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隨著人們對智能化產品需求的增加，未來的嵌入式產品，包括各種家電、通信、PDA、儀器儀表等設備正逐漸走向網絡化，以共享互聯網中龐大的信息資源，因此使嵌入式設備的網絡化開發有廣闊市場前景，由于嵌入式硬件資源有限，而傳統的TCP/IP等網絡通信協議對計算機存儲器、運算速度的要求較高，所以不能直接應用，為此，必須開發一套適合嵌入式系統的、高度優化的、最為精簡的TCP/IP協議棧。 開放式多媒體應用平臺OMAP（Open Multimedia Application Platform）是美國德州儀器公司推出的高度集成的軟硬件平臺。OMAP具有獨特的雙芯結構，結合了DSP與RISC內核，可為無線多媒體設備提供獨一無二的性能和功耗優勢，OMAP可連接十分豐富的外圍設備，包括USB、攝像頭、聲音設備、視頻設備、網絡設備等，OMAP擁有開放式體系結構，其應用環境完全可編程。 軟件協議的設計與實現在很大深度上決定了通信終端的質量，基于OMAP的3G移動終端軟件協議結構由信令協議棧和應用業務協議棧組成，如圖1所示，TCP/IP協議棧位于應用業務協議棧的底層，為上層的H.323協議棧提供基礎與服務，其性能質量將直接決定整個通信終端軟件系統的運行質量。因此，針對嵌入式系統聯網的發展方向，為OMAP系統其設計一套高效、簡潔的TCP/IP協議，對其應用具有十分重要的意義。 1 開發方案 PC上有功能強大的VC平臺和網絡分析工具（如Sniffer）便于調試，其設計不針對任何一個嵌入式芯片，具有較好的通用性和可移植性，在PC機上實現的TCP/IP協議，除了以太網層要結合OMAP平臺的網卡硬件重寫外，基本上可以直接移植到OMAP平臺上，不需要再做大的改動，作為一個通信程序，必須需要兩端程序同時調試，在PC機上編好的程序能度OMAP平臺上程序的調試提供可靠的幫助，因此，協議開發采用先模擬再移植、先整體再部分的設計思路，而協議各層實現的順序為自下而上。具體步驟是： （1）在PC機上的Windows操作系統及VC6.0開發平臺上，實現嵌入式系統TCP/IP協議族的模擬器，該模擬器應該能實現TCP/IP協議的基本功能，包括以太網驅動程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且實現的ARP、IP、UDP、TCP層的程序應該通用于各嵌入式系統并可移植。 （2）將該模擬器移植到OMAP開發平臺，用其以太網卡的驅動程序替換原模擬器的鏈路層程序，在TI提供的CCS平臺上最終實現基于OMAP的TCP/IP協議。 2 開發平臺 OMAP的多媒體開發平臺Innovator主要由4個模塊組成：PM（處理器模塊）、IM（接口模塊）、M（擴展模塊）、BOB（主連接板）。OMAP處理器在PM上，以太網卡在BOB上，可以通過Innovator上的OMAP1510芯片的ARM微處理器對單片以太網控制器LAN91C96的工作進行控制，實現以太網幀的收發，并通過CCS對程序調試，圖2為OMAP平臺調試環境。 3 在PC上實現協議的基本模塊 3.1 主要模塊介紹 （1）主流程：首先對TCP/IP協議族的各層初始化，成功則進入主循環，主循環采用"中斷＋循環）"結構，簡單且分層清晰，中斷作為應用層發出命令，調用下層的入口。對于接收到的以太網幀，則由下到上分別進入各層進行處理。協議實現主流程如圖3所示。 （2）PC上的以太網層：在內存中開辟接收和發送兩個相同的循環緩沖區，用于存放接收和發送的以太網幀。Winpcap軟件是基于Windows平臺的一個網絡包工具，它提供一個系統內核級的動態鏈接庫Packet.dll作為標準的API，具有獨立于操作系統的編程接口。