隨著人們對智能化產品需求的增加，未來的嵌入式產品，包括各種家電、通信、PDA、儀器儀表等設備正逐漸走向網絡化，以共享互聯網中龐大的信息資源，因而使嵌入式設備的網絡化開發有廣闊的市場前景。由于嵌入式硬件資源有限，而傳統的TCP/IP等網絡通信協議對計算機存儲器、運算速度的要求較高，所以不能直接應用。為此，必須開發一套適合嵌入式系統的、高度優化的、最為精簡的TCP/IP協議棧。
開放式多媒體應用平臺OMAP(Open Multimedia Application Platform)是美國德州儀器公司推出的高度集成的軟硬件平臺。OMAP具有獨特的雙芯結構，結合了DSP與RISC內核，可為無線多媒體設備提供獨一無二的性能和功耗優勢。OMAP可連接十分豐富的外圍設備，包括USB、攝像頭、聲音設備、視頻設備、網絡設備等。OMAP擁有開放式體系結構，其應用環境完全可編程。
軟件協議的設計與實現在很大程度上決定了通信終端的質量。基于OMAP的3G移動終端軟件協議結構由信令協議棧和應用業務協議棧組成，如圖1所示。TCP/IP協議棧位于應用業務協議棧的底層，為上層的H.323協議棧提供基礎與服務。其性能質量將直接決定整個通信終端軟件系統的運行質量。因此，針對嵌入式系統聯網的發展方向，為OMAP系統其設計一套高效、簡潔的TCP/IP協議，對其應用具有十分重要的意義。
1 開發方案
PC上有功能強大的VC平臺和網絡分析工具(如Sniffer)便于調試，其設計不針對任何一個嵌入式芯片，具有較好的通用性和可移植性。在PC機上實現的TCP/IP協議，除了以太網層要結合OMAP平臺的網卡硬件重寫外，基本上可以直接移植到OMAP平臺上，不需要再做大的改動。作為一個通信程序，必然需要兩端程序同時調試，在PC機上編好的程序能對OMAP平臺上程序的調試提供可靠的幫助。因此，協議開發采用先模擬再移植、先整體再部分的設計思路，而協議各層實現的順序為自下而上。具體步驟是：
(1)在PC機的Windows操作系統及VC 6.0開發平臺上，實現嵌入式系統TCP/IP協議族的模擬器。該模擬器應該能實現TCP/IP協議的基本功能，包括以太網驅動程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且實現的ARP、IP、UDP、TCP層的程序應該通用于各種嵌入式系統并可移植。
(2)將該模擬器移植到OMAP開發平臺，用其以太網卡的驅動程序替換原模擬器的鏈路層程序。在TI提供的CCS平臺上最終實現基于OMAP的TCP/IP協議。
2 開發平臺
OMAP的多媒體開發平臺Innovator主要由4個模塊組成：PM(處理器模塊)、IM(接口模塊)、EM(擴展模塊)、BOB(主連接板)。OMAP處理器在PM上，以太網卡在BOB上。可以通過Innovator上的OMAP1510芯片的ARM微處理器對單片以太網控制器LAN91C96的工作進行控制，實現以太網幀的收發，并通過CCS對程序調試。圖2為OMAP平臺調試環境。
3 在PC上實現協議的基本模塊
3.1 主要模塊介紹
(1)主流程：首先對TCP/IP協議族的各層初始化，成功則進入主循環。主循環采用“中斷＋循環”結構，簡單且分層清晰。中斷作為應用層發出命令，調用下層的入口。對于接收到的以太網幀，則由下到上分別進入各層進行處理。協議實現主流程如圖3所示。
(2)PC上的以太網層：在內存中開辟接收和發送兩個相同的循環緩沖區，用于存放接收和發送的以太網幀。WinPcap軟件是基于Windows平臺的一個網絡包工具，它提供一個系統內核級的動態鏈接庫Packet.dll作為標準的API，具有獨立于操作系統的編程接口。利用其提供的API可直接聯系網卡驅動與已定義的循環緩沖區，將緩沖區中的數據發出，并將網卡接收的數據存入緩沖區。
(3)ARP層：在內存中開辟一塊循環存儲區域用于存放已知的IP-MAC對應表。該表可以由上層添加，在接收到ARP應答時會自動添加，也可以由上層清空。處理ARP層函數的過程為：根據以太網首部協議字段過濾出ARP包，針對ARP請求與ARP應答進行不同的處理。應答對方的請求，記錄對方的應答。
