基于TMS320DM642的嵌入式TCP／I P協(xié)議棧的實(shí)現

1 TCP／IP協(xié)議棧分析

嵌入式TCP／IP協(xié)議棧具有TCP／IP協(xié)議棧的基本功能，它運行于以太網(wǎng)環(huán)境下，其軟件模型如圖1所示。

最底層是物理層，定義了以太網(wǎng)控制器的工作方式，實(shí)現以太網(wǎng)幀的封裝、發(fā)送和接收。本系統使用Intel公司的以太網(wǎng)收發(fā)器LXT97lA。

第二層是網(wǎng)絡(luò )層，完成IP數據報的封裝和轉發(fā)，并根據幀的類(lèi)型(ICMP、TCP或UDP等)進(jìn)行相應處理。IP協(xié)議提供了一種高效、不可靠和無(wú)連接的傳輸方式。本系統不支持對IP包的分片和重組。地址解析協(xié)議ARP實(shí)現IP地址到MAC地址的動(dòng)態(tài)轉換。ICMP協(xié)議定義了一套差錯報文和控制報文，在該系統用于測試網(wǎng)絡(luò )的連通情況。

第三層是傳輸層，完成數據報的傳輸控制。該層主要包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。TCP提供可靠的數據傳輸，而UDP提供不可靠的數據傳輸。與UDP相比，TCP的可靠性是通過(guò)非常復雜的措施以及由此增加的開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)獲得的。監控終端傳輸的數據大部分是圖像編碼數據，這些數據對實(shí)時(shí)性和傳輸率的要求高，而對數據可靠性的要求相對較低，因此本系統將UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。

最上層是應用層，解決用戶(hù)特定的應用，主要包括HTTP、FTP、Telnet、SMTP、SNMP、DNS等Internet協(xié)議。在該層主要實(shí)現視頻編碼數據的傳輸。

2 硬件設計

2．1 系統結構

硬件系統結構如圖2所示。

DM642從以太網(wǎng)物理層設備PHY接收MAC幀，實(shí)現TCP／IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層的相關(guān)協(xié)議。以太網(wǎng)物理層設備完成以太網(wǎng)幀的發(fā)送和接收，包括MAC數據幀的收發(fā)、CRC(循環(huán)冗余檢測)編碼／校驗、曼徹斯特編解碼、載波監聽(tīng)、錯誤和沖突檢測等。以太網(wǎng)PHY通過(guò)隔離變壓器和RJ45接口連接至以太網(wǎng)。EEPROM用來(lái)存放本地MAC地址。

2．2 DSP以太網(wǎng)接口設計

DM642是TI公司推出的一款面向數字多媒體應用的DSP，因集成了以太網(wǎng)MAC接口，所以需要一個(gè)物理層網(wǎng)絡(luò )處理芯片。本文采用了Intel公司的LXT971A芯片。DM642的MII接口不支持TXER，它通過(guò)CRC包指出網(wǎng)絡(luò )包錯誤，因此將LXT97lA的TXER引腳直接接低電平置為無(wú)效。

DM642與LXT971A的連接如圖3所示。

3 軟件設計

3．1 TCP／IP協(xié)議棧在DSP上的實(shí)現

根據TCP／IP協(xié)議棧的軟件模型，將LwlP(TCP／IP)協(xié)議棧移植到DSP上。LwIP是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌人式系統的開(kāi)放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。它既可以移植到操作系統上，又可以在無(wú)操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP／IP實(shí)現的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM便可以運行。因此LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

使用該協(xié)議棧前，需要針對系統采用的底層網(wǎng)絡(luò )硬件和操作系統作相關(guān)移植工作，并需對協(xié)議棧裁剪和優(yōu)化，以適應嵌入式系統的特定網(wǎng)絡(luò )應用需求。LwIP移植關(guān)鍵是底層硬件驅動(dòng)函數和封裝協(xié)議棧使用到的系統函數的編寫(xiě)，為DSP／BIOS提供API接口。協(xié)議棧軟件結構如圖4所示。

虛線(xiàn)框內是移植的LwIP協(xié)議棧，實(shí)現應用程序、操作系統及物理層設備驅動(dòng)的API。在LwIP原有協(xié)議的基礎上，實(shí)現底層網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)和硬件驅動(dòng)API，將網(wǎng)絡(luò )上層協(xié)議與通信鏈路的物理接口隔離。同時(shí)封裝協(xié)議棧中用到的事件管理、任務(wù)管理、時(shí)間管理等系統函數實(shí)現系統API功能。通過(guò)DSP／BIOS可以實(shí)現任務(wù)線(xiàn)程操作、存儲器分配、包緩沖管理、定時(shí)器管理等。

