基于DSP的上網(wǎng)方案的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要: 介紹了TMS320VC33芯片與RTL8019網(wǎng)卡的硬件接口電路的設(shè)計(jì)以及網(wǎng)卡驅(qū)動程序的開發(fā),并將TCP/IP協(xié)議嵌入到TMS320VC33芯片中;討論了TCP/IP協(xié)議簇的分層次實(shí)現(xiàn),并根據(jù)應(yīng)用的需要對DSP中實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了必要的簡化,實(shí)現(xiàn)了DSP的上網(wǎng)功能。

關(guān)鍵詞: TCP/IP協(xié)議  DSP  嵌入式系統(tǒng)

　　隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)如單片機(jī)、DSP等系統(tǒng)對接入網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加,例如具有遠(yuǎn)程抄表功能的電表系統(tǒng)、可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的信息家電系統(tǒng)等。本文采用TI公司的TMS320VC33 DSP芯片設(shè)計(jì)與Realtek公司的RTL8019網(wǎng)卡的硬件接口電路,并在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,使DSP芯片具備上網(wǎng)功能,從而可以用計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡與DSP電路板進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交換并對其進(jìn)行控制。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　DSP與網(wǎng)卡的硬件接口電路圖如圖1所示。

　　DSP的數(shù)據(jù)總線低16位接ISA網(wǎng)卡的16位數(shù)據(jù)線,ISA網(wǎng)卡的IOCS16線接高電平,設(shè)置網(wǎng)卡為16位的模式。

　　網(wǎng)卡共有20根地址線。將A7～A8、A10～A19接地,A0～A6和A9分別接DSP的A0～A7,用到的網(wǎng)卡地址為0240H～025FH,映射到DSP的Page3空間,地址映射為C000C0H～C000DFH。

　　DSP的Reset信號用于復(fù)位網(wǎng)卡,由于DSP的Reset信號低有效,而網(wǎng)卡的Reset信號高有效,故中間應(yīng)接非門。

　　DSP的Page3和R/W信號用于選通網(wǎng)卡的讀寫信號IOR、IOW,實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系如圖2所示。

　　IRQ9是網(wǎng)卡的中斷9,通過非門后接DSP的INT1引腳。

　　RTL8019網(wǎng)卡有三種工作方式:

　　第一種為跳線方式,網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定;

　　第二種為即插即用方式,由軟件進(jìn)行自動配置plug and play;

　　第三種為免跳線方式,網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內(nèi)容決定。

　　計(jì)算機(jī)上一般實(shí)現(xiàn)的是即插即用方式,為了降低軟件編程的復(fù)雜度,將網(wǎng)卡設(shè)置為跳線方式。

　　上述所有的譯碼邏輯都在EPM7128中實(shí)現(xiàn)。

　　74ALVC164245是總線驅(qū)動芯片,可實(shí)現(xiàn)3.3V到5V的電平轉(zhuǎn)換。由于TMS320VC33和EPM7128是3.3V的器件,而ISA總線是5V的,所以信號線不能直接連接,需要通過74ALVC164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 網(wǎng)卡硬件驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)卡驅(qū)動程序主要包括以下幾部分:

　　(1)NIC的初始化

　　NIC是網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片,它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。為了能夠使NIC啟動并處于準(zhǔn)備接收或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài),必須對相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCR、RCR等。

　　(2)中斷服務(wù)程序

　　中斷服務(wù)程序一般完成兩項(xiàng)任務(wù):一是設(shè)置中斷標(biāo)志,以使相關(guān)程序能以此發(fā)現(xiàn)發(fā)生了中斷;二是取得中斷狀態(tài)寄存器的值,并將引起中斷的具體原因提交給相應(yīng)的程序,這一過程也是通過設(shè)置中斷原因標(biāo)志完成的。需要注意的是,中斷服務(wù)程序開始的時候要保護(hù)中斷現(xiàn)場,待程序處理完成后要恢復(fù)中斷現(xiàn)場;中斷服務(wù)程序應(yīng)盡可能短小,以便在盡可能短的時間內(nèi)執(zhí)行完成,因此需要將一些不必要的工作交給其它程序來完成。

