随着现代网络技术的发展,嵌入式系统如单片机、DSP等系统对接入网络的需求日益增加,例如具有远程抄表功能的电表系统、可以进行远程控制的信息家电系统等。本文采用TI公司的TMS320VC33 DSP芯片设计与Realtek公司的RTL8019网卡的硬件接口电路,并在DSP中用软件实现TCP/IP协议,使DSP芯片具备上网功能,从而可以用计算机通过网卡与DSP电路板进行大量数据交换并对其进行控制。
1 硬件设计
DSP的数据总线低16位接ISA网卡的16位数据线,ISA网卡的IOCS16线接高电平,设置网卡为16位的模式。
网卡共有20根地址线。将A7～A8、A10～A19接地,A0～A6和A9分别接DSP的A0～A7,用到的网卡地址为0240H～025FH,映射到DSP的Page3空间,地址映射为C000C0H～C000DFH。
DSP的Reset信号用于复位网卡,由于DSP的Reset信号低有效,而网卡的Reset信号高有效,故中间应接非门。
DSP的Page3和R/W信号用于选通网卡的读写信号IOR、IOW,实现的逻辑关系如图2所示。
IRQ9是网卡的中断9,通过非门后接DSP的INT1引脚。
RTL8019网卡有三种工作方式:
第一种为跳线方式,网卡的I/O和中断由跳线决定;
第二种为即插即用方式,由软件进行自动配置plug and play;
第三种为免跳线方式,网卡的I/O和中断由外接的93C46里的内容决定。
计算机上一般实现的是即插即用方式,为了降低软件编程的复杂度,将网卡设置为跳线方式。
上述所有的译码逻辑都在EPM7128中实现。
74ALVC164245是总线驱动芯片,可实现3.3V到5V的电平转换。由于TMS320VC33和EPM7128是3.3V的器件,而ISA总线是5V的,所以信号线不能直接连接,需要通过74ALVC164245进行电平转换和隔离。
2 软件设计
2.1 网卡硬件驱动程序的设计
网卡驱动程序主要包括以下几部分:
(1)NIC的初始化
NIC是网络接口控制芯片,它负责网络上数据的接收和发送。为了能够使NIC启动并处于准备接收或准备发送数据的状态,必须对相关的寄存器进行初始化。这些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCR、RCR等。
(2)中断服务程序
中断服务程序一般完成两项任务:一是设置中断标志,以使相关程序能以此发现发生了中断;二是取得中断状态寄存器的值,并将引起中断的具体原因提交给相应的程序,这一过程也是通过设置中断原因标志完成的。需要注意的是,中断服务程序开始的时候要保护中断现场,待程序处理完成后要恢复中断现场;中断服务程序应尽可能短小,以便在尽可能短的时间内执行完成,因此需要将一些不必要的工作交给其它程序来完成。
(3)帧发送程序
在网络中,帧传输的过程是:发送方将待发送的数据按帧格式要求封装成帧,然后通过网卡将帧发送到网络的传输线上;接收方根据接收到的帧的目的地址确定是否将该帧提交给上层应用程序。帧的发送是指将待发送的数据以帧的形式发送到网络传输线上,因此,帧的发送过程应该包括以下几个步骤:
①装帧;
②将帧送入NIC的发送缓冲区;
③初始化发送控制寄存器;
④启动NIC将该帧发送到网络传输线上。
(4)帧接收程序
帧接收是指将网络上的数据帧接收并缓存于网卡的接收缓冲环中,然后由主机程序将缓存于接收缓冲环的帧读走并存入内存中以备程序使用。从中可以看出,帧的接收过程分成两步:
①第一步由NIC通过本地DMA将帧存入接收缓冲环;
②第二步是通过远程DMA并在主机的配合下将接收缓冲环中的帧读入内存。
2.2 TCP/IP协议的实现
2.2.1 DSP中与PC机中实现TCP/IP协议的不同
