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隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，Internet的使用越來(lái)越普及，信息家電和智能儀表等能夠接入Iriternet的非PC設備越來(lái)越多，將各類(lèi)電子設備接入Internet的需求也越來(lái)越大。 電子設備接入Internet。有多種解決方案：在51系列單片機上運行經(jīng)過(guò)裁剪的TCP／IP協(xié)議棧；使用一些ASIC實(shí)現TCP／IP的芯片，如Analog Devices推出的Internet Modem；也可使用嵌入式操作系統自帶的TCP／IP協(xié)議棧。在某些對網(wǎng)絡(luò )速度要求不高的領(lǐng)域，可用單片機實(shí)現TCP／IP；在對性能要求高的場(chǎng)合，可選擇后兩種方案。 1 嵌入式TCP／IP的硬件結構 圖1是嵌入式TCP／IP系統的硬件結構。其中CS8900A是Cirrus Logic的網(wǎng)絡(luò )控制器，芯片內部已設置幀過(guò)濾器自動(dòng)拋棄無(wú)效幀，減輕CPU負荷，提高CPU對網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)效率。CS8900A工作機制主要是通過(guò)設置好其內部各寄存器的值，然后就可以自動(dòng)開(kāi)始工作。在網(wǎng)絡(luò )接口部分，由于是RJ45接口，所以須使用E2023傳輸線(xiàn)變壓器對網(wǎng)絡(luò )中的信號進(jìn)行轉換。 通常TCP／IP協(xié)議棧需要大量的RAM來(lái)存儲需要被應答的TCP包。如果在規定時(shí)間內未被應答，則重發(fā)該TCP包；被應答以后釋放。為了減小RAM的使用量，當數據包需要重新發(fā)送時(shí)，如果能夠重新產(chǎn)生數據包所需的數據，則可不存儲需要被應答的TCP包。 因為網(wǎng)絡(luò )中數據非常多，如果把所有的數據都讀到內存中再判斷是否應丟棄幀，則顯然效率不高。所以邊讀取數據邊判斷而沒(méi)有一開(kāi)始就把整個(gè)幀全部讀到內存中。在程序里定義了幀中各部分的相對地址，可以方便地對幀的各字節尋址。這樣的設計是基于提高訪(fǎng)問(wèn)速度考慮的。 在CPU中幀的存放方式，定義PacketRAM變量為存放幀的首地址。圖2給出了CPU中TCP/IP的內存劃分，以及內存中幀的各個(gè)字節的定義和相對位置。 2 嵌入式TCP／IP的優(yōu)化設計 TCP／IP一般采用C語(yǔ)言或混合匯編。使用可重入函數和一般指針(gellerc pointer)使得程序代碼增大，運行速度降低；使用函數指針時(shí)，需要手動(dòng)重建調用樹(shù)(calltree)，或將函數指針調用的函數設置為可重入函數。 2．1 嵌入式TCP／IP輸入輸出流程 與PC機TCP／IP協(xié)議一樣，嵌入式TCP/IP采用協(xié)議分層的結構：應用層、TCP層、IP層和網(wǎng)絡(luò )設備接口層。圖3描述了輸入和輸出數據包的流程以及需要調用的函數。 輸出時(shí)，TCP層先查看unsend隊列，發(fā)現非空，將數據包插入隊列；發(fā)現為空，則查看對方窗口是否夠大(能夠接收這個(gè)數據包)。然后，填寫(xiě)TCP頭部信息。IP層選擇網(wǎng)絡(luò )設備接口，目的IP和該接口的子網(wǎng)掩碼相“與”是否等于子網(wǎng)掩碼，然后調用這個(gè)接口的Output函數來(lái)發(fā)送。 輸入時(shí)，Timer()函數調用每個(gè)接口的Input函數。IP層判斷IP版本、IP校驗和，以及是否應轉發(fā)數據包，然后根據IP頭部的protocol字段將包傳給相應的高層處理。TCP層，須判斷TCP校驗和，并在現有的套接字中查找，判斷是否有套接字可接收這個(gè)數據包，判斷TCP序號是否為希望的，然后更新這個(gè)連接的狀態(tài)(包括釋放被應答的數據包和TCP狀態(tài)機的轉化等)，調用該套接字的回調函數recv。 2.2 嵌入式TCP／IP的程序結構 Tliner函數功能是調用TCPTimer處理TCP數據包的重發(fā)等功能，調用每個(gè)接口的Input函數接收到達的數據包。Timer函數必須在短時(shí)間(一般為20ms)內被調用一次，否則接收數據包和TCP定時(shí)等功能將停止。 如圖4所示，程序主流程是一個(gè)大循環(huán)，在循環(huán)中處理發(fā)送數據包等應用層協(xié)議的同時(shí)，查詢(xún)變量bTimeOut，在定時(shí)中斷中將bTimerOut設置為真。應用層在程序流程中反復查詢(xún)bTimerOut是否為真，若為真則調用Timer()，然后設置bTimerOut為假。 在使用嵌入式操作系統時(shí)，還要注意網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)函數被重入的問(wèn)題。以NE2K的以太網(wǎng)卡為例，拷貝數據包到網(wǎng)卡緩存前要先設置寄存器(如起始地址)。如果設置完寄存器以后中斷發(fā)生且放重入。則寄存器的設置被修改，中斷返回以后拷貝將出錯。 2.3 嵌入式TCP／IP運行速度優(yōu)化 TCP／IP發(fā)送過(guò)程中主要的運算量集中在3部分：應用程序將數據拷貝到RAM；計算TCP校驗和；將RAM中的數據包拷貝到網(wǎng)絡(luò )設備的發(fā)送緩沖區。