嵌入式TCP／IP的優(yōu)化設計與硬件實現(xiàn)

　    隨著計算機網絡技術和電子信息技術的迅猛發(fā)展，Internet的使用越來越普及，信息家電和智能儀表等能夠接入Iriternet的非PC設備越來越多，將各類電子設備接入Internet的需求也越來越大。

   

　    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過裁剪的TCP／IP協(xié)議棧；使用一些ASIC實現(xiàn)TCP／IP的芯片，如Analog Devices推出的Internet Modem；也可使用嵌入式操作系統(tǒng)自帶的TCP／IP協(xié)議棧。在某些對網絡速度要求不高的領域，可用單片機實現(xiàn)TCP／IP；在對性能要求高的場合，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(tǒng)的硬件結構。其中CS8900A是Cirrus Logic的網絡控制器，芯片內部已設置幀過濾器自動拋棄無效幀，減輕CPU負荷，提高CPU對網絡的訪問效率。CS8900A工作機制主要是通過設置好其內部各寄存器的值，然后就可以自動開始工作。在網絡接口部分，由于是RJ45接口，所以須使用E2023傳輸線變壓器對網絡中的信號進行轉換。

   　 通常TCP／IP協(xié)議棧需要大量的RAM來存儲需要被應答的TCP包。如果在規(guī)定時間內未被應答，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(shù)據(jù)包需要重新發(fā)送時，如果能夠重新產生數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)，則可不存儲需要被應答的TCP包。

   

　    因為網絡中數(shù)據(jù)非常多，如果把所有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)邊判斷而沒有一開始就把整個幀全部讀到內存中。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(jié)尋址。這樣的設計是基于提高訪問速度考慮的。

   

　    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字節(jié)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語言或混合匯編。使用可重入函數(shù)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(shù)指針時，需要手動重建調用樹(calltree)，或將函數(shù)指針調用的函數(shù)設置為可重入函數(shù)。

 

　　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層和網絡設備接口層。圖3描述了輸入和輸出數(shù)據(jù)包的流程以及需要調用的函數(shù)。

 

    　輸出時，TCP層先查看unsend隊列，發(fā)現(xiàn)非空，將數(shù)據(jù)包插入隊列；發(fā)現(xiàn)為空，則查看對方窗口是否夠大(能夠接收這個數(shù)據(jù)包)。然后，填寫TCP頭部信息。IP層選擇網絡設備接口，目的IP和該接口的子網掩碼相“與”是否等于子網掩碼，然后調用這個接口的Output函數(shù)來發(fā)送。

   

　　輸入時，Timer()函數(shù)調用每個接口的Input函數(shù)。IP層判斷IP版本、IP校驗和，以及是否應轉發(fā)數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)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(xiàn)有的套接字中查找，判斷是否有套接字可接收這個數(shù)據(jù)包，判斷TCP序號是否為希望的，然后更新這個連接的狀態(tài)(包括釋放被應答的數(shù)據(jù)包和TCP狀態(tài)機的轉化等)，調用該套接字的回調函數(shù)recv。

 

　　2.2 嵌入式TCP／IP的程序結構
   

　　Tliner函數(shù)功能是調用TCPTimer處理TCP數(shù)據(jù)包的重發(fā)等功能，調用每個接口的Input函數(shù)接收到達的數(shù)據(jù)包。Timer函數(shù)必須在短時間(一般為20ms)內被調用一次，否則接收數(shù)據(jù)包和TCP定時等功能將停止。

    　如圖4所示，程序主流程是一個大循環(huán)，在循環(huán)中處理發(fā)送數(shù)據(jù)包等應用層協(xié)議的同時，查詢變量bTimeOut，在定時中斷中將bTimerOut設置為真。應用層在程序流程中反復查詢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(tǒng)時，還要注意網絡設備驅動函數(shù)被重入的問題。以NE2K的以太網卡為例，拷貝數(shù)據(jù)包到網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)送過程中主要的運算量集中在3部分：應用程序將數(shù)據(jù)拷貝到RAM；計算TCP校驗和；將RAM中的數(shù)據(jù)包拷貝到網絡設備的發(fā)送緩沖區(qū)。對于每個字節(jié)數(shù)據(jù)，兩次拷貝大致共使用12 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

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