TCP/IP协议最先是在UNIX系统中实现的,后来在LINUX、DOS和WINDOWS系统中也实现了TCP/IP。但是,在UNIX上实现的TCP/IP协议的源代码并不能直接移植到DSP上来,这是因为PC机和DSP存在着巨大的差异。
PC机的运算速度非常快,一般都有一个多任务的操作系统,可以多任务并行执行,通过硬中断与软中断、消息队列和各种插口实现TCP/IP各协议层之间的通信和整个网络的通信。而DSP运行速度相对较慢,缺乏多任务操作系统的平台,只能通过顺序执行加硬件中断的方式来实现,并且因其还要同时执行数据采集、串口中断等任务,所以中断程序应尽量短,只完成设置各种状态的标志位,而将相对较慢的网络数据包的处理放在主程序中执行,以减少各种任务之间的冲突。
PC机的内存非常大,现在一般都可达到32～128M的存储容量,可以动态地分配和释放内存,很容易实现存储器缓存mbuf、网络控制块ncb等链状结构,且可随意增删;同时能维持多条网络连接,由于计算机处理速度快,几乎不用考虑缓冲区溢出的问题。而DSP内部RAM一般只有十几K,加上外部扩展的RAM也只能达到几十K的容量,一个最大的以太网数据包就有1.5K左右,如果也按PC机的内存管理方式和数据结构,使用mbuf链,RAM肯定不够用,因此只能在RAM中分配一个固定的1514字节的区段来存放接收到的以太网数据包,接收一包处理一包。
PC机中TCP/IP协议都是分层次实现的,相互之间都是通过参数传递进行联系,这样有利于提高程序的模块化和独立性。而在DSP中,由于参数传递会占用过多的程序空间,且降低DSP的执行速度,所以应尽量减少参数传递,转而使用全局变量和外部变量等来达到值的传递,因此各程序间的依赖程度大,往往会共享某一些变量和数据。
PC机上实现了比较完整的TCP/IP协议。而在DSP中,由于运算速度和内存的限制,不可能支持所有的协议,一般只实现需要的部分,不需要的协议一概都不支持;而且即使需要的协议也不用像在PC机上实现那么复杂,可以根据硬件的具体情况和实现的需求进行必要的简化。
2.2.2 TCP/IP协议的具体实现
TCP/IP协议是一个协议簇,包含了很多协议。
根据DSP的结构特点和所需要实现的功能,在DSP中实现了ARP(地址解析协议)、IP(网际协议)、ICMP(Internet控制报文协议)、UDP(用户数据报协议)和TCP(传输控制协议),并对它们进行了简化。
在链路层中实现了ARP。每种网络都有自己的寻址机制,以太网是通过以太网地址即通常所说的网卡硬件地址MAC进行寻址的,每个网卡出厂时都有一个唯一的MAC地址。IP地址则仅仅是对于TCP/IP协议簇有意义的地址,是一种虚拟地址。当赋予IP地址的IP包要在以太网中传播时,必须将IP地址转化为以太网地址才能进行正确的传输。ARP协议就是将32位的IP地址动态地映射为48位的以太网地址,从而保证网络的正确传输。ARP协议由两个文件arpin.c和arpout.c实现。arpin.c负责接收网络上广播的arp包,判断arp包的类型是网络上其它机子的请求包还是返回本机的响应包,判断其合法性并进行相应的处理;arpout.c负责主机向网络发送数据报时发送arp请求包以及被arpin.c调用响应收到的arp请求包。
在网络层中实现了IP和ICMP。IP协议是TCP/IP协议簇中最核心的协议,它提供无连接的数据报传送服务,所有上层协议都要以IP数据包格式传输。IP协议由两个文件ipin.c和ipout.c实现。ipin.c负责接收IP数据包,收到IP包后,首先判断其版本号、数据长度、目的地址、检验和是否正确,再根据IP首部的协议类型字段的值交给相应的上层协议处理;ipout.c负责发送IP数据包,接收上层协议传递下来的数据,加上20字节的IP首部,正确设置源IP地址和目的IP地址、协议类型,计算检验和,交给下面的链路层发送。