write（）先將發(fā)送命令寫入CS8900A的TxCMD寄存器中，其次在CS8900A的Txlength寄存器中寫入將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長度，接著檢查BusStatus寄存器的PPD，待PPD處于空閑狀態(tài)時將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀寫入CS8900A中，最后CS8900A將自動決定數(shù)據(jù)幀以相應的報文根據(jù)TxCMD寄存器的設置向以太網(wǎng)上發(fā)送。

（3）若以太網(wǎng)接收到數(shù)據(jù)包，則由數(shù)據(jù)接收函數(shù)ethernet_driver_write（）讀取數(shù)據(jù)包，CS8900A將根據(jù)接收配置寄存器的設置自動對接收的報文進行預處理。

2.2 uIP協(xié)議棧的設計

由瑞典計算機科學學院的Adam Dunkels開發(fā)的uIP協(xié)議棧是一種免費的、可實現(xiàn)的且非常小的TCP/IP協(xié)議棧，它是為8 bit和 16 bit處理器專門設計的[5]。uIP協(xié)議棧是使用C語言編寫的，它移植起來方便而且代碼也相當簡潔。uIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通信流程，占用的資源少，處理速度快。

基于DSP的嵌入式系統(tǒng)uIP協(xié)議棧中，根據(jù)需要只實現(xiàn)了 ARP、IP、ICMP、UDP協(xié)議。TCP提供面向連接的、可靠的、點對點的服務[6]，但 TCP開銷大，傳輸速度慢；雖然UDP是面向無連接的，由于UDP沒有可靠性的保證機制，因此能以較快的速度進行數(shù)據(jù)通信；UDP協(xié)議的開銷很小，傳輸率比TCP高出很多，實時性更強，所以uIP協(xié)議中采用UDP協(xié)議作為運輸層協(xié)議。該uIP協(xié)議棧的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 uIP協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

2.3 uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)

uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)主要集中在uip.c的源文件里，代碼簡潔。圖4所示為uIP整個系統(tǒng)的主程序流程圖。在這個主程序流程圖中，初始化工作是由底層硬件完成的，主要是對物理層的一些接口進行配置和綁定。uIP協(xié)議棧接收數(shù)據(jù)包的過程實際上就是對數(shù)據(jù)包進行解析，當網(wǎng)絡驅(qū)動設備發(fā)送數(shù)據(jù)包過來時，首先讀取數(shù)據(jù)包判斷是IP包還是ARP包，如果是ARP包，則進行ARP處理；若是IP包，則判斷其上層協(xié)議是UDP協(xié)議還是ICMP協(xié)議，再分別對其進行處理。當有數(shù)據(jù)發(fā)送時，網(wǎng)絡驅(qū)動設備的硬件將自行判別數(shù)據(jù)包并且完成數(shù)據(jù)包的封裝工作。

圖4 uIP協(xié)議棧數(shù)據(jù)包處理流程圖

2.3.1 ARP協(xié)議

ARP協(xié)議是由源文件Uip_arp.c實現(xiàn)的，其中包含uip_arp_init（）、uip_arp_timer（）、uip_arp_update（）、uip_arp_arpin（）和 uip_arp_out（）5 個函數(shù)。 uip_arp_init（）完成 ARP 的初始化工作，初始化ARP首部、入口地址等。uip_arp_timer（）完成動態(tài)映射表的老化功能，這個函數(shù)每10 s被調(diào)用一次，若動態(tài)映射表里的映射關系在連續(xù)20 min內(nèi)沒有發(fā)生變化，則其映射將失效。uip_arp_update（）完成動態(tài)映射表的更新功能。void uip_arp_arpin（）對接收到的 ARP分組進行處理。uip_arp_out（）完成ARP請求的自動發(fā)送功能，它是在即將發(fā)送一個IP分組前被調(diào)用。

