基于ARM7實(shí)時網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

隨著基于TCP/ IP 協(xié)議的Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展和普及， 各種信息網(wǎng)紛紛采用T CP/ IP 協(xié)議， 并接入Internet 網(wǎng)。傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)由于其封閉性有被基于TCP/ IP 的網(wǎng)上測控系統(tǒng)取代。由于IP 尋址簡單， 適于異構(gòu)網(wǎng)互連， 為實(shí)現(xiàn)分布式處理、實(shí)時監(jiān)控的測控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了很好的條件。本文所構(gòu)建的系統(tǒng)被用于將多個采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳給主控機(jī)， 實(shí)時網(wǎng)絡(luò)還有其他三個采集節(jié)點(diǎn)， 主控機(jī)按順序給各個節(jié)點(diǎn)發(fā)指令字， 并依次從它們那里接收數(shù)據(jù)包， 其通信協(xié)議采用了T CP 和U DP。并以KEIL uVisiON3 的RT L 實(shí)時庫為軟件平臺， 基于ATMEL公司ARM7 系列處理器， 實(shí)現(xiàn)了完整的功能。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1. 1 系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)的三個采集節(jié)點(diǎn)都采用ATMEL 的A T91SAM7X256, 該微控制器具備嵌入式10/ 100 以太網(wǎng)（Ethernet） MA C、CA N、全速（ 12Mbps） U SB 2. 0。它針對廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，AT 91SAM7X256 還具備一個10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 、兩個串行外圍接口（ SPI） 、同步串行接口（ SSC） 、雙線接口（ TWI） 、三個通用異步收發(fā)器（ UART） 、一個8 級（ 8- level） 優(yōu)先中斷控制器（ pr ior ity inter rupt controller ） 和眾多的監(jiān)管功能。這個新型的50 MIPS MCU 擁有64KB 的靜態(tài)存儲器和256K B 的25ns 閃存， 這種閃存支持實(shí)時控制系統(tǒng)所需的可確定性處理能力。

主控機(jī)用PC 機(jī)， 操作系統(tǒng)用RedHat9. 0, 它主要用于輪詢各個采集節(jié)點(diǎn)， 并將從它們那里收到的數(shù)據(jù)包儲存和顯示出來。

1. 2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)時以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)相同。主機(jī)通過以太網(wǎng)卡連到通信電纜上。通信電纜可以是同軸電纜， 也可以用非屏蔽雙絞線。如果是非屏蔽雙絞線， 則需要用HUB。

2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

2. 1 體系結(jié)構(gòu)

實(shí)時以太網(wǎng)參照ISO 的OSI 模型， 采用縮減的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為四層： 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層， 其中數(shù)據(jù)鏈路層又可細(xì)分為MAC 子層和LLC 子層。以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)了物理層和MAC 子層能； LLC子層設(shè)計(jì)為向傳輸層提供無連接無確認(rèn)的服務(wù)。傳輸層實(shí)現(xiàn)基于消息的數(shù)據(jù)傳輸， 并向應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。下面將著重討論傳輸層協(xié)議的設(shè)計(jì)。

2. 2 KEIL uVision3 的RTL 實(shí)時庫

RealView RL- ARM 是為解決基于ARM MCU 的嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)時及通信問題而設(shè)計(jì)的緊密耦合庫集合。

它可以非常方便地應(yīng)用于所有A RM7、ARM9 和Cort ex-M3 系列的處理器， 使得在ARM 處理器上運(yùn)行實(shí)時程序非常容易。它包含四個部分： RT X 實(shí)時內(nèi)核、Flash 文件系統(tǒng)、TCP/ IP 協(xié)議簇、RT L - CAN （ 控制域網(wǎng)絡(luò)） , Real??