　　(3)幀發(fā)送程序

　　在網(wǎng)絡(luò)中,幀傳輸?shù)倪^程是:發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀,然后通過網(wǎng)卡將幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上;接收方根據(jù)接收到的幀的目的地址確定是否將該幀提交給上層應(yīng)用程序。幀的發(fā)送是指將待發(fā)送的數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸線上,因此,幀的發(fā)送過程應(yīng)該包括以下幾個步驟:

　?、傺b幀;

　?、趯腿隢IC的發(fā)送緩沖區(qū);

　?、鄢跏蓟l(fā)送控制寄存器;

　?、軉覰IC將該幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸線上。

　　(4)幀接收程序

　　幀接收是指將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并緩存于網(wǎng)卡的接收緩沖環(huán)中,然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺嬗诮邮站彌_環(huán)的幀讀走并存入內(nèi)存中以備程序使用。從中可以看出,幀的接收過程分成兩步:

　　①第一步由NIC通過本地DMA將幀存入接收緩沖環(huán);

　?、诘诙绞峭ㄟ^遠(yuǎn)程DMA并在主機(jī)的配合下將接收緩沖環(huán)中的幀讀入內(nèi)存。

　　2.2 TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　2.2.1 DSP中與PC機(jī)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的不同

　　TCP/IP協(xié)議最先是在UNIX系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的,后來在LINUX、DOS和WINDOWS系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP。但是,在UNIX上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的源代碼并不能直接移植到DSP上來,這是因?yàn)镻C機(jī)和DSP存在著巨大的差異。

　　PC機(jī)的運(yùn)算速度非?？?一般都有一個多任務(wù)的操作系統(tǒng),可以多任務(wù)并行執(zhí)行,通過硬中斷與軟中斷、消息隊(duì)列和各種插口實(shí)現(xiàn)TCP/IP各協(xié)議層之間的通信和整個網(wǎng)絡(luò)的通信。而DSP運(yùn)行速度相對較慢,缺乏多任務(wù)操作系統(tǒng)的平臺,只能通過順序執(zhí)行加硬件中斷的方式來實(shí)現(xiàn),并且因其還要同時執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、串口中斷等任務(wù),所以中斷程序應(yīng)盡量短,只完成設(shè)置各種狀態(tài)的標(biāo)志位,而將相對較慢的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理放在主程序中執(zhí)行,以減少各種任務(wù)之間的沖突。

　　PC機(jī)的內(nèi)存非常大,現(xiàn)在一般都可達(dá)到32～128M的存儲容量,可以動態(tài)地分配和釋放內(nèi)存,很容易實(shí)現(xiàn)存儲器緩存mbuf、網(wǎng)絡(luò)控制塊ncb等鏈狀結(jié)構(gòu),且可隨意增刪;同時能維持多條網(wǎng)絡(luò)連接,由于計(jì)算機(jī)處理速度快,幾乎不用考慮緩沖區(qū)溢出的問題。而DSP內(nèi)部RAM一般只有十幾K,加上外部擴(kuò)展的RAM也只能達(dá)到幾十K的容量,一個最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就有1.5K左右,如果也按PC機(jī)的內(nèi)存管理方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),使用mbuf鏈,RAM肯定不夠用,因此只能在RAM中分配一個固定的1514字節(jié)的區(qū)段來存放接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,接收一包處理一包。

　　PC機(jī)中TCP/IP協(xié)議都是分層次實(shí)現(xiàn)的,相互之間都是通過參數(shù)傳遞進(jìn)行聯(lián)系,這樣有利于提高程序的模塊化和獨(dú)立性。而在DSP中,由于參數(shù)傳遞會占用過多的程序空間,且降低DSP的執(zhí)行速度,所以應(yīng)盡量減少參數(shù)傳遞,轉(zhuǎn)而使用全局變量和外部變量等來達(dá)到值的傳遞,因此各程序間的依賴程度大,往往會共享某一些變量和數(shù)據(jù)。

　　PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)了比較完整的TCP/IP協(xié)議。而在DSP中,由于運(yùn)算速度和內(nèi)存的限制,不可能支持所有的協(xié)議,一般只實(shí)現(xiàn)需要的部分,不需要的協(xié)議一概都不支持;而且即使需要的協(xié)議也不用像在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)那么復(fù)雜,可以根據(jù)硬件的具體情況和實(shí)現(xiàn)的需求進(jìn)行必要的簡化。

