基于OMAP的嵌入式TCP/IP开发[图]

摘要：介绍了嵌入式系统TCP/IP的网络层及运动层C代码的开发过程，结合以太网控制器LAN91C96实现其链路层，将通用的上层程序移植到OMAP平台上，实现了OMAP平台的底层TCP/IP协议。

   随着人们对智能化产品需求的增加，未来的嵌入式产品，包括各种家电、通信、PDA、仪器仪表等设备正逐渐走向网络化，以共享互联网中庞大的信息资源，因而使嵌入式设备的网络化开发有广阔的市场前景。由于嵌入式硬件资源有限，而传统的TCP/IP等网络通信协议对计算机存储器、运算速度的要求较高，所以不能直接应用。为此，必须开发一套适合嵌入式系统的、高度优化的、最为精简的TCP/IP协议栈。
   开放式多媒体应用平台OMAP(Open Multimedia Application Platform)是美国德州仪器公司推出的高度集成的软硬件平台。OMAP具有独特的双芯结构，结合了DSP与RISC内核，可为无线多媒体设备提供独一无二的性能和功耗优势。OMAP可连接十分丰富的外围设备，包括USB、摄像头、声音设备、视频设备、网络设备等。OMAP拥有开放式体系结构，其应用环境完全可编程。
   软件协议的设计与实现在很大程度上决定了通信终端的质量。基于OMAP的3G移动终端软件协议结构由信令协议栈和应用业务协议栈组成，如图1所示。TCP/IP协议栈位于应用业务协议栈的底层，为上层的H.323协议栈提供基础与服务。其性能质量将直接决定整个通信终端软件系统的运行质量。因此，针对嵌入式系统联网的发展方向，为OMAP系统其设计一套高效、简洁的TCP/IP协议，对其应用具有十分重要的意义。
   
   1 开发方案
   PC上有功能强大的VC平台和网络分析工具(如Sniffer)便于调试，其设计不针对任何一个嵌入式芯片，具有较好的通用性和可移植性。在PC机上实现的TCP/IP协议，除了以太网层要结合OMAP平台的网卡硬件重写外，基本上可以直接移植到OMAP平台上，不需要再做大的改动。作为一个通信程序，必然需要两端程序同时调试，在PC机上编好的程序能对OMAP平台上程序的调试提供可靠的帮助。因此，协议开发采用先模拟再移植、先整体再部分的设计思路，而协议各层实现的顺序为自下而上。具体步骤是：
   (1)在PC机的Windows操作系统及VC 6.0开发平台上，实现嵌入式系统TCP/IP协议族的模拟器。该模拟器应该能实现TCP/IP协议的基本功能，包括以太网驱动程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且实现的ARP、IP、UDP、TCP层的程序应该通用于各种嵌入式系统并可移植。
   (2)将该模拟器移植到OMAP开发平台，用其以太网卡的驱动程序替换原模拟器的链路层程序。在TI提供的CCS平台上最终实现基于OMAP的TCP/IP协议。
   2 开发平台
　　OMAP的多媒体开发平台Innovator主要由4个模块组成：PM(处理器模块)、IM(接口模块)、EM(扩展模块)、BOB(主连接板)。OMAP处理器在PM上，以太网卡在BOB上。可以通过Innovator上的OMAP1510芯片的ARM微处理器对单片以太网控制器LAN91C96的工作进行控制，实现以太网帧的收发，并通过CCS对程序调试。图2为OMAP平台调试环境。
   
   3 在PC上实现协议的基本模块
   3.1 主要模块介绍
   (1)主流程：首先对TCP/IP协议族的各层初始化，成功则进入主循环。主循环采用“中断＋循环”结构，简单且分层清晰。中断作为应用层发出命令，调用下层的入口。对于接收到的以太网帧，则由下到上分别进入各层进行处理。协议实现主流程如图3所示。
   