(4)IP層：根據以太網首部的幀類型標志判斷接收到的是不是IP包來處理IP層函數。如果是，則調用IP包的接收函數，對收到的IP包用各種條件進行過濾，對于滿足條件的包獲取其長度與指針信息供上層使用。本層另一個主要函數是IP包發送函數，由上層調用進行IP封裝。
IP的檢驗和僅包括IP首部，長度一般為20字節(如果沒有選項)。在接收端，丟棄檢驗和不為0xFFFF的包；在發送端，將計算所得值的反碼填入檢驗和字節。由于主機和網絡對數據中高低字節默認的順序不同，在讀寫包中的16位、32位數據時，應該先進行高低字節的交換。
(5)UDP層：處理UDP層函數應根據IP首部的協議字段判斷是否UDP包。如果是，則調用UDP包接收函數，用各種條件對其進行過濾，提出UDP數據及各種有用信息，根據端口號提交給應用進程處理。本層的另一個主要函數是UDP發送函數，實現封裝UDP包(包括載入UDP數據，計算并填入UDP首部信息)，最后調用IP發送函數，交由IP層處理。
(6)TCP層：與UDP不同，TCP主機要進行數據通信之前，必須與對方建立連接。與幾個主機通信，就要建立幾個連接。然而，若要知道接收到的TCP包屬于哪個連接且使得幾個不同的連接之間獨立工作、互不干擾，則需要定義TCP的控制模塊。這里用一個結構體數組實現，存放所有關于連接的信息。
處理TCP層函數，判斷接收包的類型，如果是TCP包，則調用TCP接收函數。TCP接收函數用指定條件進行過濾，找到該包所屬的連接或完成一個新連接的被動打開，根據TCP的狀態轉換規則完成11種狀態的轉移，并且實現了多路數據同時、雙向的傳輸。
TCP的發送函數包括主動打開、主動關閉(由上層調用完成新連接的主動打開，或主動關閉一個已建立的連接)和發送控制包(用于TCP連接的建立與終止，會在TCP接收函數中調用，從而實現TCP狀態的轉換)三個函數。
TCP層還實現了兩個定時器。TCP重傳定時器函數可提供服務可靠性的有效保障；TCP保活定時器能夠避免資源的浪費。
3.2 程序特點分析
(1)簡單性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP內核實現大約有15000行，而本程序源代碼約有1400行，更適合嵌入式系統的應用。
(2)可重用性：本程序分層清晰。對于不同的嵌入式系統，可能使用的CPU和以太網卡不同，這就需要針對其特點的以太網層設計，而ARP、IP、UDP、TCP則不需要改動。
(3)可拓展性：TCP/IP協議是底層網絡協議，本程序留有很好的接口，可在其上構建更高層的網絡協議，包括H.323協議、ftp、telnet。
4 在OMAP平臺上的移植
4.1 單片以太網控制器LAN91C96
LAN91C96是SMSC公司生產的專門用于嵌入式產品的10Mbps以太網控制器，具有性能優良、功耗低及尺寸小的特點。如圖4所示。
6KB的RAM：用來存放數據包。
MMU：對RAM進行有效管理，為接收和發送包在RAM中分配存儲空間。
ARBITE：使MMU和RAM與CPU、CSMA很好地連接。
CSMA/CD模塊：集成了IEEE 802.3 MAC層協議，負責監聽網絡情況和地址過濾。若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數據包，否則拋棄。
ENDEC：負責曼徹斯特(Manchester)編解碼。
收發器：負責與10Mbps以太網物理媒體的連接。
LAN91C96采用地址映射方式，通過訪問Innovator的指定地址對其寄存器訪問。LAN91C96的寄存器在Innovator內存中的地址分配為：0x08000300～0x0800030F。寄存器共有4組(BANK0～BANK3)，使用相同的地址，通過BANK_SELECT寄存器選擇。
4.2 移植過程
先實現該網卡芯片的驅動程序，再用它替換PC模擬器的以太網層。程序驅動主要包含以下三個部分：
(1)初始化：主要為Lan91C96的各寄存器填入正確的初始值使其正常工作。
