PC104計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

1．引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)工程中對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的體積、功耗、硬件開(kāi)銷等方面要求的加強(qiáng)，嵌入式計(jì)算機(jī)不僅僅要實(shí)現(xiàn)單一的串行數(shù)據(jù)的傳輸，還要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。特別是DOS操作系統(tǒng)以其內(nèi)核小、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)使其在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域占有重要的地位。但是，DOS操作系統(tǒng)沒(méi)有Windows操作系統(tǒng)中Winsock這樣的API，使得網(wǎng)絡(luò)通訊的開(kāi)發(fā)工作量及難度相對(duì)較大，下面介紹某火控系統(tǒng)中基于DOS操作系統(tǒng)的UDP網(wǎng)絡(luò)通訊軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在保證UDP通訊快速交付、傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又針對(duì)UDP網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的不可靠性做了必要防護(hù)設(shè)計(jì)，很好的克服了UDP網(wǎng)絡(luò)通訊中的丟幀、誤碼這一實(shí)際工程難題。

2．網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的硬件組成

型號(hào)為SCM/SDXa的 PC104采用增強(qiáng)型的80486處理器做CPU，板上包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中斷控制器及定時(shí)器，ROM-BIOS，32M字節(jié)的DRAM及鍵盤、喇叭接口；在板的外部接口包括兩個(gè)串行口、并口、IDE接口、軟盤接口、CRT接口、平板顯示接口、重要的是與NE2000兼容的RTL8019網(wǎng)絡(luò)接口。該款PC104做為硬件PCB電路設(shè)計(jì)的主要核心部件。ST16C554的四串口卡實(shí)現(xiàn)串行通訊，isp1032E門電路作為各個(gè)分系統(tǒng)的同步基準(zhǔn)信號(hào)源，8255A并口電路來(lái)控制響應(yīng)外部按鍵。系統(tǒng)編譯軟件采用的是Borland C++。

3．非面向連接的UDP數(shù)據(jù)報(bào)套接字網(wǎng)絡(luò)通訊

在UDP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，首先要調(diào)用Socket建立套接字，然后用bind綁定本地地址、與端口。與面向連接的TCP流式套接字不同的是它不需要偵聽(tīng)和建立連接，此時(shí)通過(guò)調(diào)用Recvfrom()和sendto()函數(shù)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫了，客戶端與此相同。

圖2 UDP數(shù)據(jù)報(bào)套接字調(diào)用過(guò)程圖

4．DOS下的UDP網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)

4．1網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

型號(hào)為SCM/SDXa 的PC104內(nèi)嵌的網(wǎng)卡為RTL8019網(wǎng)絡(luò)接口芯片，首先要運(yùn)行RSET8019.exe來(lái)設(shè)置網(wǎng)卡參數(shù)。主要設(shè)置網(wǎng)卡的中斷號(hào)為中斷15，基地址為320H（根據(jù)不同款的PC104，進(jìn)行不同的設(shè)置）。然后需要運(yùn)行NE2000.COM來(lái)安裝網(wǎng)卡的底層信息包驅(qū)動(dòng)。需要設(shè)置網(wǎng)卡的軟中斷為0x62.軟中斷可以在60H到70H之間的任何數(shù)。 運(yùn)行格式如下NE2000 0x62 15 0x320; 最后需要在autoexec.bat里設(shè)置：ne2000 0x62 15 0x320。

4．2 UDP網(wǎng)絡(luò)通訊工程模型建立

需要在Borland C++下建立工程文件，工程文件中要加入DSOCK.LIB和dsock.h。DSOCK.LIB是DOS 模式下的Dsock庫(kù)的支持文件，它是把網(wǎng)絡(luò)通訊底層驅(qū)動(dòng)文件和應(yīng)用層C編譯文件連接的橋梁。dsock.h是支持Dsock的C語(yǔ)言的頭文件。還要在工程文件夾下根據(jù)不同工程要求修改DSOCK.CFG文件。

DSOCK.CFG文件修改如下：

ip=192.21.209.61

netmask=255.255.255.0

4．3 UDP網(wǎng)絡(luò)通訊特點(diǎn)及防丟幀設(shè)計(jì)與研究

UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊是非面向連接的、不可靠的，但是UDP協(xié)議在某些方面有其特殊的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，減少了開(kāi)銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時(shí)延;不使用擁塞控制，也不保證可靠交付,主機(jī)不需要維持具有許多參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表;用戶數(shù)據(jù)報(bào)只有8個(gè)字節(jié)的首部開(kāi)銷，要比TCP的20個(gè)字節(jié)的首部要短;由于UDP沒(méi)有擁塞控制，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會(huì)使主機(jī)的發(fā)送速率降低。

為了克服UDP通訊的不可靠性可以通過(guò)軟件做類似像TCP“握手”一樣的通訊過(guò)程，但是這樣便大大折扣了UDP通訊的優(yōu)點(diǎn)，增加了開(kāi)銷和延時(shí)。為了即保證UDP的交付、通訊的快速性又要避免UDP通訊的不可靠性，在控制軟件中做了以下設(shè)計(jì)。

1． 在傳輸?shù)拿恳粠?，我們?guī)定報(bào)頭信息狀態(tài)字包含了報(bào)頭單元序號(hào)，即與本地端口號(hào)唯一對(duì)應(yīng)的報(bào)頭單元序號(hào)。例如：在信源（information origin）規(guī)定了報(bào)頭單元序號(hào)為0x7d對(duì)應(yīng)的端口號(hào)為1600，網(wǎng)絡(luò)連通后，信宿(information end-result)判斷接收的數(shù)據(jù)報(bào)頭單元序號(hào)是否為0x7d，是則表示接收來(lái)自端口號(hào)為1600的數(shù)據(jù)。否則可能是因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞、擁塞而產(chǎn)生的誤碼、誤幀錯(cuò)誤。