PC机上的IP数据包,当它的长度超过网络的MTU时,允许对它分段;在DSP中,则不支持IP数据包分段,也不支持IP选项字段。ICMP协议负责传递差错报文以及其它需要注意的信息,且由ICMP首部8位的类型字段和8位的代码字段决定信息的种类。在DSP中只实现了对回显请求(类型代码为80)报文的处理,从IP层收到ICMP包后,判断其类型代码段是否为80。如果是,将这两个字段设置为00(回显应答),计算检验和,再交给IP层发送;如果不是,则予以丢弃。从而实现了对ping功能的支持。
在运输层实现了UDP和TCP。
UDP协议是一种面向无连接的不可靠的协议,用两个文件udpin.c和udpout.c来实现。udpin.c实现对udp包输入的处理,判断其端口号、检验和是否正确,正确则将其数据交给相应端口的应用程序,不正确则丢弃;udpout.c实现对udp包输出的处理,从应用程序接收数据,设置相应的源端口号和目的端口号,再交给IP层发送。值得注意的是,计算UDP包的检验和与计算IP包的检验和是不一样的,IP包的检验和只覆盖了IP包的首部,而UDP包的检验和则覆盖了UDP包的首部和所有的数据。UDP包计算检验和时还引入了一个12字节的伪首部,包括4字节的源IP地址、4字节的目的IP地址、1字节的零段、1字节的协议段和两字节的检验和,其目的是让UDP两次检查数据是否正确地到达了目的地。
TCP协议与UDP协议虽然同是运输层协议,但是它提供一种面向连接的可靠的字节流服务。TCP协议是所有协议中最复杂、也是最难实现的一块,主要由tcpin.c、tcpout.c、tcptimer.c和tcpstatem.c四个文件分块实现,并根据具体应用的需要进行简化。TCP的控制块tcb用结构体来实现,每一个tcb包含一条TCP连接的所有控制和状态信息,全部的tcb形成了一个双向链表,有利于在所有TCP连接中进行搜索。tcptimer.c负责管理TCP协议中的各种状态信息,它内含前向后向指针,使之形成定时器超时,PC机上的TCP协议包含快慢两个定时器,这里仅仅实现了一个500ms的慢速定时器,因为没有快速定时器,所以不支持ACK报文延迟,收到一帧即立即发送ACK;tcpstatem.c是TCP的状态机函数,根据TCP连接所处的不同状态以及发生的事件来决定TCP连接的状态变迁;tcpout.c负责tcp报文的发送,典型的发送过程是当接收到上层应用程序的数据时,首先发送SYN帧,与目标节点三次握手建立连接,之后加上TCP首部,交给下层IP模块发送,并通过重传定时器实现超时重发、持续定时器发送窗口探测帧等功能,待所有数据发送完毕并得到确认后发送FIN帧,通过四次握手关闭连接,tcpout.c还可在不同状态和事件下被其它程序调用发送ACK帧、RST帧等其它TCP报文;tcpin.c负责接收从下层IP模块接收到的TCP数据包,并根据TCP连接的状态信息以及TCP首部的各个标志位进行分支处理,将数据交给对应端口的上层应用程序,并调用其它函数实现对TCP包的响应和状态变迁。在PC机上往往可以同时维护多条TCP连接;但在DSP上,由于DSP速度和RAM容量的限制,只支持一条TCP连接;这样大大简化了程序的复杂度,同时也满足了实际需要,如果今后有需要,还可以进行扩展。
本文通过DSP与网卡的硬件接口的设计及编程,使DSP实现了基于以太网的TCP/IP通信,从而使DSP可以通过网线进行联网,并可以实时地与计算机进行通信,交换大量的数据和控制信息。本文所介绍的技术已经在作者参加的国家“973”项目“复杂自然环境时空定量信息的获取与融合处理的理论与应用”的硬件设计中得到应用,并运行良好。
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