　　2.2.2 TCP/IP協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)

　　TCP/IP協(xié)議是一個協(xié)議簇,包含了很多協(xié)議,在DSP上實(shí)現(xiàn)的所有協(xié)議如圖3所示,通?？煞譃樗膶?不包括物理層)。

　　根據(jù)DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所需要實(shí)現(xiàn)的功能,在DSP中實(shí)現(xiàn)了ARP(地址解析協(xié)議)、IP(網(wǎng)際協(xié)議)、ICMP(Internet控制報(bào)文協(xié)議)、UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)和TCP(傳輸控制協(xié)議),并對它們進(jìn)行了簡化。

　　在鏈路層中實(shí)現(xiàn)了ARP。每種網(wǎng)絡(luò)都有自己的尋址機(jī)制,以太網(wǎng)是通過以太網(wǎng)地址即通常所說的網(wǎng)卡硬件地址MAC進(jìn)行尋址的,每個網(wǎng)卡出廠時都有一個唯一的MAC地址。IP地址則僅僅是對于TCP/IP協(xié)議簇有意義的地址,是一種虛擬地址。當(dāng)賦予IP地址的IP包要在以太網(wǎng)中傳播時,必須將IP地址轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)地址才能進(jìn)行正確的傳輸。ARP協(xié)議就是將32位的IP地址動態(tài)地映射為48位的以太網(wǎng)地址,從而保證網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸。ARP協(xié)議由兩個文件arpin.c和arpout.c實(shí)現(xiàn)。arpin.c負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)上廣播的arp包,判斷arp包的類型是網(wǎng)絡(luò)上其它機(jī)子的請求包還是返回本機(jī)的響應(yīng)包,判斷其合法性并進(jìn)行相應(yīng)的處理;arpout.c負(fù)責(zé)主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時發(fā)送arp請求包以及被arpin.c調(diào)用響應(yīng)收到的arp請求包。

　　在網(wǎng)絡(luò)層中實(shí)現(xiàn)了IP和ICMP。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中最核心的協(xié)議,它提供無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù),所有上層協(xié)議都要以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸。IP協(xié)議由兩個文件ipin.c和ipout.c實(shí)現(xiàn)。ipin.c負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)包,收到IP包后,首先判斷其版本號、數(shù)據(jù)長度、目的地址、檢驗(yàn)和是否正確,再根據(jù)IP首部的協(xié)議類型字段的值交給相應(yīng)的上層協(xié)議處理;ipout.c負(fù)責(zé)發(fā)送IP數(shù)據(jù)包,接收上層協(xié)議傳遞下來的數(shù)據(jù),加上20字節(jié)的IP首部,正確設(shè)置源IP地址和目的IP地址、協(xié)議類型,計(jì)算檢驗(yàn)和,交給下面的鏈路層發(fā)送。PC機(jī)上的IP數(shù)據(jù)包,當(dāng)它的長度超過網(wǎng)絡(luò)的MTU時,允許對它分段;在DSP中,則不支持IP數(shù)據(jù)包分段,也不支持IP選項(xiàng)字段。ICMP協(xié)議負(fù)責(zé)傳遞差錯報(bào)文以及其它需要注意的信息,且由ICMP首部8位的類型字段和8位的代碼字段決定信息的種類。在DSP中只實(shí)現(xiàn)了對回顯請求(類型代碼為80)報(bào)文的處理,從IP層收到ICMP包后,判斷其類型代碼段是否為80。如果是,將這兩個字段設(shè)置為00(回顯應(yīng)答),計(jì)算檢驗(yàn)和,再交給IP層發(fā)送;如果不是,則予以丟棄。從而實(shí)現(xiàn)了對ping功能的支持。