V iew 實(shí)時庫可以解決嵌入式開發(fā)中的如下幾個常見問題：

（ 1） 多任務(wù)（ 可以在單CPU 上管理幾個工作或任務(wù)） ;（ 2） 實(shí)時控制（ 可以控制任務(wù)在既定時間內(nèi)完成） ;（ 3） 任務(wù)間通信（ 可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的任務(wù)間通信） ;（ 4） Internet 連接（ 通過以太網(wǎng)或串口（ Modem） ） ;（ 5） 嵌入式Web 服務(wù)器（ 包括CGI 腳本） ;（ 6）E- mail 公告（ 通過SMT P） 。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能正是構(gòu)建在RT L 實(shí)時庫之上的。下面簡述一些RTL 實(shí)時庫的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。

（ 1） TCP 發(fā)送函數(shù)BOOL t cp_ send （ U8 Socket , U8* buf, U16 dlen） ;其中Socket 為通信TCP Socket, 它包含了對方的IP和端口信息， buf 為要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址， dlen 為發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大值。

（ 2）U DP 的發(fā)送函數(shù)udp _ send （ U8 Socket , U8 *remip, U16 rempor t, U 8 * buf, U16 dlen） , 其中Socket 為通信U DP S ocket , remip 為對方的IP 地址， rempor t 為對方的通信端口， buf 為要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址， dlen 為發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大值。

（ 3） 接收數(shù)據(jù)時， RT L 實(shí)時庫不像BSD Socket 一樣有專門的接收函數(shù)， 而是利用回調(diào)機(jī)制， 即收到數(shù)據(jù)時， 就觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。另外， 對于T CP, 在回調(diào)函數(shù)里它有多個響應(yīng)事件， 如TCP_EVT _CON REQ （ 連接請求） ; T CP_EVT_CONN ECT（ 已建立連接） ; T CP_EVT _CLOSE（ 連接已關(guān)閉） ; T CP_EV T_ABORT （ 連接異常終止） ; TCP_EV T_ACK（ 發(fā)送的數(shù)據(jù)已被對方響應(yīng)） ; T CP_EVT _DATA （ 收到數(shù)據(jù)包） , 提取收到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理就是在該事件下完成的。然而， 對于UDP, 它沒有各個響應(yīng)事件。

2. 3 主控機(jī)的功能及系統(tǒng)的性能分析

主控機(jī)的運(yùn)行環(huán)境為RedH at9. 0, 采用標(biāo)準(zhǔn)的BSDSocket , 它按順序給各點(diǎn)發(fā)指令字， 然后依次從它們那里接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行存儲和顯示。

按照上述的硬件和軟件構(gòu)建后， 調(diào)試和測試后可得系統(tǒng)的通信速率如表1 和表2 所示。

表1 PC 對3 個SAM7（ 基于TCP ）

表2 PC 對3 個SAM7（ 基于UDP）

對照發(fā)現(xiàn)， U DP 的傳輸速率可以達(dá)到TCP 的約2. 5倍。由于U DP 協(xié)議并不提供數(shù)據(jù)傳送的保證機(jī)制， 如果在從發(fā)送方到接收方的傳遞過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的丟失， 協(xié)議本身并不能做出任何檢測或提示。因此， 我們把U DP協(xié)議稱為不可靠的傳輸協(xié)議。而T CP 協(xié)議中包含了專門的傳遞保證機(jī)制， 當(dāng)數(shù)據(jù)接收方收到發(fā)送方傳來的信息時， 會自動向發(fā)送方發(fā)出確認(rèn)消息； 發(fā)送方只有在接收到該確認(rèn)消息之后才繼續(xù)傳送其它信息， 否則將一直等待直到收到確認(rèn)信息為止。鑒于此， 我們在系統(tǒng)在采用了以下的機(jī)制， 即在PC 先采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令字時用TCP 協(xié)議，而在傳輸采集數(shù)據(jù)包是就用UDP 協(xié)議。

3 結(jié)束語

保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性， 對整個實(shí)時系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)轉(zhuǎn)起著決定性作用。實(shí)時以太網(wǎng)具有實(shí)時、高速、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但也有其不足之處。如抗惡劣環(huán)境能力差；傳輸層在主機(jī)實(shí)現(xiàn)， 占用了主機(jī)的資源； 與主機(jī)上程序的協(xié)調(diào)運(yùn)行也是要考慮的問題。