2． 在傳輸?shù)拿恳粠校覀円?guī)定報(bào)頭信息狀態(tài)字包含了信息單元序號(hào)，即與每一幀唯一對(duì)應(yīng)的信息單元序號(hào)。例如：在第一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)發(fā)送的一幀的信息單元序號(hào)為00，而在下一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)發(fā)送的一幀的信息單元序號(hào)則做加一處理為01，依次類推直到255完成一個(gè)循環(huán)。這樣實(shí)現(xiàn)了信源單元序號(hào)從0-255的連續(xù)循環(huán)發(fā)送，信宿可以通過(guò)檢查信息單元序號(hào)的連續(xù)性、完整性來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有丟幀現(xiàn)象。

3． 對(duì)數(shù)據(jù)幀做校驗(yàn)和運(yùn)算，所謂的校驗(yàn)和就是信源對(duì)除去信息單元序號(hào)、報(bào)頭單元序號(hào)、信息長(zhǎng)度、報(bào)文標(biāo)志等報(bào)頭信息外的具體數(shù)據(jù)字節(jié)段做邏輯異或處理。校驗(yàn)和運(yùn)算結(jié)果做幀尾送至信宿，信宿接收后對(duì)也做解校驗(yàn)和的運(yùn)算，如果與信源的一致就表明這幀為有效的網(wǎng)絡(luò)信道傳輸數(shù)據(jù)，否則丟棄。

4． 設(shè)置時(shí)間戳信息，信源的每一幀中包含了發(fā)送該幀時(shí)刻的四個(gè)字節(jié)時(shí)間戳信息，精度為1ms。信宿把本周期內(nèi)接收到的時(shí)間戳再打包回送到信源，信源將時(shí)間戳與上一周期幀數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻的時(shí)間戳做信息比較，如果一致則說(shuō)明沒(méi)有丟幀現(xiàn)象。

5． 設(shè)計(jì)了丟幀、誤碼錯(cuò)誤判斷累加信息，即針對(duì)上述四種情況而產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息次數(shù)做累加統(tǒng)計(jì)。并且在顯示器上實(shí)時(shí)的顯示，這樣可以很直觀的顯示出每次網(wǎng)絡(luò)通訊過(guò)程中具體的錯(cuò)誤信息次數(shù)，以便更好的改進(jìn)UDP網(wǎng)絡(luò)通訊的不足。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)滿足1%的誤碼率測(cè)試要求。

4．4 UDP網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的工程應(yīng)用

在某工程中，我們采用了10MB/S帶寬的以太網(wǎng)，通訊分系統(tǒng)和上級(jí)火控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，通訊分系統(tǒng)和伺服分系統(tǒng)、電視分系統(tǒng)通過(guò)串行通訊進(jìn)行連接。isp1032E門陣列時(shí)統(tǒng)電路產(chǎn)生不同頻率的時(shí)統(tǒng)信號(hào)，以達(dá)到各個(gè)分系統(tǒng)之間同步的目的。UDP通訊主要函數(shù)及流程圖如下：

BOOL Dsock_Open()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是打開(kāi)一個(gè)Dsock socket 庫(kù)。

BOOL Dsock_LoadConfigFile(char *szFile) 函數(shù)是加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的配置文件，即我們上邊所提到的dsock.cfg文件。

SOCKET SocketCreate(int nType)函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)socket類。nType的類型可以為TCP_SOCKET或UDP_SOCKET.

BOOL SocketBind(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)綁定本地IP地址和本地端口。dwAddr為本地IP地址，wPort為本地端口號(hào)。

int SocketDataReady(SOCKET s)函數(shù)實(shí)現(xiàn)查詢通過(guò)建立的套接字s返回的數(shù)據(jù)。該函數(shù)的返回值為socket 接收到數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

int SocketRecvFrom(SOCKET s,DWORD *pdwAddr,WORD *pwPort,BYTE *pby,int nlen)函數(shù)為通過(guò)UDP Socket 接收到的數(shù)據(jù)。

int SocketSendTo(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort,BYTE *pby,int nlen) 函數(shù)為通過(guò)UDP Socket 發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖3 UDP通訊主要實(shí)現(xiàn)流程圖

5．結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于DOS下PC104計(jì)算機(jī)UDP網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)原理和過(guò)程，文中提到的一些理論和方法，在某實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了很好的驗(yàn)證，并達(dá)到實(shí)際丟幀碰撞技術(shù)指標(biāo)。本通訊系統(tǒng)的防止丟幀設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想可以推廣到其它嵌入式UDP通訊設(shè)備。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)如何在DOS操作系統(tǒng)下更好的解決UDP通訊的優(yōu)點(diǎn)與不可靠性這一矛盾問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝希仁 . 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M] 北京：電子工業(yè)出版社 2003。

[2] 蔣東興 . Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)大全[M]. 北京：清華大學(xué)出版社 1999。

[3] 胡道元 INTRANET 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M] 北京：清華大學(xué)出版社1998年5月第1版。

[4] [美] Ander S.Tanenbaum 著，Computer Neterworks,[M] 北京：清華大學(xué)出版社 1999 。

[5] [美] William A. T. Mary A. P. Keith A.B 著， Internet 使用大全[M]，北京：清華大學(xué)出版社，1995。

[6] 周明天 、汪文勇，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)[M]，北京：清華大學(xué)出版社，1993。

[7] 鄧全良. Winsock網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2002。

[8] 高超．VxWorks下網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2004．（9）：10，11．