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基于DSP的上網(wǎng)方案的軟硬件設計與實現(xiàn)
摘要：介紹了TMS320VC33芯片與RTL8019網(wǎng)卡的硬件接口電路的設計以及網(wǎng)卡驅動程序的開發(fā)，并將TCP/IP協(xié)議嵌入到TMS320VC33芯片中；討論了TCP/IP協(xié)議簇的分層次實現(xiàn)，并根據(jù)應用的需要對DSP中實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議進行了必要的簡化，實現(xiàn)了DSP的上網(wǎng)功能。關鍵詞：TCP/IP協(xié)議DSP嵌入式系統(tǒng)
隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的發(fā)展，嵌放式系統(tǒng)如單片機、DSP等系統(tǒng)對接入網(wǎng)絡的需求日益增加，例如具有遠程抄表功能的電表系統(tǒng)、楞以進行遠程控制的信息電系統(tǒng)等。本文采用TI公司的TMS320VC33DSP芯片設計與Realtek公司的RTL8019網(wǎng)卡的硬件接口電路，并在DSP中用軟件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使DSP芯片具備上網(wǎng)功能，從而可以用計算機通過網(wǎng)卡與DSP電路板進行大量數(shù)據(jù)交換并對其進行控制。
1硬件設計
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，故中間應接非門。
DSP的Page3和R/W信號用于選能網(wǎng)卡的讀寫信號IOR、IOW，實現(xiàn)的邏輯關系如圖2所示。
IORQ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，由軟件進行自動配置plugandplay；
第三種為免跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內容決定。
計算機上一是即插即用方式，為了降低軟件編程的復雜度，將網(wǎng)卡設置為跳線方式。
上述所有的譯碼邏輯都在EPM7129中實現(xiàn)。
74ALVC16425是總線驅動芯片，可實現(xiàn)3.3V到5V的電平轉換。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進行電平轉換和隔離。
2軟件設計
2.1網(wǎng)卡硬件驅動程序的設計
網(wǎng)卡驅動程序主要包括以下幾部分：
（1）NIC的初始化
NIC是網(wǎng)絡接口控制芯片，它負責網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。為了能夠使NIC啟動并處于準備接收或準備發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，必須對相關的寄存器進行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCP、RCR等。
（2）中斷服務程序
中斷服務程序一般完成兩項任務：一是設置中斷標志，以使相關程序能以此發(fā)現(xiàn)發(fā)生了中斷；二取得中斷狀態(tài)寄存器的值，并將引起中斷的具體原因提交給相應的程序，這一過程也是通過設置中斷原因標志完成的。需要注意的，中斷服務程序開始的時候要保護中斷現(xiàn)場，待程序處理完成后要恢復中斷現(xiàn)場；中斷服務程序應盡可能短小，以便在盡可能短的時間內執(zhí)行完成，因此需要將一些不民要的工作交給其它程序來完成。
�。�3）幀發(fā)送程序
在網(wǎng)絡中，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)絡的傳輸線上；接收方根據(jù)接收到的幀的目的地址研究是否將該幀提交給上層應用程序。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)絡傳輸線上，因此，幀的發(fā)送過程應該包括以下幾個步驟：
①裝幀；
②將幀送入NIC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)絡傳輸線上。
（4）幀接收程序
幀接收是指將網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)幀接收并緩存于網(wǎng)卡的接收緩沖環(huán)中，然后由主機程序將緩存于接收緩沖環(huán)的幀讀走并存入內存中以備程序使用。從中可以看出，幀的接收過程分成兩卡；
①第一步由NIC通過本地DMA將幀存入接收緩沖環(huán)；
②第二卡是通過遠程DMA并在主機的配合下將接收緩沖環(huán)中的幀讀入內存。
2.2TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)
2.2.1DSP中與PC機中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議不同
