基于DSP的嵌入式网络瘦办事器的研究

　　重要先容了网络传输控制协议TCP/IP的原理以及在嵌入式体系上的实现,并叙述了以TMS320VC5402为内核处理惩罚器的嵌入式网路瘦办事器的研制。该体系简化了TCP/IP的实现，使嵌入式体系告成接入Internet，具有机动，方便，可移动性等特点。并给出了网络数据征求处理惩罚体系的应用远景。 

　　1. 小序

    　将嵌入式体系与Internet网连合起来重要的困难在于，一方面，Internet网上的种种通讯协议对付处理惩罚器的请求比较高，而嵌入式体系微处理惩罚器的资源倒是很有限[1]；另一方面，嵌入式体系微处理惩罚器的型号、种类非常多，在种种差别的微处理惩罚器上实现网络成果的软件编程可移植性差 [2]。为了可以或许使得嵌入式体系接入Internet，本文精简了TCP/IP的实现，只保存此中最内核的部分，实现了低速率，低内存，低本钱的嵌入式体系上的网络连接，一方面可以或许作为网络办事器吸取和处理惩罚来自远真个数据，另一方面还能作为Web办事器给长途客户机提供HTTP访问。

　　2．体系的硬件计划

　　2.1 体系硬件计划原理

   　 在本体系中我们采取的内核处理惩罚器为TI公司的TMS320VC5402，TMS320VC5402是16位定点DSP，适应长途通讯等及时嵌入式应用的必要。它有高度的操纵机动性和运行速率，具有专用硬件逻辑的CPU、片内存储器、片表里围配置以及一个高度专业化的指令集[3]。在本文中，由于网络数据流较大，我们采取了TMS320VC5402的McBsp接口以及其DMA成果。McBsp具有全双工通讯，双缓冲的发送和三缓冲的吸取数据存储器，容许连续的数据流等特点，可以或许完全餍足网络数据流的吸取，发送和处理惩罚的请求[4]。DMA控制器可以在没有CPU参加的环境下完成存储器映射区之间以及内部存储器与片表里设或外部配置的数据传输，DMA控制可以或许大大减轻CPU的包袱，实现数据的高速发送与存储。

   　 本文中以太网控制芯片采取台湾Realtek公司生产的RTL8019AS，它是一种高度集成的以太网控制器，实现了以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部成果。按数据链路的差别， RTL8019AS内部分为长途DMA通道和本地DMA通道两部分。

　　本地DMA完成控制器与网线的数据互换，主处理惩罚器收发数据需对长途DMA操纵 [5]。本体系中，TMS320VC5402通过IO空间对RTL8019AS举行控制以及数据传输。

　　2.2 体系团体硬件框图

　　 体系框图如上图所示，整个体系分为两大部分，即DSP处理惩罚器和网卡部分。体系有专门的电源部分为整个瘦办事器提供差别的电压。TMS320VC5402是主处理惩罚器，它重要认真对网卡芯片RTL8019AS吸取或发送的数据举行处理惩罚阐发，存储，并可以以USB或RS485串口总线的方法与上位机相连，其事变进程为DSP通过McBsp吸取或发送数据，当McBsp缓冲区数据满时触发DMA控制器并举行数据传输，实现了McBsp与DMA控制器的共同事变。

　　网络接口芯片RTL8019AS重要认真对网络数据流的吸取与发送，为了防备滋扰，得到稳固的数据流，体系在网卡芯片与外部网络数据线之间增长了电气断绝滤波芯片YCL20F001N。外部接口部分我们采取常用的RJ45网络接口。

　　3．体系软件计划

   　 体系软件部分是本文研究的重点，由于嵌入式体系的资源有限，以是体系只涉及到TCP/IP中的内核的部分。根据TCP/IP协议分为四个部分[6]的定义，体系软件的计划也分为相应的四个部分，即：网卡底层驱动步伐，ARP以及RARP步伐映射网络接口层；IP，ICMP以及IGMP步伐映射互联网络层；TCP和UDP步伐部分映射网络传输层；HTTP办事步伐映射应用层。

