基于PPP的TMS320C6x嵌入式網(wǎng)絡(luò )接口設計

關(guān)鍵詞：PPP 嵌入式系統 網(wǎng)絡(luò ) TCP/IP TMS320C6x

　　隨著(zhù)嵌入式應用的普及，嵌入式系統的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題日益引人關(guān)注。在信息化進(jìn)程中，如何實(shí)現資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設備必須回答的問(wèn)題，嵌入式系統也不例外。

　　在傳統的工控領(lǐng)域，大量以單片機為代表的嵌入式設備，如儀器儀表、數據采集和顯示設備、過(guò)程控制設備等，面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。因為在工業(yè)化進(jìn)程中，信息化正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，而網(wǎng)絡(luò )則是信息共享的基礎。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，由于應用環(huán)境千差萬(wàn)別，如何實(shí)現設備聯(lián)網(wǎng)也見(jiàn)仁見(jiàn)智，方案之間差異很大。由于近幾年電子技術(shù)的發(fā)展，以TCP/IP為代表的通用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和標準在工業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)現場(chǎng)的應用日益增多，開(kāi)始逐漸被人們接受。但是，TCP/IP協(xié)議的真正優(yōu)勢在上層，它適合于大范圍的信息共享。如何將品種繁多的現場(chǎng)設備聯(lián)網(wǎng)并非TCP/IP所長(cháng)，為了解決這個(gè)難題，人們想到了PPP（Point to Point Protocol）。

　　在TCP/IP協(xié)議族中，PPP本來(lái)是用來(lái)實(shí)現遠程聯(lián)結的，其特點(diǎn)是適應多種傳輸介質(zhì)和可靠性高。在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)，這是兩個(gè)被非?？粗氐膬?yōu)點(diǎn)，所以采用PPP作為嵌入式系統的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注[1]。為了利用PPP的優(yōu)點(diǎn)，一些系統甚至在已經(jīng)具備以太網(wǎng)的環(huán)境中仍然采用PPP，這就是所謂的以太網(wǎng)承載PPP技術(shù)（PPPoE）[2]。

1 TMS320C6x網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)環(huán)境對PPP的支持

　　為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡(luò )化進(jìn)程，TI結合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。該開(kāi)發(fā)包采用緊湊的設計方法，實(shí)現了用較少的資源耗費支持TCP/IP。從實(shí)用效果看，NDK僅用200~250K程序空間和95K數據空間即可支持常規的TCP/IP服務(wù)，包括應用層的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統的硬件環(huán)境，是實(shí)現DSP上網(wǎng)的重要支撐工具。

　　與常規的TCP/IP應用環(huán)境不同，為了最大限度地減少資源消耗，TI為其N(xiāo)DK采用了許多特殊技巧，重要的有：

　?、?UDP socket和RAW socket不使用發(fā)送或接收緩沖區；

　?、?TCP socket使用發(fā)送緩沖區，接收緩沖區依配置文件而定；

　?、?低層驅動(dòng)程序與協(xié)議棧之間通過(guò)指針傳遞數據，不對包進(jìn)行復制拷貝；

　?、?設置專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)程清除存儲器中的碎片和檢查存儲器泄露。

　　要特別注意“低層驅動(dòng)程序與協(xié)議棧之間的通信”。因為在嵌入式系統中，低層驅動(dòng)程序和應用程序一樣均需要開(kāi)發(fā)者自行設計。也就是說(shuō)，在以NDK為基礎的開(kāi)發(fā)中，開(kāi)發(fā)人員需要分別設計低層驅動(dòng)程序和應用程序，這兩部分程序通過(guò)NDK提供的TCP/IP包發(fā)生關(guān)聯(lián)。程序的執行過(guò)程是：應用程序調用TCP/IP包，TCP/IP包再調用低層的驅動(dòng)程序。

　　在NDK中，對低層驅動(dòng)程序與TCP/IP包之間的接口作了明確規定。換言之，低層驅動(dòng)程序必須符合接口約定，其要點(diǎn)是：

　?、?由低層驅動(dòng)程序調用TCP/IP包函數創(chuàng )建PPP連接實(shí)例，在連接實(shí)例中，以回調函數的形式將用于處理數據發(fā)送的函數名傳遞給TCP/IP包；

　?、?當TCP/IP包有數據需要發(fā)送時(shí)，直接調用PPP創(chuàng )建時(shí)由低層驅動(dòng)程序傳遞來(lái)的函數名；

　?、?當低層驅動(dòng)程序接收到網(wǎng)絡(luò )數據時(shí)，調用TCP/IP包函數發(fā)送到IP層。

低層驅動(dòng)程序直接面向硬件，為了適應硬件的多樣性，在NDK中也提供了多種實(shí)現PPP的方法。

2 PPP低層驅動(dòng)程序的任務(wù)和實(shí)現方案

　　PPP低層驅動(dòng)程序在硬件和TCP/IP包之間傳遞PPP幀；但是，面向硬件和TCP/IP包的PPP幀是不同的。面向硬件的PPP幀由六個(gè)字段組成：

　?、?Flag標志（7E），1字節；

　?、?Address地址（FF），1字節；

　?、?Control控制（03），1字節；

　?、?Protocol協(xié)議，2字節；

　?、?Payload凈荷，小于1500字節；

　?、?CRC檢查和，2字節。

　　而面向TCP/IP包的PPP幀則只有④和⑤兩個(gè)字段。所以，PPP低層驅動(dòng)程序的任務(wù)可以歸納為：在硬件和TCP/IP包之間提供數據通道，在物理上實(shí)現鏈路層上的信息發(fā)送與接收，在邏輯上對PPP幀進(jìn)行處理和加工。

