基于OMAP的嵌入式TCP/IP开发
发布时间：2010-11-15 12:27
发布者：eetech
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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，因此使嵌入式设备的网络化开发有广阔市场前景，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深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，必须需要两端程序同时调试，在PC机上编好的程序能度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机上的Windows操作系统及VC6.0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）、M（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，也可以上层清空。处理ARP层函数的过程中：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注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，对给收到的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OxFFFF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、32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，较由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。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15 000行，而本程序源代码约有1 400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，可在其上构件更高层的网络协议，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：负责与10Mbps为以太网物理媒体的连接。 LAN91C96采用地址映射方式，通过访问Innovator为的指定地址对其存储器访问。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，程序驱动主要包括以下三个部分： （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的化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，如果就接收中断，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，它反应了接收过程出现的各种措施，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体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。数据的传输过程中的误码：检验和机制与重传机制，数据的重复，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）理论上只是一种理想的状态，现实中难以达到。 （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。 |
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