　　3.1 网卡驱动步伐计划

   　 在网卡芯片RTL8019AS的驱动步伐计划中重要涉及到RTL8019AS的寄存器配置，DSP对RTL8019AS内存的读取以及发送数据，数据链路层协议ARP和RARP的步伐计划等。

　　◆ RTL8019AS寄存器以及对它们的初始化配置

   　 RTL8019AS的内部输入输出地点共32个，地点偏移量为00H—1FH。此中00H—0FH共16个地点，为寄存器地点。10H—17H共8个地点，为DMA地点。18H—1FH共8个地点，为复位端口[5]。本文中我们只用到了上面的地点中只有18个，即00H—0FH共16个寄存器地点,10H DMA地点,1FH 复位地点。RTL8019AS初始化配置为操纵方法为跳线方法Jumper；端口I/O base为0300-31FH。

　　◆ RTL8019AS的数据收发

    　处理惩罚器对RTL8019AS的软件操纵，有查问和停止两种方法[5]。在本文中我们采取了查问方法对8019中的数据举行读取。在查问方法下，主步伐通过CURR和Boundary两个寄存器的值来果断是否收到一帧数据[7]。

　　◆ 数据链路层协议ARP的步伐计划

   　 在TCP／IP协议通讯中，涉及到的地点是IP地点，这是来自网络层的地点，然而以太网都有本身的寻址机制，以是两层之间必须举行地点之间的转换。向以太网中发送IP数据时，要是目标IP地点在ARP高速缓存表中查问相应的以太网地点失败，ARP会先保存待发送的IP数据报，然后广播一个扣问目标主机硬件地点的ARP报文，等收到答复后再将IP数据报发送出去,RARP协议恰好相反，它认真将以太网地点转化为IP地点[5]。

   　 在本体系中只涉及到ARP步伐计划，其详细进程为：发送ARP广播恳求时，目标以太网地点全为1；吸取到ARP数据包时起首果断ARP数据包的范例，要是是ARP恳求包，则将本身的MAC地点拷贝到数据包中，天生ARP应答包，然后发送出去；要是收到的是ARP应答包，则存储长途主机的MAC地点。

　　3.2 互联网络层的步伐计划

   　 网络层重要涉及到IP协议、ICMP协讲和IGMP协议。IP协议是TCP/IP中的重点，全部的应用都要通过它在Internet举行数据传输，IP协议提供的是不可靠、无连接的数据分组发送办事。ICMP协议重要是用于不对控制。IGMP协议重要是用于支持主机和路由器迸行多播[5]。为了简化TCP/IP协议，在本体系中只涉及到IP,ICMP的步伐计划。

　　◆ IP数据报实现

   　 在本协议栈中，IP层的实现便是把要发送出去的消息举行IP打包，即加上IP包头，使之切合IP数据包的格局发送到物理层；将吸取到的来自物理层的数据包举行IP解包，即去失包头，送到TCP层。

    　IP协议的实现重要流程是：当吸取到以太网上的数据包时，根据IP帧头中的数据范例，转交给差别的子步伐举行更进一步的处理惩罚。见图2：

　　◆ ICMP数据报的格局及着实现

    　由于本文所研究的是嵌入式瘦办事器，以是我们简化了ICMP的步伐计划，只涉及ECHO和ECHO REPLAY消息,目标是为了测试另一台主机是否可达。其重要事变进程为先果断所收到的ICMP数据包是否为ECHO帧，要是是则天生相应的ICMP REPLAY帧，并发送出去。

　　 3.3  传输层的步伐计划

   　  传输层重要包括UDP协讲和TCP协议，在本文中重要涉及到TCP的步伐计划。传输控制协议TCP提供面向连接的可靠的字节流畅信办事，是能动态餍足互联网的请求并能处理惩罚种种错误的可靠性协议[5]。

　　◆ TCP连接的创建与封闭

  　  TCP事变进程是： 创建连接、数据传输、封闭连接。在将数据发向远方主机之前，必须先创建TCP接入。在创建TCP连接时，用到了三向握手机制。包括数据的每一个TCP段都应该获取对端返回的应答段（ACK），作为握手信号来包管数据被可靠地吸取。

