TCP/IP協(xié)議棧在嵌入式芯片上的實(shí)現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種在Atmega128芯片上嵌入TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法，整個(gè)協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，可以很方便的移植到不同芯片上。
關(guān)鍵詞：TCP/IP；嵌入式系統(tǒng)；8019AS；Atmega128

引言
對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，考慮到TCP/IP協(xié)議的復(fù)雜性以及嵌入式系統(tǒng)自身資源的有限，對(duì)TCP/IP的實(shí)現(xiàn)并不是一件容易的事情。在一些特殊場(chǎng)合，比如要求實(shí)時(shí)性或者數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議時(shí)還需要特別加以考慮。下面以ATMEL公司的mega128芯片為硬件平臺(tái)，具體談?wù)凾CP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

ATmega128芯片的特點(diǎn)
Atmega128是ATMEL公司推出的一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的8位微控制器芯片。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega128可以取得1MIPS/MHz的性能。此外，該芯片還具有比較豐富的片上資源。而最大可外擴(kuò)的64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以使得有充裕的空間來處理以太數(shù)據(jù)包。
本方案只外擴(kuò)32K RAM，剩余的高地址空間留給網(wǎng)卡芯片。網(wǎng)卡芯片主要功能是在物理層進(jìn)行以太數(shù)據(jù)包的收發(fā)，以及在鏈路層進(jìn)行信號(hào)的編/解碼。本方案網(wǎng)卡芯片選用RTL8019AS，它是針對(duì)PC機(jī)的ISA總線設(shè)計(jì)的。硬件接口電路圖詳見圖1所示。

硬件接口電路設(shè)計(jì)
在圖1中，數(shù)據(jù)線與地址線均采用總線方式：8位數(shù)據(jù)線和16位地址線。PA口8位端口為復(fù)用AD端口，需要接一個(gè)地址鎖存器。讀數(shù)據(jù)時(shí)，D[0：7]數(shù)據(jù)直接送到Atmega128；寫數(shù)據(jù)時(shí)，D[0：7]送到RTL8019AS。Atmega128與RTL8019AS同時(shí)復(fù)位，RESET端口經(jīng)74HC04反相后接RTL8019AS的RSTDRV引腳。IOCS16腳的電平一直為低。8019采用8位數(shù)據(jù)總線寬度(高電平時(shí)為16位總線方式)。INT0中斷腳經(jīng)電平轉(zhuǎn)換接到Atmega128的IRQ5。在程序中，以I/O方式訪問RTL8019AS。MEMR、MEMW接高電平時(shí)關(guān)閉其MEMORY方式。
Atmega128對(duì)8019AS的驅(qū)動(dòng)主要是通過操縱8019AS內(nèi)部寄存器來完成的，這些寄存器映射在Atmega128的I/O端口上。因此，對(duì)8019AS的操作也既是對(duì)Atmega128的I/O端口操作。設(shè)計(jì)時(shí)可以將這些I/O地址定位到300H~31FH。由于Atmega128外擴(kuò)了32K的RAM，所以這里存在片選的問題?？紤]到網(wǎng)卡芯片8019AS地址線的高15位是固定不變的，可以利用Atmega128的地址線的最高位A15來進(jìn)行片選：當(dāng)A15=1時(shí)，選中8019AS；當(dāng)A15=0時(shí)，選中24C256。
8019AS網(wǎng)絡(luò)接口控制器提供了三種與系統(tǒng)主CPU的接口方式：跳線方式、PnP方式，以及RT方式。為了減少硬件資源，更直接地控制芯片，將8019AS的65腳“JP”接高電平，選擇跳線方式。

