基于OMAP平臺的TCP/IP開(kāi)發(fā)及實(shí)現

隨著(zhù)人們對智能化產(chǎn)品需求的增加，未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品，包括各種家電、通信、PDA、儀器儀表等設備正逐漸走向網(wǎng)絡(luò )化，以共享互聯(lián)網(wǎng)中龐大的信息資源，因此使嵌入式設備的網(wǎng)絡(luò )化開(kāi)發(fā)有廣闊市場(chǎng)前景，由于嵌入式硬件資源有限，而傳統的TCP/IP等網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)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(kāi)發(fā)一套適合嵌入式系統的、高度優(yōu)化的、最為精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧。

開(kāi)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(wú)線(xiàn)多媒體設備提供獨一無(wú)二的性能和功耗優(yōu)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(wǎng)絡(luò )設備等，OMAP擁有開(kāi)放式體系結構，其應用環(huán)境完全可編程。

軟件協(xié)議的設計與實(shí)現在很大深度上決定了通信終端的質(zhì)量，基于OMAP的3G移動(dòng)終端軟件協(xié)議結構由信令協(xié)議棧和應用業(yè)務(wù)協(xié)議棧組成，如圖1所示，TCP/IP協(xié)議棧位于應用業(yè)務(wù)協(xié)議棧的底層，為上層的H.323協(xié)議棧提供基礎與服務(wù)，其性能質(zhì)量將直接決定整個(gè)通信終端軟件系統的運行質(zhì)量。因此，針對嵌入式系統聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，為OMAP系統其設計一套高效、簡(jiǎn)潔的TCP/IP協(xié)議，對其應用具有十分重要的意義。

1 開(kāi)發(fā)方案

PC上有功能強大的VC平臺和網(wǎng)絡(luò )分析工具(如Sniffer)便于調試，其設計不針對任何一個(gè)嵌入式芯片，具有較好的通用性和可移植性，在PC機上實(shí)現的TCP/IP協(xié)議，除了以太網(wǎng)層要結合OMAP平臺的網(wǎng)卡硬件重寫(xiě)外，基本上可以直接移植到OMAP平臺上，不需要再做大的改動(dòng)，作為一個(gè)通信程序，必須需要兩端程序同時(shí)調試，在PC機上編好的程序能度OMAP平臺上程序的調試提供可靠的幫助，因此，協(xié)議開(kāi)發(fā)采用先模擬再移植、先整體再部分的設計思路，而協(xié)議各層實(shí)現的順序為自下而上。具體步驟是：

(1)在PC機上的Windows操作系統及VC6.0開(kāi)發(fā)平臺上，實(shí)現嵌入式系統TCP/IP協(xié)議族的模擬器，該模擬器應該能實(shí)現TCP/IP協(xié)議的基本功能，包括以太網(wǎng)驅動(dòng)程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且實(shí)現的ARP、IP、UDP、TCP層的程序應該通用于各嵌入式系統并可移植。

(2)將該模擬器移植到OMAP開(kāi)發(fā)平臺，用其以太網(wǎng)卡的驅動(dòng)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(shí)現基于OMAP的TCP/IP協(xié)議。

2 開(kāi)發(fā)平臺

OMAP的多媒體開(kāi)發(fā)平臺Innovator主要由4個(gè)模塊組成：PM(處理器模塊)、IM(接口模塊)、M(擴展模塊)、BOB(主連接板)。OMAP處理器在PM上，以太網(wǎng)卡在BOB上，可以通過(guò)Innovator上的OMAP1510芯片的ARM微處理器對單片以太網(wǎng)控制器LAN91C96的工作進(jìn)行控制，實(shí)現以太網(wǎng)幀的收發(fā)，并通過(guò)CCS對程序調試，圖2為OMAP平臺調試環(huán)境。

3 在PC上實(shí)現協(xié)議的基本模塊

3.1 主要模塊介紹

(1)主流程：首先對TCP/IP協(xié)議族的各層初始化，成功則進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)采用"中斷+循環(huán))"結構，簡(jiǎn)單且分層清晰，中斷作為應用層發(fā)出命令，調用下層的入口。對于接收到的以太網(wǎng)幀，則由下到上分別進(jìn)入各層進(jìn)行處理。協(xié)議實(shí)現主流程如圖3所示。

(2)PC上的以太網(wǎng)層：在內存中開(kāi)辟接收和發(fā)送兩個(gè)相同的循環(huán)緩沖區，用于存放接收和發(fā)送的以太網(wǎng)幀。 Winpcap軟件是基于Windows平臺的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )包工具，它提供一個(gè)系統內核級的動(dòng)態(tài)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(lián)系網(wǎng)卡驅動(dòng)與已定義的循環(huán)緩沖區，將緩沖區中的數據發(fā)出，并將網(wǎng)卡接收的數據存入緩沖區。

(3)ARP層，在內存中開(kāi)辟一塊循環(huán)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(shí)會(huì )自動(dòng)添加，也可以上層清空。處理ARP層函數的過(guò)程中：根據以太網(wǎng)首部協(xié)議字段過(guò)濾出ARP包，針對ARP請求與ARP應答進(jìn)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(wǎng)首部的幀類(lèi)型標注判斷接收到的是不是IP包來(lái)處理IP層函數，如果是：則調用IP包的接收函數，對給收到的IP包用各種條件進(jìn)行過(guò)濾，對于滿(mǎn)足條件的包獲取其長(cháng)度與指針信息供上層使用。本層另一個(gè)主要函數是IP包發(fā)送函數，由上層調用進(jìn)行IP封裝。

IP的檢驗和僅包括IP首部，長(cháng)度一般為20字節(如果沒(méi)有選項)。在接收端，丟棄檢驗和不為OxFFFF的包，在發(fā)送端，將計算所得值的反碼填入檢驗和字節，由于主機和網(wǎng)絡(luò )對數據中高低字節默認的順序不同，在讀寫(xiě)包中的16、32數據時(shí)，應該先進(jìn)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(xié)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(jìn)行過(guò)濾，提出UDP數據及各種有用信息，根據端口號提交給應用進(jìn)程處理，本層的另一個(gè)主要函數是UDP發(fā)送函數，實(shí)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(fā)送函數，較由IP層處理。

(6)TCP層：與UDP不同，TCP主機要進(jìn)行數據通信之前，必須與對方建立連。與幾個(gè)主機通信，就要建立幾個(gè)連接。然而，若要知道接收到的TCP包屬于哪個(gè)連接且使得幾個(gè)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(gè)結構體數組實(shí)現，存放所有關(guān)于連接的信息。