利用其提供的API可直接聯系網卡驅動與已定義的循環緩沖區，將緩沖區中的數據發出，并將網卡接收的數據存入緩沖區。 （3）ARP層，在內存中開辟一塊循環存儲區域用于存放已知的IP-MAC對應表，該表可以由上層添加，在接收到ARP應答時會自動添加，也可以上層清空。處理ARP層函數的過程中：根據以太網首部協議字段過濾出ARP包，針對ARP請求與ARP應答進行不同的處理，應答對方的請求，記錄對方的應答。 （4）IP層：根據以太網首部的幀類型標注判斷接收到的是不是IP包來處理IP層函數，如果是：則調用IP包的接收函數，對給收到的IP包用各種條件進行過濾，對于滿足條件的包獲取其長度與指針信息供上層使用。本層另一個主要函數是IP包發送函數，由上層調用進行IP封裝。 IP的檢驗和僅包括IP首部，長度一般為20字節（如果沒有選項）。在接收端，丟棄檢驗和不為OxFFFF的包，在發送端，將計算所得值的反碼填入檢驗和字節，由于主機和網絡對數據中高低字節默認的順序不同，在讀寫包中的16、32數據時，應該先進行高低字節的交換。 （5）UDP層，處理UDP層函數應根據IP首部的協議字段判斷是否UDP包。如果是：則調用UDP包接收函數，用各種條件對其進行過濾，提出UDP數據及各種有用信息，根據端口號提交給應用進程處理，本層的另一個主要函數是UDP發送函數，實現封裝UDP包（包括載入UDP數據，計算并填入UDP首部信息），最后調用IP發送函數，較由IP層處理。 （6）TCP層：與UDP不同，TCP主機要進行數據通信之前，必須與對方建立連。與幾個主機通信，就要建立幾個連接。然而，若要知道接收到的TCP包屬于哪個連接且使得幾個不同的連接之間獨立工作、互不干擾，則需要定義TCP的控制模塊，這里用一個結構體數組實現，存放所有關于連接的信息。
處理TCP層函數，判斷接收包的類型，如果是TCP包，則調用TCP接收函數，TCP接收函數用指定條件進行過濾，找到該包所屬的連接或完成一個新連接的被動打開，根據TCP的狀態轉換則完成11種狀態的轉移，并且實現了多路數據同時、雙向的傳輸。 TCP的發送函數包括主動打開、主動關閉（由上層調用完成新連接的主動打開，或主動關閉一個已建立的連接）和發送控制包（用于TCP連接的建立與終止，會在TCP接收函數中調用，從而實現TCP的轉換）三個函數。 TCP層還實現了兩個定時器，TCP重傳定時器函數可提供服務可靠性的有效保障；TCP保活定時器能夠避免資源的浪費。 3.2 程序特點分析 （1）簡單性：4.4BSD－Lite版的完整TCP/IP內核實現大約有15 000行，而本程序源代碼約有1 400行，更適合嵌入式系統的應用。 （2）可重用性：本程序分層清晰。對于不同的嵌入式系統，可能使用的CPU和以太網卡不同，這就需要針對其特點的以太網層設計，而ARP、IP、UDP、TCP則不需要改動。 （3）可拓展性：TCP/IP協議是底層網絡協議，本程序留有很好的接口，可在其上構件更高層的網絡協議，包括H.323協議、ftp、telnet。 4 在OMAP平臺上的移植 4.1 單片以太網控制器LAN91C96 LAN91C96是SMSC公司生產的專門用于嵌入式產品的10Mbps以太網控制器，具有性能優良，功耗低及尺寸小的特點，如圖4所示。 6KB的RAM：用來存放數據包。 MMU：對RAM進行有效管理，為接收和發送包在RAM中分配存儲空間。 ARBITE：使MMU和RAM與CPU、CSMA很好地連接。 CSMA/CD模塊：集成了IEEE 802.3 MAC層協議，負責監聽網絡情況和地址過濾。