   (2)PC上的以太网层：在内存中开辟接收和发送两个相同的循环缓冲区，用于存放接收和发送的以太网帧。WinPcap软件是基于Windows平台的一个网络包工具，它提供一个系统内核级的动态链接库Packet.dll作为标准的API，具有独立于操作系统的编程接口。利用其提供的API可直接联系网卡驱动与已定义的循环缓冲区，将缓冲区中的数据发出，并将网卡接收的数据存入缓冲区。
   (3)ARP层：在内存中开辟一块循环存储区域用于存放已知的IP-MAC对应表。该表可以由上层添加，在接收到ARP应答时会自动添加，也可以由上层清空。处理ARP层函数的过程为：根据以太网首部协议字段过滤出ARP包，针对ARP请求与ARP应答进行不同的处理。应答对方的请求，记录对方的应答。
   (4)IP层：根据以太网首部的帧类型标志判断接收到的是不是IP包来处理IP层函数。如果是，则调用IP包的接收函数，对收到的IP包用各种条件进行过滤，对于满足条件的包获取其长度与指针信息供上层使用。本层另一个主要函数是IP包发送函数，由上层调用进行IP封装。
   IP的检验和仅包括IP首部，长度一般为20字节(如果没有选项)。在接收端，丢弃检验和不为0xFFFF的包；在发送端，将计算所得值的反码填入检验和字节。由于主机和网络对数据中高低字节默认的顺序不同，在读写包中的16位、32位数据时，应该先进行高低字节的交换。
   (5)UDP层：处理UDP层函数应根据IP首部的协议字段判断是否UDP包。如果是，则调用UDP包接收函数，用各种条件对其进行过滤，提出UDP数据及各种有用信息，根据端口号提交给应用进程处理。本层的另一个主要函数是UDP发送函数，实现封装UDP包(包括载入UDP数据，计算并填入UDP首部信息)，最后调用IP发送函数，交由IP层处理。
   (6)TCP层：与UDP不同，TCP主机要进行数据通信之前，必须与对方建立连接。与几个主机通信，就要建立几个连接。然而，若要知道接收到的TCP包属于哪个连接且使得几个不同的连接之间独立工作、互不干扰，则需要定义TCP的控制模块。这里用一个结构体数组实现，存放所有关于连接的信息。
   
   处理TCP层函数，判断接收包的类型，如果是TCP包，则调用TCP接收函数。TCP接收函数用指定条件进行过滤，找到该包所属的连接或完成一个新连接的被动打开，根据TCP的状态转换规则完成11种状态的转移，并且实现了多路数据同时、双向的传输。
   TCP的发送函数包括主动打开、主动关闭(由上层调用完成新连接的主动打开，或主动关闭一个已建立的连接)和发送控制包(用于TCP连接的建立与终止，会在TCP接收函数中调用，从而实现TCP状态的转换)三个函数。
   TCP层还实现了两个定时器。TCP重传定时器函数可提供服务可靠性的有效保障；TCP保活定时器能够避免资源的浪费。
   3.2 程序特点分析
   (1)简单性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP内核实现大约有15000行，而本程序源代码约有1400行，更适合嵌入式系统的应用。
   (2)可重用性：本程序分层清晰。对于不同的嵌入式系统，可能使用的CPU和以太网卡不同，这就需要针对其特点的以太网层设计，而ARP、IP、UDP、TCP则不需要改动。
   (3)可拓展性：TCP/IP协议是底层网络协议，本程序留有很好的接口，可在其上构建更高层的网络协议，包括H.323协议、ftp、telnet。
   4 在OMAP平台上的移植
   4.1 单片以太网控制器LAN91C96
   LAN91C96是SMSC公司生产的专门用于嵌入式产品的10Mbps以太网控制器，具有性能优良、功耗低及尺寸小的特点。如图4所示。
   
   6KB的RAM：用来存放数据包。
      MMU：对RAM进行有效管理，为接收和发送包在RAM中分配存储空间。
      ARBITE：使MMU和RAM与CPU、CSMA很好地连接。
      CSMA/CD模块：集成了IEEE 802.3 MAC层协议，负责监听网络情况和地址过滤。若目的地址是LAN91C96的地址、广播地址或多播地址，则接收此数据包，否则抛弃。
      ENDEC：负责曼彻斯特(Manchester)编解码。
      收发器：负责与10Mbps以太网物理媒体的连接。
   LAN91C96采用地址映射方式，通过访问Innovator的指定地址对其寄存器访问。LAN91C96的寄存器在Innovator内存中的地址分配为：0x08000300～0x0800030F。寄存器共有4组(BANK0～BANK3)，使用相同的地址，通过BANK_SELECT寄存器选择。
   4.2 移植过程
   先实现该网卡芯片的驱动程序，再用它替换PC模拟器的以太网层。程序驱动主要包含以下三个部分：
   (1)初始化：主要为Lan91C96的各寄存器填入正确的初始值使其正常工作。
   (2)接收：如图5所示，由CSMA(载波侦听模块)接收到符合地址要求的包后，MMU(存储器管理单元)为其请求在RAM中分配存储空间并分配一个编号，DMA将其存入RAM。接着在接收数据的前面封装STATUS和COUNT字节信息，如果CRC检测正确，则将其编号放入接收FIFO；如果接收FIFO不为空，则RCV_INT(接收中断标识)被设置。检查接收中断寄存器状态，如果有接收中断，对应其编号，上层协议便可以取出数据了。取出后，将该数据编号从FIFO中清除。
   