(2)接收：如圖5所示，由CSMA(載波偵聽模塊)接收到符合地址要求的包后，MMU(存儲器管理單元)為其請求在RAM中分配存儲空間并分配一個編號，DMA將其存入RAM。接著在接收數據的前面封裝STATUS和COUNT字節信息，如果CRC檢測正確，則將其編號放入接收FIFO；如果接收FIFO不為空，則RCV_INT(接收中斷標識)被設置。檢查接收中斷寄存器狀態，如果有接收中斷，對應其編號，上層協議便可以取出數據了。取出后，將該數據編號從FIFO中清除。
狀態字可以從RCR寄存器中讀取，它反映了接收過程出現的各種錯誤，如CRC錯誤、接收幀過長等。數據包的編號從FIFO_PORTS寄存器中獲得，而數據指針可從POINTER寄存器中獲得，數據信息從DATA寄存器中得到，根據這些信息將接收數據包復制到CPU內存，供上層使用。接收函數的主要流程如圖6。
(3)發送：圖7描述了發送數據包在FIFO中的排隊過程。首先MMU在RAM中分配一定字節的存儲空間；然后，將分配結果寄存器中的編號放入PNR寄存器，寫數據指針寄存器POINTER并將上層數據封裝后拷入DATA寄存器，根據其編號放入發送FIFO，排隊的包將自動發出；發出包的編號接著進入發送完成FIFO。如果發送成功，則存儲空間自動釋放；否則釋放存儲空間并將其重新排隊。
5 實驗結果
5.1 內存資源占用量
運行該TCP/IP協議棧需要3MB內存，而Innovator 提供32MB SDRAM和32MB Flash，內存占用率為：3M/64M＝4.7%，完全適用于嵌入式系統。
5.2 數據傳輸可靠性
TCP利用以下機制糾錯。數據傳輸過程中的誤碼：檢驗和機制與重傳機制；數據包的重復：在接收端會自動舍棄已經接收過的數據包，并且不發ACK，故不會發生一個數據包接收多次的情況；數據包的丟失：接收端在接收完一段數據后，會計算下一個預期數據的序號，如果不符合就不發ACK，從而導致發端重發，避免了數據包的丟失。經測試，在未發生擁塞情況下，傳輸的誤碼率幾乎為0。
5.3 文件最大平均傳輸速率
下面就本程序所實現的利用TCP進行文件傳輸功能，給出在不同情況下的最大傳輸速率。實驗環境為10Mbps以太網。
理想狀態下的理論最大吞吐量：假定發送方傳輸兩個背對背、滿長度的TCP數據，接收方為其發出兩個ACK，每包中用戶數據量為1460位，總數據量為1538位，故最大的用戶數據吞吐量為：
本實驗測得文件的平均傳輸速率隨著TCP連接數的增多有如圖8所示的曲線變化。前半段隨著連接數的增加成線性增長，后半段由于出現了網絡擁塞，整體的平均速率反而有所下降。
實驗結果與理論最大吞吐量有所差距，原因在于：
(1)理論值只是一種理想的狀態，現實中難以達到。其值是瞬時最大值，平均值肯定要小，而本實驗所測數據為平均值。
(2)受CPU處理速度及文件傳輸過程的讀、寫文件操作的限制。
(3)本程序采用的數據傳輸機制是當收到上一個包的ACK之后再發送下一個數據包，這樣避免了對接收數據的排序，提高了可靠性，但數據的傳輸速度會受到制約。
參考文獻
[1]Texas Instruments Corp.OMAP5910 Dual Core Processor Technical Reference Manual SPRU602.2002
[2]Texas Instruments Corp.Innovator Development Kit for the OMAP Platform User′s Guide.2003
[3]J Postel.Internet Protocol RFC791.www.faqs.org/rfcs，1981
[4]J Postel.User Datagram Protocol RFC768.http：//www.faqs.org/rfcs，1980
[5]J Postel.Transmission Control Protocol RFC793.http：//www.faqs.org/rfcs，1981
[6]SMSC Corp.LAN91C96 Non－PCI Single－Chip Full Duplex Ethernet Controller Data Sheet.http：//www.smsc.com，2004
作者：張陽 唐昆 來源：電子技術應用