若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數據包，否則拋棄。 ENDEC：負責與10Mbps為以太網物理媒體的連接。 LAN91C96采用地址映射方式，通過訪問Innovator為的指定地址對其存儲器訪問。LAN91C96的寄存器在Innovator內存中的地址分配為：0x08000300－0x0800030F。寄存器共有4組（BANK0－BANK3），使用相同的地址，通過BANK_SELECT寄存器選擇。 4.2 移植過程 先實現該網卡芯片的驅動程序，再用它替換PC模擬器的以太網層，程序驅動主要包括以下三個部分： （1）初始化：主要為Lan91C96的各寄存器填入正確的初始值使其正常工作。 （2）接收：如圖5所示，由CSMA（載波偵聽模塊）接收到符合地址要求的后，MMU（存儲器管理單元）為其請求在RAM中分配存儲空間并分配一個編號，DMA將其存入RAM。接著在接收數據的前面封裝STATUS的化COUNT字節信息，如果CRC檢測正確，則將其編號放入接收FIFO，如果接收FIFO不為空，則RCV_INT（接收中斷標識）被設置。檢查接收中斷寄存器狀態，如果就接收中斷，對應其編號，上層協議便可以取出數據了，取出后，將該數據編號從FIFO中清除。 狀態字可以從RCR寄存器中讀取，它反應了接收過程出現的各種措施，如CRC錯誤、接收幀過長等，數據包的編號從FIFO_PORTS寄存器中獲得，而數據指針可從POINTER寄存器中獲得，數據信息從DATA寄存器中得到，根據這些信息將接收數據包復制到CPU內存，供上層使用，接收函數的主要流程如圖6。 （3）發送：圖7描述了發送數據包FIFO中的排隊過程，首先MMU在RAM中分配一定字節的存儲空間，然后，將分配結果寄存器中的編號放入PNR寄存器，寫數據指針寄存器POINTER并將上層數據封裝后拷入DATA寄存器，根據其編號放入發送FIFO，排隊的包將自動發出，發出包的編號接著進入發送完成FIFO。如果發送成功，則存儲空間自動釋放；否則釋放存儲空間并將其重新排隊。 5 實驗結果 5.1 內存資源占用量 運行該TCP/IP協議棧需要3MB內存，而Innovator體32MB SDRAM 和32MB Flash，內存占用率為：3M/64M＝4.7％，完全適用于嵌入式系統。 5.2 數據傳輸可靠性 TCP利用以下機制糾錯。數據的傳輸過程中的誤碼：檢驗和機制與重傳機制，數據的重復，在接收端會自動舍棄已經接收過的數據包，并且不發ACK，故不會發生一個數據包接收多次的情況，數據包的丟失，接收端在接收完一段數據后，會計算下一個預期數據的序號，如果不符合就不發ACK，從而導致發端重發，避免了數據包的丟失，經測試，在未發生擁塞情況下，傳輸的誤碼率幾乎為0。 5.3文件最大平均傳輸速率 下面就本程序所實現的利用TCP進行文件傳輸功能，給出不同情況下的最大傳輸速率，實驗環境為10Mbps以太網。 理想狀態下的理論最大吞吐量：假定發送方傳輸兩個背對背、滿長度的TCP數據，接收方為其發出兩個ACK，每包中用戶數據量為1460位，總數據量為1538位，故最大的用戶數據吞吐量為： 本實驗測得文件的平均傳輸速率隨著TCP連接數的增多有如圖8所示的曲線變化，前半段隨著連接數的增加成線性增長，后半段由于出現了網絡擁塞，整體的平均速率反而有所下降。 實驗結果與理論最大吞吐量有所差距，原因在于： （1）理論上只是一種理想的狀態，現實中難以達到。 （2）受CPU處理速度及文件傳輸過程的讀、寫文件操作的限制。 （3）本程序采用的數據傳輸機制是當收到上一個包的ACK之后再發送下一個數據包，這樣避免了對接收數據的排序，提高了可靠性，但數據的傳輸速度會受到制約。 |