2.3.2 IP協(xié)議

IP協(xié)議由ip_recv和ip_send兩個函數(shù)段來實現(xiàn)。ip_send函數(shù)段完成IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送功能，接收上層協(xié)議傳送過來的數(shù)據(jù)包加上IP首部進行封裝，然后設置srcipaddr、destipaddr、proto 及 ipchksum， 最后交給下層協(xié)議處理好發(fā)送；ip_recv函數(shù)段完成IP數(shù)據(jù)包的接收功能，當收到數(shù)據(jù)包時首先判斷其 vhl、length、destipaddr及ipchksum是否正確，然后根據(jù)IP報文首部的類型碼將該數(shù)據(jù)包交給相應的上層協(xié)議處理。

2.3.3 ICMP協(xié)議

ICMP協(xié)議主要由標志段icmp_input實現(xiàn)。ICMP協(xié)議在實現(xiàn)時比較簡單，具體操作是將ICMP的報文字段從回送類型變成回送應答類型，再另外計算checksum并修改checksum字段。

2.3.4 UDP協(xié)議

UDP協(xié)議主要由函數(shù)udpfound和udpsend兩個標志段實現(xiàn)。udpfound函數(shù)段負責處理收到的UDP數(shù)據(jù)，包括取出源IP地址、目的地址和源端口，并判斷它的端口號和校驗和是否都正確，如果正確再獲取目的端口，調(diào)用應用程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)包進行相應處理，否則丟棄。udpsend函數(shù)段完成UDP數(shù)據(jù)包的發(fā)送功能，如果接收到來自應用程序的數(shù)據(jù)，而這時又有數(shù)據(jù)要發(fā)送，那么首先分配空間給待發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后拷貝數(shù)據(jù)到UDP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分，并對UDP首部各個字段對應的源端口號和目的端口號進行設置，最后再調(diào)用ip_send函數(shù)將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)交給IP協(xié)議發(fā)送。

3 系統(tǒng)仿真

利用計算機進行仿真時，在uIP協(xié)議棧中，將目標機（也就是開發(fā)板）的IP地址設置成 129.27.137.103，區(qū)別于PC的129.27.137.104，即構(gòu)成局域網(wǎng)使得它們能在同一個網(wǎng)段內(nèi)進行通信。假設已經(jīng)建立了一條成功的通信鏈路，這時應該出現(xiàn)當服務器發(fā)出命令，目標機立即會給出回應這樣的結(jié)果。DOS操作系統(tǒng)下ICMP測試圖如圖5所示。從圖5中可以得知，發(fā)送的4個ICMP數(shù)據(jù)包均得到了回應，其中最長的回應時間為18 ms，最短的回應時間不到1 ms，平均回應時間為10 ms。這時說明開發(fā)板與計算機建立了一條可靠的連接，ping通信成功，為系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)，提供了可靠的基礎。

圖5 DOS操作系統(tǒng)下ICMP測試圖

本文利用計算機進行了仿真測試，完成了DSP與PC的ping通信，實現(xiàn)了基于DSP的嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的功能。但仍需解決的問題是，由于UDP協(xié)議不可靠、面向無連接，難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包亂序到達、數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。因此針對這些現(xiàn)象可以對數(shù)據(jù)進行一些處理，如對每一組數(shù)據(jù)進行順序標記，這樣可以在應用層發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和亂序，從而予以更正；在數(shù)據(jù)包前后加一校驗碼保證接收數(shù)據(jù)正確等，這將在后續(xù)工作中討論。

[1]王采蓮，郭志強.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在指揮網(wǎng)絡中的實現(xiàn) [C].AECC專題學術研討會論文集，2007，20（5）：162-163.

[2]TI.TMS320VC5510AI DataSheet[Z].2004.

[3]Cirrus Logic.CS8900A Product Data Sheet[EB/OL].[2007-08-01]http：//www.cirrus.corn.

[4]岳世為，尹為民.uIP協(xié)議棧在基于DSP以太網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應用[J].計算機與數(shù)字工程，2010，38（1）：187.

[5]DUNKELS A.The uIP Embedded TCP/IP Stack[EB/OL].[2006-06-01]http：//www.Sics.se.

[6][阿根廷]Scaglia Sergio.嵌入式 Internet TCP/IP基礎、實現(xiàn)及應用[M].潘琢金，徐蕾，拱長青，等，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2008.