嵌入式網(wǎng)絡終端報文收發(fā)機制研究與實現(xiàn)

1、 引言
計算機網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展，幾乎延伸到各個領域，已經(jīng)成為很多嵌入式系統(tǒng)的重要功能組件[1]，并且衍生出新型終端，如IP電話、IPTV等。在嵌入式網(wǎng)絡終端系統(tǒng)中，網(wǎng)絡報文的收發(fā)依靠協(xié)議棧完成，其功能集中在傳輸層、網(wǎng)絡層和鏈路層。通常的報文接收機制是在鏈路層以上建立接收任務，通過查詢物理層的通信狀態(tài)或者由物理層中斷觸發(fā)[2]，來接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。這兩種方式都有一定的缺陷。查詢方式，就是接收任務按照某種規(guī)則檢查底層是否收到新數(shù)據(jù)，簡單可靠，但由于網(wǎng)絡通信是一種隨機的離散事件，查詢方式可能對處理器資源造成嚴重浪費，加大通信延時。中斷方式相對靈活，延時固定，但在程序中引入了更多的上下文切換，在復雜度和可靠性上略有不足。本文提出一種中斷與查詢結合使用的方法，通過實踐，表明這套收發(fā)機制具有高效、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。
2、 收發(fā)機制
本文的目標是充分利用嵌入式系統(tǒng)的處理器和存儲器資源，保證網(wǎng)絡終端報文收發(fā)的實時性和吞吐量。本系統(tǒng)按圖1的基本架構實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，由三層功能模塊和兩級緩存構成一條接收通道和一條發(fā)送通道。上層是系統(tǒng)應用程序。底層負責物理鏈路上的數(shù)據(jù)收發(fā)。中層由協(xié)議棧和網(wǎng)絡接口適配器驅(qū)動負責上層和底層的數(shù)據(jù)交互。有兩級緩存，上層與中層之間的二級緩存用于網(wǎng)絡報文的封裝和解析；中層與底層之間的一級緩存分為接收緩存和發(fā)送緩存，采用環(huán)行結構，作用是解決終端與網(wǎng)絡之間異步問題。接收過程分為三個階段，主要工作在RX2階段；發(fā)送過程分為兩個階段，上層和中層屬于同一階段(TX2)。原因是發(fā)送過程是主動過程，由高層發(fā)起并控制低層完成，而接收過程中低層先得到數(shù)據(jù)，但只能等待而不能控制高層的響應。通常物理層、媒體訪問控制(MAC)和一級緩存可以使用網(wǎng)絡接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 實現(xiàn)，NIC能獨立完成物理鏈路上的報文收發(fā)。

2、1接收流程

本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡報文接收過程RX2階段如圖2。初始狀態(tài)下，打開接收中斷A和一級緩沖溢出中斷B。若物理層收到一幀或多幀數(shù)據(jù)，就存入一級接收緩存，并向處理器發(fā)出中斷請求。系統(tǒng)將會執(zhí)行相應中斷程序，檢查一級接收緩存是否溢出。如果溢出，就對其復位,并回到初始狀態(tài)。否則，關閉中斷A、B，向協(xié)議棧的接收任務發(fā)出一次接收通知。接收任務每次收到該通知，就從一級緩存取出一幀數(shù)據(jù)，保存到二級緩存，并按照網(wǎng)絡協(xié)議進行處理后轉(zhuǎn)交上層，之后，檢查一級緩存內(nèi)是否仍有新數(shù)據(jù)。如果沒有，就清除中斷A的有效狀態(tài)，然后重新打開中斷A、B。如果有，就直接進入下輪接收過程。如此，一次突發(fā)過程中如果網(wǎng)絡中有多幀數(shù)據(jù)到達終端，能夠直接由上層一一接收，而不需一次次中斷。
2、2發(fā)送流程
本系統(tǒng)報文發(fā)送過程TX2階段如圖3，實現(xiàn)方式與接收不同，無專門任務負責發(fā)送功能，而是由協(xié)議棧提供一套統(tǒng)一接口，上層應用程序借此發(fā)送數(shù)據(jù)。首先在二級緩存中形成網(wǎng)絡報文，然后檢查一級緩存中發(fā)送緩存，待其可用，將數(shù)據(jù)從二級緩存復制到一級緩存，啟動發(fā)送。之后，NIC通常能夠自動完成余下的物理層發(fā)送工作。此刻，系統(tǒng)主動查詢接收通道的工作狀態(tài)。如果發(fā)生中斷A或B，就觸發(fā)軟中斷。于是，構成一種多點隨機查詢機制。