軟件模塊的設(shè)計(jì)
網(wǎng)卡芯片8019AS的驅(qū)動(dòng)
在具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧之前，還要解決一個(gè)問題：對(duì)8019AS的驅(qū)動(dòng)。從程序員的角度看，8019AS工作流程并不復(fù)雜。簡而言之就是8019AS完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動(dòng)完成。因此，驅(qū)動(dòng)程序需要完成的任務(wù)主要是：芯片初始化、收包、發(fā)包。本方案在協(xié)議棧中通過設(shè)計(jì)三個(gè)子函數(shù)來分別完成上述三個(gè)任務(wù)，8019Init (void)、8019SendProc (unsigned char TaskNo)、8019 ReceiveProc(void)。
如前所述，對(duì)8019AS的操作實(shí)際上是通過操縱其內(nèi)部寄存器以及DMA端口來實(shí)現(xiàn)的。因此在程序?qū)崿F(xiàn)中，大量地出現(xiàn)了對(duì)8019AS內(nèi)部寄存器的讀寫操作。所以可以定義2個(gè)帶參數(shù)的宏來簡化對(duì)8019AS的操作。reg表示8019AS內(nèi)部寄存器的偏移量，date是將被寫入的數(shù)據(jù)，如下所示：
#define  nic_read (reg)       *(base + (reg) )
#define  nic_write (reg, date)  *(base + (reg)) = date
TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議族是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合。根據(jù)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，本方案安排四個(gè)協(xié)議模塊來分別實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的不同功能。即除了數(shù)據(jù)鏈路層(物理層)的程序模塊，也即前面所述8019AS的驅(qū)動(dòng)模塊之外，還包括ARP層模塊、IP層模塊、ICMP層模塊以及TCP層模塊。當(dāng)然，還可以多增加一個(gè)應(yīng)用層的模塊，例如HTTP模塊。下面逐一介紹各個(gè)協(xié)議模塊的功能。
ARP模塊
ARP模塊完成的主要功能是將一個(gè)IP地址與其物理地址關(guān)聯(lián)起來。同時(shí)，為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和效率，避免在每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都要發(fā)送ARP請(qǐng)求包來獲得目的MAC地址，還要維護(hù)一個(gè)常用的ARP高速緩存。這些功能可以由兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。ARPReceive Proc用于處理來自網(wǎng)絡(luò)的ARP請(qǐng)求和ARP響應(yīng)；ARPSendProc用于發(fā)送ARP請(qǐng)求包來尋找對(duì)應(yīng)于IP地址的物理地址。
IP模塊
IP協(xié)議的主要功能是使數(shù)據(jù)包可以分片發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)，而且也能正確接收。分別由兩個(gè)函數(shù)完成。IPReceiveProc負(fù)責(zé)處理收到的IP數(shù)據(jù)包，如果是一個(gè)分片的包，它還負(fù)責(zé)組裝，最后根據(jù)IP包頭字段的內(nèi)容，將IP數(shù)據(jù)傳遞到上層協(xié)議模塊；IPSendProc負(fù)責(zé)將上層送下來的、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包添加一個(gè)IP包頭，然后重新封裝起來發(fā)送下去。
ICMP模塊
由于IP協(xié)議沒有差錯(cuò)報(bào)告和差錯(cuò)糾正機(jī)制，ICMP協(xié)議與IP協(xié)議配合使用彌補(bǔ)了上述兩個(gè)缺點(diǎn)。為了使實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議棧具備一定的差錯(cuò)診斷功能，ICMP模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)回送請(qǐng)求消息產(chǎn)生一個(gè)回送應(yīng)答。通過調(diào)用Ping命令就可以簡單測(cè)試主機(jī)的可靠性。上述功能分別由ICMPReceiveProc和ICMPSendProc函數(shù)完成。
TCP模塊
在本設(shè)計(jì)的協(xié)議棧中，通過一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議，用一個(gè)任務(wù)控制塊(TCB)來記錄客戶和服務(wù)器的連接信息。雖然TCP協(xié)議是整個(gè)協(xié)議棧中最復(fù)雜的一個(gè)協(xié)議，但是對(duì)外面的接口還是只有兩個(gè)：TCPReceiveProc和TCPSendProc函數(shù)。
TCP/IP協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度