　　在運(yùn)輸層實(shí)現(xiàn)了UDP和TCP。

　　UDP協(xié)議是一種面向無連接的不可靠的協(xié)議,用兩個文件udpin.c和udpout.c來實(shí)現(xiàn)。udpin.c實(shí)現(xiàn)對udp包輸入的處理,判斷其端口號、檢驗(yàn)和是否正確,正確則將其數(shù)據(jù)交給相應(yīng)端口的應(yīng)用程序,不正確則丟棄;udpout.c實(shí)現(xiàn)對udp包輸出的處理,從應(yīng)用程序接收數(shù)據(jù),設(shè)置相應(yīng)的源端口號和目的端口號,再交給IP層發(fā)送。值得注意的是,計(jì)算UDP包的檢驗(yàn)和與計(jì)算IP包的檢驗(yàn)和是不一樣的,IP包的檢驗(yàn)和只覆蓋了IP包的首部,而UDP包的檢驗(yàn)和則覆蓋了UDP包的首部和所有的數(shù)據(jù)。UDP包計(jì)算檢驗(yàn)和時還引入了一個12字節(jié)的偽首部,包括4字節(jié)的源IP地址、4字節(jié)的目的IP地址、1字節(jié)的零段、1字節(jié)的協(xié)議段和兩字節(jié)的檢驗(yàn)和,其目的是讓UDP兩次檢查數(shù)據(jù)是否正確地到達(dá)了目的地。

　　TCP協(xié)議與UDP協(xié)議雖然同是運(yùn)輸層協(xié)議,但是它提供一種面向連接的可靠的字節(jié)流服務(wù)。TCP協(xié)議是所有協(xié)議中最復(fù)雜、也是最難實(shí)現(xiàn)的一塊,主要由tcpin.c、tcpout.c、tcptimer.c和tcpstatem.c四個文件分塊實(shí)現(xiàn),并根據(jù)具體應(yīng)用的需要進(jìn)行簡化。TCP的控制塊tcb用結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn),每一個tcb包含一條TCP連接的所有控制和狀態(tài)信息,全部的tcb形成了一個雙向鏈表,有利于在所有TCP連接中進(jìn)行搜索。tcptimer.c負(fù)責(zé)管理TCP協(xié)議中的各種狀態(tài)信息,它內(nèi)含前向后向指針,使之形成定時器超時,PC機(jī)上的TCP協(xié)議包含快慢兩個定時器,這里僅僅實(shí)現(xiàn)了一個500ms的慢速定時器,因?yàn)闆]有快速定時器,所以不支持ACK報(bào)文延遲,收到一幀即立即發(fā)送ACK;tcpstatem.c是TCP的狀態(tài)機(jī)函數(shù),根據(jù)TCP連接所處的不同狀態(tài)以及發(fā)生的事件來決定TCP連接的狀態(tài)變遷;tcpout.c負(fù)責(zé)tcp報(bào)文的發(fā)送,典型的發(fā)送過程是當(dāng)接收到上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)時,首先發(fā)送SYN幀,與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三次握手建立連接,之后加上TCP首部,交給下層IP模塊發(fā)送,并通過重傳定時器實(shí)現(xiàn)超時重發(fā)、持續(xù)定時器發(fā)送窗口探測幀等功能,待所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并得到確認(rèn)后發(fā)送FIN幀,通過四次握手關(guān)閉連接,tcpout.c還可在不同狀態(tài)和事件下被其它程序調(diào)用發(fā)送ACK幀、RST幀等其它TCP報(bào)文;tcpin.c負(fù)責(zé)接收從下層IP模塊接收到的TCP數(shù)據(jù)包,并根據(jù)TCP連接的狀態(tài)信息以及TCP首部的各個標(biāo)志位進(jìn)行分支處理,將數(shù)據(jù)交給對應(yīng)端口的上層應(yīng)用程序,并調(diào)用其它函數(shù)實(shí)現(xiàn)對TCP包的響應(yīng)和狀態(tài)變遷。在PC機(jī)上往往可以同時維護(hù)多條TCP連接;但在DSP上,由于DSP速度和RAM容量的限制,只支持一條TCP連接;這樣大大簡化了程序的復(fù)雜度,同時也滿足了實(shí)際需要,如果今后有需要,還可以進(jìn)行擴(kuò)展。

　　綜上所述,TCP/IP協(xié)議的具體處理流程如圖4所示。

　　本文通過DSP與網(wǎng)卡的硬件接口的設(shè)計(jì)及編程,使DSP實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的TCP/IP通信,從而使DSP可以通過網(wǎng)線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),并可以實(shí)時地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,交換大量的數(shù)據(jù)和控制信息。本文所介紹的技術(shù)已經(jīng)在作者參加的國家“973”項(xiàng)目“復(fù)雜自然環(huán)境時空定量信息的獲取與融合處理的理論與應(yīng)用”的硬件設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用,并運(yùn)行良好。

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