TCP/IP協(xié)議最先是在UNIX系統(tǒng)中實現(xiàn)的，后來在LINUX、DOS和WINDOWS系統(tǒng)中也實現(xiàn)了TCP/IP。但是，在UNIX上實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的源代碼并不能直接移植到DSP上來，這是因為PC機和DSP存在著巨大的差異。
PC機的運算速度非�？欤话愣加幸粋�多任務的操作系統(tǒng)，可以多任務并行執(zhí)行，通過硬中斷與中斷、消息隊列和各種插口實現(xiàn)ATCP/IP各協(xié)議層之間的通信和整個網(wǎng)絡的通信。而DSP運行速度相對較慢，缺乏多任務操作系統(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，所以中斷程序應盡量短，只完成設置各種狀態(tài)的標志位，而將相對較慢的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的處理放在主程序中執(zhí)行，以減少各種任務之間的沖突。
PC機的內存非常大，現(xiàn)在一般都可達到32～128M的存儲容量，可以動態(tài)地分配和釋放內存，很容易實現(xiàn)存儲器緩存mbuf、網(wǎng)絡控制塊ncb等鏈狀結構，且可隨意增刪；同時能維護多條網(wǎng)絡連接，由于計算機處理速度快，幾乎不用考慮緩沖區(qū)溢出的問題。而DSP內部RAM一般只有十幾K，加上外部擴展的RAM也只能達到幾十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機的內存管理方式和數(shù)據(jù)結構，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機中TCP/IP協(xié)議都是分層次實現(xiàn)的，相互之間都是通過參數(shù)傳遞進行聯(lián)系，這樣有利于提高程序的模塊化和獨立性。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，所以應盡量減少參數(shù)傳遞，轉而使用全局變量和外部變量等來達到值的傳遞，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機上實現(xiàn)了比較完整的TCP/IP協(xié)議。而在DSP中，由于運算速度和內存的限制，不可能支持所有的協(xié)議，一般只實現(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機上實現(xiàn)那么復雜，可以根據(jù)硬件的具體情況和實現(xiàn)的需求進行必要的簡化。
2.2.2TCP/IP協(xié)議的具體實現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議是一個協(xié)議簇，包含了很多協(xié)議，在DSP上實現(xiàn)的所有協(xié)議如圖3所示，通�？煞譃樗膶樱ú话ㄎ锢韺樱�。
根據(jù)DSP的結構特點和所需要實現(xiàn)的功能，在DSP中實現(xiàn)了ARP（地址解析協(xié)議）、IP（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP（Internet控制報文協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），并對它們進行了簡化。
2.2.2TCP/IP協(xié)議的具體實現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議是一個協(xié)議簇，包含了很多協(xié)議，在DSP上實現(xiàn)的所有協(xié)議如圖3所示，通常可分為四層（不包括物理層）。
根據(jù)DSP的結構特點和所需要實現(xiàn)的功能，在DSP中實現(xiàn)了ARP（地址解析協(xié)議）、IP（網(wǎng)絡協(xié)議）、ICMP（Internet控制報文協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），并對它們進行了簡化。
在鏈路層中實現(xiàn)了ARP。每種網(wǎng)絡都有自己的尋址機制，以太網(wǎng)通過以太網(wǎng)地址即通常所說的網(wǎng)卡硬件地址MAX進行尋址的，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簇有意義的地址，是一種虛擬地址。當賦予IP地址的IP包要在以太網(wǎng)中傳播時，必須將IP地址轉化為以太網(wǎng)地址才能進行正確的傳輸。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)絡的正確傳輸。ARP協(xié)議由兩個文件arpin.c和arpout.c實現(xiàn)。arpin.c負責接收網(wǎng)絡上廣播的arp包，判斷arp包的類型是網(wǎng)絡上其它機子的請求包還是返回本機的響應包，判斷其合法性并進行相應的處理；arpout.c負責主機向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)報時發(fā)送arp請求包以及被arpin.c調用響應收到的arp請求包。