通過對(duì)以上各層協(xié)議任務(wù)的分析，可以抽象出它們共同的特點(diǎn)。TCP/IP協(xié)議的每個(gè)模塊只完成相應(yīng)協(xié)議的任務(wù)，而任務(wù)通常只有兩個(gè)：對(duì)底層送上來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，以及將上層傳下來的數(shù)據(jù)包再進(jìn)行本層的封裝，然后繼續(xù)交下去。所以無論ARP、IP、ICMP、TCP哪一個(gè)協(xié)議，它們每一層對(duì)外都只有兩個(gè)接口：收數(shù)據(jù)包、發(fā)數(shù)據(jù)包。
為了最大限度的模塊化程序設(shè)計(jì)，便于日后的移植，可以采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思路來具體實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議?？紤]到支持多用戶以及多任務(wù)，首先在Atmega128的外部32K RAM內(nèi)開辟若干個(gè)數(shù)據(jù)(任務(wù))緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小以能放入一個(gè)最大以太數(shù)據(jù)包為準(zhǔn)，即1514個(gè)字節(jié)。以后需要處理的所有數(shù)據(jù)包都放在這些緩沖區(qū)內(nèi)，各個(gè)緩沖區(qū)根據(jù)內(nèi)部存入的不同類型數(shù)據(jù)包來設(shè)置緩沖區(qū)的標(biāo)志。上面各協(xié)議層接口函數(shù)內(nèi)的參數(shù)TaskNo就表示當(dāng)前數(shù)據(jù)包所在的緩沖區(qū)號(hào)。
整個(gè)程序的處理流程如下：收數(shù)據(jù)時(shí)，8019AS不斷將以太數(shù)據(jù)包從物理層收上來放入事先開辟好的任一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，作為一個(gè)待處理的任務(wù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭信息標(biāo)志此任務(wù)為ARP收任務(wù)或IP收任務(wù)。主程序掃描各個(gè)緩沖區(qū)，如發(fā)現(xiàn)有IP收數(shù)據(jù)包(任務(wù))需要處理，于是根據(jù)任務(wù)的類型(IP收)調(diào)用相應(yīng)處理進(jìn)程IPReceiveProc()。處理完成后，將此數(shù)據(jù)包或任務(wù)根據(jù)包頭信息重新標(biāo)志為ICMP收或TCP收。主程序繼續(xù)掃描，再次調(diào)用相應(yīng)協(xié)議模塊處理緩沖區(qū)內(nèi)的任務(wù)如TCPReceiveProc()，直至將數(shù)據(jù)交到最上層的應(yīng)用程序。發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，流程與收數(shù)據(jù)過程相反。關(guān)于任務(wù)調(diào)度的程序流程見框圖2。
由于整個(gè)協(xié)議棧采用了模塊化的設(shè)計(jì)，在具體使用的時(shí)候可以根據(jù)需要，很容易地加載相應(yīng)的模塊，完成相應(yīng)的功能。比如可以按照同樣的結(jié)構(gòu)，再加載HTTP模塊，在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)WEB SERVER。同樣，在一些要求實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)包是作為一個(gè)任務(wù)來管理的，因此可以很容易地給這些數(shù)據(jù)包(或任務(wù))賦予一個(gè)較高的優(yōu)先級(jí)，在進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，優(yōu)先處理這些任務(wù)。這樣，在多用戶情況下，對(duì)實(shí)時(shí)性也可以有一定改善。

結(jié)語
實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備或者系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使之具備網(wǎng)絡(luò)功能，目前的解決方案通常有兩種。除了直接在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議之外，還可以考慮使用專用芯片來完成單片機(jī)與網(wǎng)關(guān)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。比如武漢力源公司開發(fā)的Webchip網(wǎng)絡(luò)接口芯片PS-2000。但是專用芯片的使用，不但增加了系統(tǒng)的成本，而且不靈活。當(dāng)然，如果在系統(tǒng)內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，也有自身的缺點(diǎn)。一是需要較大容量的程序存儲(chǔ)器。二是對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師也具有更高的要求，如必須熟悉TCP/IP協(xié)議及其相關(guān)的接口。且軟件設(shè)計(jì)的工作量也較大。所以在實(shí)際應(yīng)用中，具體選擇哪一種方案還需要根據(jù)具體情況做出不同的選擇?！?/p>

參考文獻(xiàn)
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