　　在NDK中，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議棧提供了三套實(shí)現PPP的函數。即低層 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低層PPP API 只能從內核層調用，用戶(hù)應該非常熟悉內核的操作，如llEnter()/ llExit() 函數對等，對軟件開(kāi)發(fā)的限制較大，但應用范圍寬廣。HDLC API 可在用戶(hù)程序中調用，由TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現，配合HAL層的串行驅動(dòng)程序llSerial，提供在常規串口上的PPP能力，應用范圍有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太網(wǎng)的PPP接口，對硬件端的要求更加嚴格。

　　為了使開(kāi)發(fā)的PPP低層驅動(dòng)程序具有較寬的適應能力，我們選擇低層 PPP API作為開(kāi)發(fā)的基礎。低層 PPP API的函數包括：

　　pppNew() 創(chuàng )建一個(gè)PPP會(huì )話(huà)連接；

　　pppFree() 釋放一個(gè)PPP會(huì )話(huà)連接；

　　pppTimer() 1s的定時(shí)器函數；

　　pppInput() 發(fā)送已接收到的PPP 輸入緩沖區。

　　在低層 PPP API中最重要的是創(chuàng )建函數。通過(guò)對pppNew()的深入研究，我們可以把握住PPP低層驅動(dòng)程序設計的關(guān)鍵之處。pppNew()的接口為：

HANDLE pppNew(HANDLE hSI ， uint pppFlags ，uint mru ， IPN IPServer ， IPN IPMask ， IPN IPClient, char *Username, char *Password, UINT32 cmap, void (*pfnSICtrl)(HANDLE， uint ， UINT32, HANDLE ));

　　pppNew包含有許多參數，重要的有：hSI 供回調函數使用的句柄、pppFlags 連接選項標志、mru 最大接收單元數以及網(wǎng)絡(luò )地址和子網(wǎng)掩碼、用戶(hù)名稱(chēng)和口令等。其中，最重要的參數是回調函數的指針：pfnSICtrl 。當TCP/IP包需要通過(guò)PPP發(fā)送數據時(shí)，將使用該指針提供的函數。

　　回調函數由PPP低層驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)人員負責編寫(xiě)，但它的接口是由pppNew的參數決定的?；卣{函數的接口界面為：

　　void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)

　　參數的含義為：hSI與特定PPP連接會(huì )話(huà)（由pppNew創(chuàng )建）相聯(lián)系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代碼，Data關(guān)于消息代碼的附加信息。hPkt是最重要的，當消息代碼為SI_MSG_ SENDPACKET時(shí)，表示發(fā)送數據包的句柄。

　　PPP 通常在三類(lèi)情況下調用該回調函數，即：

　?、?SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的連接狀態(tài)已經(jīng)改變；

　?、?SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在請求一將數據幀編碼和傳輸；

　?、?SI_MSG_PEERCMAP LCP 已經(jīng)收到對等的 32 位異步字符映射。

3 編程舉例

　　下面給出兩段代碼，說(shuō)明在PPP低層驅動(dòng)程序中如何接收和發(fā)送數據。

　　接收數據通過(guò)pppInput函數實(shí)現，核心代碼如下：

HANDLE hPkt;

HANDLE hFrag;

uint Offset,ValidSize;

UINT8 *pb;

// 生成1500字節payload包

if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );

hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存儲器碎片

pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包頭指針

Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );

if( Offset = 2 ) Offset = 0;

else Offset-=2;

pb += Offset; // 置pb指針到寫(xiě)數據開(kāi)始處

// 利用指針“pb”向數據包中填充數據；hFrag是向PPP傳

//遞的句柄

FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );

return( hPkt );

　　發(fā)送數據的情況要復雜一些，需要使用回調函數?；卣{函數的結構如下：

void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )

{…switch( Msg )

{

case SI_MSG_CALLSTATUS:

if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )

{ // Close PPP

if( hSI→hPPP )

{

hTmp = hSI→hPPP;

hSI→hPPP = 0;

pppFree( hTmp );

}

break;

case SI_MSG_PEERCMAP:

break;

case SI_MSG_SENDPACKET:

// 確認數據包有效

// 取數據緩沖區參數

// 計算“凈荷”（payload）的起始地址

// 發(fā)送數據

// 釋放數據包

break;

}

}

結 語(yǔ)

　　自1994年P(guān)RECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP開(kāi)發(fā)包以來(lái)，如何在以DSP為硬件環(huán)境的嵌入式系統中支持TCP/IP就一直引人關(guān)注。隨著(zhù)硬件水平的提高和應用的深入，基于DSP的TCP/IP應用日漸增多。由于嵌入式系統的特殊應用環(huán)境，它的鏈路層情況非常復雜,所以開(kāi)發(fā)方法與常規的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)方式有稍許不同，NDK自身已體現出了這種差異。目前，將PPP應用在嵌入式系統中仍是一種新的、積極的嘗試。在NDK中，提供了多種方式支持PPP通信。我們認為，在操作系統層面開(kāi)發(fā)基于PPP的應用時(shí)，應該采用低層 PPP API，這樣可以適應更多的應用需求和嵌入式應用環(huán)境。