網(wǎng)絡(luò )控制模塊是協(xié)議?？刂频暮诵?，控制TCP／IP協(xié)議棧與外界的交互，完成TCP／IP協(xié)議棧和底層設備驅動(dòng)的初始化；并調用用戶(hù)配置函數獲取系統配置，為底層設備驅動(dòng)提供接口，調度驅動(dòng)事件進(jìn)入TCP／IP棧；在退出時(shí)卸載系統配置并清除驅動(dòng)。

3．2 協(xié)議棧接口設計

TCP／IP協(xié)議接口包括與實(shí)時(shí)操作系統的交互、驅動(dòng)程序接口、進(jìn)程間通信、存儲管理、緩沖區管理、定時(shí)器和事件管理、配置與控制等。

3．2．1 操作系統接口

DSP／BIOS是為需要實(shí)時(shí)調度和同步以及主機／目標系統通信和實(shí)時(shí)檢測的應用而設計的實(shí)時(shí)操作系統。在協(xié)議棧中，通過(guò)設計操作系統。API，為DSP／BIOS提供接口函數，完成操作系統的配置，提供任務(wù)、信號燈、存儲器分配、緩沖區管理等支持。

在協(xié)議棧內部定義了一個(gè)配置結構用于操作系統的配置，通過(guò)它對協(xié)議棧的優(yōu)先級及大小進(jìn)行配置。

與一般的桌面系統不同，嵌入式實(shí)時(shí)系統需要用戶(hù)根據需要分配存儲區。在該系統中，將協(xié)議棧代碼存儲在外部Flash，包緩沖區分配在外部SDRAM。

TCP／IP棧和設備驅動(dòng)使用包緩沖區發(fā)送及接收網(wǎng)絡(luò )包數據。標準的以太網(wǎng)缺省幀為1518字節(包括幀頭和循環(huán)冗余校驗)。系統采用一個(gè)由32個(gè)緩沖區構成的緩沖池，每個(gè)緩沖區的大小為1664字節。這樣分配可以對齊Cache邊界，保證沖洗(flush)Cache時(shí)，不會(huì )與其他緩沖區發(fā)生沖突。

3．2．2 驅動(dòng)程序接口

驅動(dòng)程序完成LXT971A芯片和定時(shí)器的初始化及各種參數設置，并提供發(fā)送、接收數據的接口。其軟件操作流程有查詢(xún)模式和中斷模式。為提高響應速度采用中斷模式，同時(shí)盡量把大部分操作放在主流程中執行，以縮減中斷處理程序的操作。

3．2．3 事件管理

協(xié)議棧的事件調度管理在網(wǎng)絡(luò )控制模塊中實(shí)現，用于定時(shí)器到時(shí)、緩沖區入隊列、接收數據包等管理。在協(xié)議棧完成設備初始化后調用調度程序。

該模塊定義了一種內核模式的操作方式，該模式處于最高優(yōu)先級。當網(wǎng)絡(luò )事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)入內核模式運行。通過(guò)調用系統函數llEnter()和llExit()進(jìn)入或退出內核模式。事件調度的基本流程如下：

Static void NetScheduler()

{

SetSchedulingPriority()； //設定調度程序的優(yōu)先級

while(!NetHaltFlag)

{

WaitForEvents()； ／／中斷模式下，等待事件中斷

ServiceDeviceDrivers（）；//設備驅動(dòng)服務(wù)，獲取事件

//在內核模式下處理事件

If（StackEvents）

{

llEnter（）；//進(jìn)入內核模式

ServiceStackEvents（）；// 處理事件

llExit（）；// 退出內核模式

}

}

}

3.3 網(wǎng)絡(luò )控制初始化流程

由于TCP/IP棧需要操作系統完成其初始化，因此必須硬件診斷完成且DSP/BIOS初始化完成之后對網(wǎng)絡(luò )控制進(jìn)行初始化。

在調用TCP/IP協(xié)議相關(guān)函數前，先初始化操作系統環(huán)境，再創(chuàng )建一個(gè)新的配置，或從只讀存儲器中導出一個(gè)已存在的配置，然后把配置句柄及回調函數start、stop和IP地址變換操作傳遞給協(xié)議棧。直到網(wǎng)絡(luò )關(guān)閉時(shí)，應用程序關(guān)閉在start中調用的操作并釋放分配的資源，退出網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò )控制初始化流程如圖5所示。

本文在DM642芯片上實(shí)現了一個(gè)高度精簡(jiǎn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，論述了協(xié)議棧的硬件接口設計和軟件實(shí)現?？梢苑奖愕卦贒SP上實(shí)現網(wǎng)絡(luò )視頻的傳輸，本協(xié)議棧目前已成功應用于高速公路的數字視頻監控系統中，運行狀況良好，該協(xié)議棧的實(shí)現對數字視頻廣播系統、視頻點(diǎn)播系統等實(shí)時(shí)多媒體處理的應用也有借鑒作用。