在網(wǎng)絡層中實現(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)報傳送服務，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實現(xiàn)。Ipin.c負責接收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的上層協(xié)議處理；ｉｐｏｕｔ．ｃ負責發(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，正確設置源ＩＰ地址和目的ＩＰ地址、協(xié)議類型，計算檢驗和，交給下面的鏈路層發(fā)送。ＰＣ機上的ＩＰ數(shù)據(jù)包，當它的長度超過網(wǎng)絡的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選項字段。ＩＣＭＰ協(xié)議負責傳遞差錯報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中只實現(xiàn)了對回顯請求（類型代碼為８０）報文的處理，從ＩＰ層收到ＩＣＭＰ包后，判斷其類型代碼段是否為８０。如果是，將這兩個字段設置為００（回顯應答），計算檢驗和，再交給ＩＰ層發(fā)送；如果不是，則予以丟棄。從而實現(xiàn)了對ｐｉｎｇ功能的支持。
圖4
在運輸層實現(xiàn)了ＵＤＰ和ＴＣＰ。
�。眨模袇f(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來實現(xiàn)。ｕｄｐｉｎ．ｃ實現(xiàn)對ｕｄｐ包輸入的處理，判斷其端口號、檢驗和是否正確，正確則將其數(shù)據(jù)交給相應端口的應用程序，不正確則丟棄；ｕｄｐｏｕｔ．ｃ實現(xiàn)對ｕｄｐ包輸出的處理，從應用程序接收數(shù)據(jù)，設置相應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，計算ＵＤＰ包的檢驗和與計算ＩＰ包的檢驗和是不一樣的，ＩＰ包的檢驗和只覆蓋了ＩＰ包的首部，而ＵＤＰ包的檢驗和則覆蓋了ＵＤＰ包的首部和所有的數(shù)據(jù)。ＵＤＰ包計算檢驗和時還引入了一個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)的檢驗和，其目的是讓ＵＤＰ兩次檢查數(shù)據(jù)是否正確地到達了目的地。ＴＣＰ協(xié)議與ＵＤＰ協(xié)議雖然同是運輸層協(xié)議，但是它提供一種面向連接的可靠的字節(jié)流服務。ＴＣＰ協(xié)議是所有協(xié)議中最復雜、也是最難實現(xiàn)的一塊，主要由ｔｃｐｉｎ．ｃ、ｔｃｐｏｕｔ．ｃ、ｔｃｐｔｉｍｅｒ．ｃ和ｔｃｐｓｔａｔｅｍ．ｃ四個文件分塊實現(xiàn)，并根據(jù)具體應用的需要進行簡化。ＴＣＰ的控制塊ｔｃｂ用結構體來實現(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連接中進行搜索。ｔｃｐｔｉｍｅｒ．ｃ負責管理ＴＣＰ協(xié)議中的各種狀態(tài)信息，它內含前向后向指針，使之形成定時器超時，ＰＣ機上的ＴＣＰ協(xié)議包含快慢兩個定時器，這里僅僅實現(xiàn)了一個５００ｍｓ的慢速定時器，因為沒有快速定時器，所以不支持ＡＣＫ報文延遲，收到一幀即立即發(fā)送ＡＣＫ；ｔｃｐｓｔａｔｅｍ．ｃ是ＴＣＰ的狀態(tài)機函數(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負責ｔｃｐ報文的發(fā)送，典型的發(fā)送過程是當接收到上層應用程序的數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送ＳＹＮ幀，與目標節(jié)點三次握手建立連接，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)送完畢并得到確認后發(fā)送ＦＩＮ幀，通過四次握手關閉連接，ｔｃｐｏｕｔ．ｃ還可在不同狀態(tài)和事件下被其它程序調用發(fā)送ＡＣＫ幀、ＲＳＴ幀等其它ＴＣＰ報文；ｔｃｐｉｎ．ｃ負責接收從下層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首部的各個標志位進行分支處理，將數(shù)據(jù)交給對應端口的上層應用程序，并調用其它函數(shù)實現(xiàn)對ＴＣＰ包的響應和狀態(tài)變遷。在ＰＣ機上往往可以同時維護多條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雜度，同時也滿足了實際需要，如果今后有需要，還可以進行擴展。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)卡的硬件接口的設計及編程，使ＤＳＰ實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的ＴＣＰ／ＩＰ通信，從而使ＤＳＰ可以通過網(wǎng)線進行聯(lián)網(wǎng)，并可以實時地與計算機進行通信，交換大量的數(shù)據(jù)和控制信息。本文所介紹的技術已經(jīng)在作者參加的國家"９７３"項目"復雜自然環(huán)境時空定量信息的獲取與融合處理的理論與應?quot;的硬件設計中得到應用，并運行良好。
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