   状态字可以从RCR寄存器中读取，它反映了接收过程出现的各种错误，如CRC错误、接收帧过长等。数据包的编号从FIFO_PORTS寄存器中获得，而数据指针可从POINTER寄存器中获得，数据信息从DATA寄存器中得到，根据这些信息将接收数据包复制到CPU内存，供上层使用。接收函数的主要流程如图6。
   
   (3)发送：图7描述了发送数据包在FIFO中的排队过程。首先MMU在RAM中分配一定字节的存储空间；然后，将分配结果寄存器中的编号放入PNR寄存器，写数据指针寄存器POINTER并将上层数据封装后拷入DATA寄存器，根据其编号放入发送FIFO，排队的包将自动发出；发出包的编号接着进入发送完成FIFO。如果发送成功，则存储空间自动释放；否则释放存储空间并将其重新排队。
   
   5 实验结果
   5.1 内存资源占用量
   运行该TCP/IP协议栈需要3MB内存，而Innovator 提供32MB SDRAM和32MB Flash，内存占用率为：3M/64M＝4.7%，完全适用于嵌入式系统。
   5.2 数据传输可靠性
   TCP利用以下机制纠错。数据传输过程中的误码：检验和机制与重传机制；数据包的重复：在接收端会自动舍弃已经接收过的数据包，并且不发ACK，故不会发生一个数据包接收多次的情况；数据包的丢失：接收端在接收完一段数据后，会计算下一个预期数据的序号，如果不符合就不发ACK，从而导致发端重发，避免了数据包的丢失。经测试，在未发生拥塞情况下，传输的误码率几乎为0。
   5.3 文件最大平均传输速率
   下面就本程序所实现的利用TCP进行文件传输功能，给出在不同情况下的最大传输速率。实验环境为10Mbps以太网。
   理想状态下的理论最大吞吐量：假定发送方传输两个背对背、满长度的TCP数据，接收方为其发出两个ACK，每包中用户数据量为1460位，总数据量为1538位，故最大的用户数据吞吐量为：
   
   本实验测得文件的平均传输速率随着TCP连接数的增多有如图8所示的曲线变化。前半段随着连接数的增加成线性增长，后半段由于出现了网络拥塞，整体的平均速率反而有所下降。
   
   实验结果与理论最大吞吐量有所差距，原因在于：
   (1)理论值只是一种理想的状态，现实中难以达到。其值是瞬时最大值，平均值肯定要小，而本实验所测数据为平均值。
   (2)受CPU处理速度及文件传输过程的读、写文件操作的限制。
   (3)本程序采用的数据传输机制是当收到上一个包的ACK之后再发送下一个数据包，这样避免了对接收数据的排序，提高了可靠性，但数据的传输速度会受到制约。
   参考文献
   [1]Texas Instruments Corp.OMAP5910 Dual Core Processor Technical Reference Manual SPRU602.2002
      [2]Texas Instruments Corp.Innovator Development Kit for the OMAP Platform User′s Guide.2003
      [3]J Postel.Internet Protocol RFC791.www.faqs.org/rfcs，1981
      [4]J Postel.User Datagram Protocol RFC768.http：//www.faqs.org/rfcs，1980
      [5]J Postel.Transmission Control Protocol RFC793.http：//www.faqs.org/rfcs，1981
      [6]SMSC Corp.LAN91C96 Non－PCI Single－Chip Full Duplex Ethernet Controller Data Sheet.http：//www.smsc.com，2004
   作者：张阳 唐昆   来源：电子技术应用