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在TMS320VC5402上實(shí)現的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
摘要：實(shí)現一個(gè)運行在16位數字信號處理器TMS320VC5402上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。對TCP/IP協(xié)議中的IP協(xié)議、ARP協(xié)議、UDP協(xié)議進(jìn)行分析，完成基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統。引言
隨著(zhù)嵌入式系統應用范圍的不斷擴展及網(wǎng)絡(luò )應用的日益普及，使得越來(lái)越多的嵌入式系統需要支持網(wǎng)絡(luò )功能。TCP/IP是目前一種被廣泛采用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。TCP/IP是一套把因特網(wǎng)上的各種系統互連起來(lái)的協(xié)議組，已成為事實(shí)上最常用的網(wǎng)絡(luò )標準之一。本文對TCP/IP協(xié)議中的IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議進(jìn)行了分析，利用DSP的專(zhuān)用匯編語(yǔ)言實(shí)現了自己的通信協(xié)議。由此可使DSP直接對Ethernet發(fā)來(lái)的數據包解分析，并能按照TCP/IP協(xié)議正確打包和發(fā)送，最終實(shí)現DSP與PC機的數據通信，成功地完成了語(yǔ)音數據的采集和發(fā)送，實(shí)現了DSP與PC機的語(yǔ)音數據傳輸。
1 TCP/IP協(xié)議分析
一般在嵌入式系統中實(shí)現的TCP/IP協(xié)議都是面向數據采集和傳輸的，所以大部分實(shí)現都是IP協(xié)議、ARP協(xié)議、UDP協(xié)議或者是TCP協(xié)議。本文完成的是IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議。一般認為T(mén)CP/IP為四層協(xié)議，實(shí)現的協(xié)議棧結構如圖1所示。
DSP程序自下而上實(shí)現以下協(xié)議：
①媒介訪(fǎng)問(wèn)控制MAC（Media Access Control），向以太網(wǎng)收發(fā)數據。傳送的數據格式為Ethernet數據幀格式。Ethernet幀的長(cháng)度是可變的，但都大于64字節，小于1518字節。它包括頭部、數據和尾部三部分。8字節的前導用于幀同步，CRC域用于幀校驗。目的地址和源端地址是指網(wǎng)卡的物理地址（MAC地址），具有唯一性。
②地址解析協(xié)議ARP（Address Resolution Protocol），使得物理地址和IP地址可以對應起來(lái)。在Ethernet上，使用地址解析協(xié)議ARP協(xié)議來(lái)實(shí)現IP地址到MAC地址的動(dòng)態(tài)轉換。ARP Request(ARP請求)和ARP Response(ARP響應)類(lèi)型都是0X0806。ARP報文格式包括硬件類(lèi)型、協(xié)議類(lèi)型、硬件地址長(cháng)度、協(xié)議地址長(cháng)度、操作字段、源端物理地址、源端IP地址、目的物理地址和目的IP地址。
③Internet網(wǎng)核心協(xié)議IP（Internet Protocol），實(shí)現IP網(wǎng)絡(luò )上的數據傳輸的基礎。IP協(xié)議提供了一種高效、不可靠和無(wú)連接的傳輸方式。IP報文是IP協(xié)議的基本處理單元，是由報頭和數據兩部分組成的。IP報頭包括20字節的固定部分和變長(cháng)的選項部分。20字節的固定部分包括IP協(xié)議的版本號、IP首部長(cháng)度、服務(wù)類(lèi)型、報文總長(cháng)度、標識符、片偏移、報文生存時(shí)間、首部校驗和以及源端IP地址和目的端IP地址。
④用戶(hù)數據報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol），提供不可靠的數據傳輸功能。它不對要發(fā)送的數據進(jìn)行緩沖，直接把從應用層收到的數據加上UDP首部發(fā)送出去。UDP不會(huì )把應用層多、次發(fā)送的數據合并成為一個(gè)包發(fā)送出去。這對于編寫(xiě)簡(jiǎn)單的請求/響應模式的應用是很方便的，而且利用UDP協(xié)議對傳輸速率也沒(méi)有太大的影響。UDP協(xié)議的數據報格式包括源端口口、目的端口號、數據報長(cháng)度、UDP校驗和以及UDP數據。
⑤上層應用協(xié)議，對語(yǔ)音數據打包傳輸，實(shí)現DSP與PC機的語(yǔ)音數據傳輸。
2 硬件接口電路
硬件接口電路如圖2所示。
微處理器采用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5402數字信號處理器。它采用了改進(jìn)的哈佛結構，操作速率達到了100MIPS。以太網(wǎng)控制芯片采用RTL8019AS，是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的一種高度集成的以太網(wǎng)控制器。它實(shí)現了以太網(wǎng)媒介訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。譯碼、電平變換及向功能由XC95144xl完成。它是Xilinx公司生產(chǎn)的低功耗CPLD器件。HR61001G是中山漢仁電子有限公司生產(chǎn)的10BASE-T接口器件，起低通濾波和隔離變壓等作用。
3 軟件設計
3．1 DSP上嵌入式TCP/IP協(xié)議的匯編程序設計
由于DSP的資源有限，所以網(wǎng)絡(luò )協(xié)議根據嵌入式應用進(jìn)行了裁減。本設計中完成了ARP、IP、UDP等部分協(xié)議，既能夠保證DSP接入以太網(wǎng)，又使DSP資源能夠滿(mǎn)足嵌入式系統應用的要求。
首先介紹一下所設計的DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數據包所使用的數據結構。作者選擇了聯(lián)合體結構作為DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數據包的緩沖區。聯(lián)合體允許大小和類(lèi)型不同的定義臨時(shí)存儲在同一存儲器空間。這樣的好處是各層協(xié)議之間數據的傳遞，實(shí)質(zhì)上是數據指針在傳遞，而不是數據拷貝傳遞。而且各層協(xié)議可以直接使用該緩沖區，因為緩沖區內的結構體完全是按照各個(gè)協(xié)議的幀格式設計的。在聯(lián)合體databuf中有四個(gè)結構體成員—ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt，分別對應著(zhù)以太網(wǎng)數據幀、IP協(xié)議、UDP協(xié)議、ARP協(xié)議的幀格式。這4個(gè)結構體成員是按照它們各自協(xié)議的幀格式進(jìn)行定義的。值得注意的是，因為databuf中存儲的是RTL8019AS發(fā)送的以太網(wǎng)數據幀，聯(lián)合體的成員共用databuf緩沖區，所以在各個(gè)結構體中要預留低層協(xié)議報頭存儲空間。例如，IP協(xié)議的結構體ippkt就要在結構體定義中留下ethernetpkt報頭的存儲空間，即ippkt定義中前9個(gè)整型空間不能使用，從第10個(gè)整型空間開(kāi)始才是IP數據報的內容。
下面分4層介紹所完成的嵌入式TCP/IP協(xié)議。
①物理層：主要完成以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的復位，寄存器的初始化，并設置RTL8019AS的工作方式、中斷響應、DMA通道接收緩沖區的地址設置等。
初始化程序如下：
WRITE 0x21,CR /*設置命令寄存器，選中第0頁(yè)*/
WRITE 0x4c,PSTART/*頁(yè)起始地址寄存器初始化，設定接收緩沖區起始頁(yè)地址*/
WRITE 0x80,PSTOP /*頁(yè)停止地址寄存器初始化，設定接收緩沖區終止頁(yè)地址*/
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