對于每個(gè)字節數據，兩次拷貝大致共使用12×2=24個(gè)指令周期；計算TCP校驗和使用16個(gè)指令周期。采用12MHz晶振，最高網(wǎng)絡(luò )傳輸速度為25KB/s。 為了提高速度可以采用快速CPU或提高晶振頻率。另外，盡量避免使用Reentrant函數。Reentrant類(lèi)型的函數比一般函數速度要慢很多，但某些時(shí)候為了程序結構的需要必須使用Reentrant，這就需要在速度和結構之間作一個(gè)選擇。選擇的方法有：使用“指定存儲類(lèi)型”的指針(memoryr-specific pointer)；精簡(jiǎn)協(xié)議棧去除運算量大但是用處不大的功能，目前TCP定時(shí)重發(fā)時(shí)間是固定的，也沒(méi)有擁塞窗口控制和IP層路由；防止數據包不必要的拷貝；優(yōu)化計算校驗和與內存拷貝函數。 3 TCP／IP的嵌入式實(shí)現 TCP／IP協(xié)議實(shí)現一般以軟件方式嵌人到ROM中，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)與專(zhuān)用嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，運行TCP／IP協(xié)議，并提供TCP／IP到用戶(hù)的輕型網(wǎng)絡(luò )的連接和路由功能。 3.1 內存管理方法和無(wú)多余數據包拷貝的實(shí)現 嵌入式TCP/IP的內存管理可用鏈表方法，即根據數據包大小分配相應大小的內存塊。如圖5所示，鏈表將內存塊鏈接起來(lái)，used字段表示該內存塊是否正在使用，pStart和pEnd表示數據部分有效數據的開(kāi)始地址和結束地址。 分配時(shí)，搜索內存鏈表找到一個(gè)沒(méi)有分配的比所需空間大的內存塊，截取所需的大小。該內存塊被截取以后可能還有較多剩余，這時(shí)將剩余部分從原內存塊中分離出來(lái)，成為一個(gè)新的內存塊，并插入鏈表。釋放時(shí)，將used置為假。如果pNext或pPre指向的鏈表單元也是空閑的，則將其與自己合并。以防止內存分片。在協(xié)議層之間傳送數據包只要傳送內存塊的起始地址即可。這種內存管理方法空間浪費小，但運算量相對較大。 3.2 整序、重發(fā)與窗口控制的實(shí)現 使用隊列緩存的方式來(lái)實(shí)現整序、重發(fā)和窗口控制。隊列的一個(gè)元素指向一個(gè)數據包，隊列的最大長(cháng)度沒(méi)有限制。 對于整序，使用ooSeq隊列，如果發(fā)現接收的TCP包序號并不是希望的，但序號在接收窗口內，此時(shí)不能立刻接收這個(gè)包也不應丟棄，先將這個(gè)包放入ooSeq隊列。當一個(gè)希望的TCP包被接收以后，再查看ooseq隊列現在是否有TCP包成為了希望的數據包，如果有則將其取出并處理。 對于重發(fā)，使用unacked隊列，每個(gè)需要被應答的TCP數據包發(fā)送以后都要放入unacked隊列，直到被應答后才從隊列中刪除。TCP重發(fā)定時(shí)只針對unacked隊列第一個(gè)TCP包。如果定時(shí)超出，則重新發(fā)送；如果重發(fā)次數超出規定值，則報錯。 對于窗口控制，使用unsend隊列，如果發(fā)現對方的窗口過(guò)小無(wú)法接收這個(gè)數據包，則只發(fā)送部分數據，將多余部分放入unsend隊列，等待對方發(fā)來(lái)TCP包通知新的窗口大小時(shí)，再次判斷是否可以發(fā)送。在unsend隊列不為空的情況下，須發(fā)送的數據包都應插入unsend隊列。 3.3 捎帶應答的實(shí)現 捎帶應答是指，當對方一個(gè)需要應答的TCP包到達時(shí)，不馬上給予應答，而是等待一段較短的時(shí)間。如果在這段時(shí)間內有數據發(fā)送，則會(huì )捎帶給予應答，從而減少了包的發(fā)送數量。 若暫時(shí)沒(méi)有數據須發(fā)給對方或數據還未準備好，則等待一定的時(shí)間；如果在該時(shí)間內準備好了數據，則可使用捎帶應答。使用捎帶應答就不可能對每個(gè)幀都作確認，可用對某個(gè)幀的確認來(lái)代替對該幀之前所有幀的確認。 4 總 結 嵌入式系統中大量存在的是8／16位低速處理器，在進(jìn)行Internet接入時(shí)，由于本身資源的限制，很難實(shí)現完整的TCP／IP協(xié)議。本文從既實(shí)現相應的功能又節省系統資源角度出發(fā)，對協(xié)議進(jìn)行有針對性的模塊化裁剪和優(yōu)化設計，可以在單片機／ARM上嵌入TCP／IP協(xié)議簇實(shí)現嵌入式Internet接入。 經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的嵌入式TCP／IP，支持套接字形式的多個(gè)TCP連接；支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備；支持通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數據包和數據包轉發(fā)功能，響應ping命令；支持TCP包的整序、重發(fā)和窗口控制流量控制。實(shí)踐證明，這種設計方式靈活，能按用戶(hù)需求實(shí)現很多復雜的功能。 |