　　应答段本身不再必要应答，克制应答陷入无穷的嵌套。每一个TCP段中都包括一个序号，并以这个序号作为数据流的定位器，而返给客户机的应答号则表达所发来的数据已经妥收。消除传输中的错误，仰赖连续跟踪已发出数据段的应答是否返回。在设置的时间段内，要是未收到该段的应答则应重发。要是还是未收到应答，则得当增长隔断时间再次重发。在总的极限时间段内不停不克不及比及应答返回，则本次接入失效不克不及再用，并应将堕落环境及时关照应用步伐。封闭TCP接入分为4向握手才华完成[6]。

   　 由于TMS320VC5402的资源有限，因此，在计划TCP协议时不得不采取大幅度的调解。同临时间只能有一个TCP任务，不支持分片和重组，只能同时吸取和处理惩罚一个TCP包，不支持范例办事寂静选项。在MCU启动时，将打开本地的80端口，作为一个Passive Port，等待网络上的客户端配置连接，这就能提供HTTP办事的支持。

　　◆ TCP数据的处理惩罚

    　TCP数据的处理惩罚包括两种环境：发送数据或吸取数据。发送数据时，在数据前面加上TCP包头再发送到IP层。吸取TCP数据包处理惩罚进程如下图3所示：

 　　3.4 应用层的步伐计划

   　 TCP／IP的应用层协议重要有Telnet协议、文件传输协议FTP、大略邮件协议SMTP、大略的网络办理协议SNMP和超文本连接协议HTTP等等。本体系中我们在MCU的Flash中存储了一个HTML 网页，客户端存在外部恳求时，传输网页给客户端，从而同时实现了一个Web办事器[8]。

　　3.5 团体软件框架

    　体系的团体软件计划重要分为硬件初始化部分和网络数据吸取与发送处理惩罚部分，此中硬件初始化部分重要包括TMS320VC5402的初始化以及其McBsp和DMA控制器的配置，USB接口芯片的初始化，RS485串行接口的初始化，网卡芯RTL8019的驱动步伐计划；网络数据的处理惩罚部分重要包括来自长途征求数据的吸取与处理惩罚，存储和对来自网络客户机的访问的处理惩罚等。图4即为体系软件计划的团体架构。

　　4.体系的应用远景

    　本体系重要应用于网络数据征求，处理惩罚，即可以作为Web办事器为外部所访问，又可以为长途征求到的数据举行处理惩罚和存储。该体系不但利用了网络数据传输的强大成果，还连合了嵌入式体系的机动性，在不久的将来当IPV6得以实现的时间，每个嵌入式体系都拥有本身独立的IP地点将成为大概，本体系也将有越发广阔的应用远景[9]。

　　参考文献：

　　[1]杨全胜等,可接入Internet的智能仪表的计划,《产业控制谋略机》2001年14卷 12期
　　[2] 王男、姚亦封、陈抗生，一种嵌入式体系接入Internet的要领与实现，《电子技能》2000.10
　　[3] 清源科技.TMS320C54X DSP硬件开辟教程.北京，机器产业出版社，2003.
　　[4]TMS320VC5402 Fixed-Point Digital Signal Processor,Data Manual.Texas Instruments,2000
　　[5] REALTEK SEMI-CONDUCTOR CO.LTD.《RTL8019AS SPECIFICATION》.TAIWAN,2000.
　　[6] W.Richard Stevens着，范建华,胥灿烂,张涛等译,TCP/IP详解 卷1：协议 ，北京：机器产业出版社，2000.
　　[7] 王保进、徐太忠等，嵌入式体系以太网控制器驱动步伐的计划与实现，《电子技能》2002.4
　　[8] 袁毅，基于嵌入式Web办事器的网络视频监控，《电网技能》，第24卷 第五期
　　[9] 杨克俭等,嵌入式体系产品接入internet的技能研究, 《微谋略机信息》(嵌入式与SOC)2006年第22卷第1-2期第43页