基于ARM的嵌入式TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

摘 要：分析嵌入式TCP／IP協(xié)議的選取原則，采用ARM芯片和網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，介紹ARM芯片對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片的控制過(guò)程和TCP／IP協(xié)議棧處理數(shù)據(jù)包的流程，完成嵌入式TCP／IP系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。其是一套基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)平臺(tái)，即在μC／OS—II的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)ARM微處理器的TCP／IP協(xié)議，在此平臺(tái)之上，可以方便地進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)a
關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式系統(tǒng)；TCP／IP；以太網(wǎng)

0 引 言
    以太網(wǎng)具有通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟、帶寬迅速增加等特性，工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)嵌入式技術(shù)，尤其是ARM技術(shù)的發(fā)展和DSP在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，利用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信已經(jīng)不難見(jiàn)到。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)后將使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)變得越來(lái)越容易。從根本上講，嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前基本采用基于TCP／IP的通信協(xié)議。該方案以LPC2210為核心元件研究基于ARM的嵌入式TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)的硬件電路，同時(shí)在μC／OS一Ⅱ平臺(tái)上編寫應(yīng)用軟件程序。下面對(duì)系統(tǒng)做詳實(shí)的闡述，并重點(diǎn)介紹嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS—II應(yīng)用于TCP／IP時(shí)應(yīng)進(jìn)行合理的裁減。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    基于ARM的嵌入式TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要包括ARM芯片和以太網(wǎng)控制器等芯片組成的以太網(wǎng)接口、驅(qū)動(dòng)軟件和嵌入式TCP／IP協(xié)議棧。硬件原理圖如圖1所示。

    該方案設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，硬件電路中采用的LPC2210是Philips公司推出的微處理器，帶有16 KBRAM，76個(gè)通用I／O口，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳，集成有8通道的10位A／D，能夠基于芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)。雖然LPC2210具有較快的訪問(wèn)速度，但片內(nèi)沒(méi)有集成FLASH，所以這里擴(kuò)展1片16 Mb FLASH SST39VFl60來(lái)保存用戶程序。其架構(gòu)滿足μC／OS—II正常運(yùn)行的基本要求。
    RTL8019AS是臺(tái)灣Realtek半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，其性能包括：支持EthernetII和IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)；支持8／16位數(shù)據(jù)總線；內(nèi)置16 KWord的SRAM；全雙工，收發(fā)同時(shí)達(dá)到10 Mb／s；支持BNC，AUI，UTP介質(zhì)。RTLS019AS可提供100腳的TQFP封裝，減少了PCB面積，更適合于嵌入式系統(tǒng)。HR901170A是漢仁電子有限公司生產(chǎn)的RJ45接口連接器(帶網(wǎng)絡(luò)變壓器／濾波器)，該連接器滿足IEEES02．3和IEEE902．3ab標(biāo)準(zhǔn)，能夠較好地抑制電磁干擾。通過(guò)HR901170A系統(tǒng)就可以連接到以太網(wǎng)上。

2 嵌入式協(xié)議的選擇
    TCP／IP協(xié)議是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合，通常被認(rèn)為是一個(gè)包含鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的4層協(xié)議系統(tǒng)，如圖2所示。嵌入式系統(tǒng)是為完成某種特定的功能而設(shè)計(jì)的專用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不要求(也不可能)實(shí)現(xiàn)所有的TCP／IP協(xié)議，所以嵌入式TCP／IP是對(duì)TCP／IP協(xié)議族進(jìn)行選擇而形成的協(xié)議集合。
    首先在鏈路層上，由于采用以太網(wǎng)的接入方式，系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)IEEE802．3所規(guī)定的CDMA／CD(載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突監(jiān)測(cè))協(xié)議，CDMA／CD協(xié)議不需用戶實(shí)現(xiàn)，此協(xié)議只要采用通用的NIC(Network Interface Con—troller，網(wǎng)絡(luò)接口控制)芯片就可支持。為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)中的通信，系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)ARP應(yīng)答協(xié)議，該協(xié)議用于將IP地址映射成以太網(wǎng)MAC地址。ARP協(xié)議包括ARP請(qǐng)求和ARP響應(yīng)兩部分，系統(tǒng)與其他計(jì)算機(jī)通信，就必須要支持ARP響應(yīng)。ARP請(qǐng)求在本地建立了一個(gè)IP地址到MAC地址的映射，保證了對(duì)外通信的有的放矢。RARP(逆地址解析)協(xié)議主要用于解決如何從MAC地址得到IP地址，主要用于無(wú)盤工作站中。在網(wǎng)絡(luò)層，由于系統(tǒng)要求能夠在Internet中進(jìn)行通信，因此系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。在TCP／IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括IP協(xié)議(網(wǎng)際協(xié)議)、ICMP協(xié)議(Internet控制報(bào)文協(xié)議)以及IGMP協(xié)議(Internet組管理協(xié)議)等。IP協(xié)議是TCP／IP族的核心協(xié)議，它使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信成為可能。因此RTU等系統(tǒng)數(shù)據(jù)跨越不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸就必須要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。ICMP中規(guī)定了多種協(xié)議類型和代碼，如果完全地實(shí)現(xiàn)也要耗費(fèi)不少的系統(tǒng)資源，該嵌入式系統(tǒng)中，在ICMP協(xié)議中能夠測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連通情況即可。[!--empirenews.page--]
    傳輸層主要是在2臺(tái)主機(jī)之間提供端到端的通信。傳輸層有2種不相同的傳輸協(xié)議：TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)。TCP是面向連接的，在不可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上提供端到端的可靠字節(jié)流。TCP協(xié)議設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的3次建立連接握手過(guò)程、4次關(guān)閉連接握手過(guò)程以及捎帶確認(rèn)信息并通過(guò)滑動(dòng)窗口進(jìn)行流量控制的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。UDP協(xié)議是不面向連接的，它只是簡(jiǎn)單地把數(shù)據(jù)報(bào)從一臺(tái)主機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，但并不保證該數(shù)據(jù)報(bào)能到達(dá)另一端，可靠性必須由應(yīng)用層來(lái)提供?？紤]到系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，這里采用TCP協(xié)議。應(yīng)用層協(xié)議主要是指用戶進(jìn)程。其包括：HTTP協(xié)議、FTP協(xié)議、POP3協(xié)議、SMTP協(xié)議、SNMP協(xié)議。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為了具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，采用μC／OS一Ⅱ設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。在μC／OS一Ⅱ平臺(tái)上，軟件設(shè)計(jì)工作主要包括：μC／OS一Ⅱ在LPC2210上的移植和TCP／IP協(xié)議在μC／OS一Ⅱ上的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)應(yīng)用程序的編寫。μC／OS一Ⅱ的移植工作主要集中在下面幾個(gè)文件中：OS_CPU．H，OS_CPU_A．ASM，OS_CPU_C．C。另外，在INCLUDES．H中必須包括LPC2210文件LPC2210．H；OS_CFG．H用于系統(tǒng)應(yīng)用μC／OS一Ⅱ中的初始化配置。OS_CPU．H主要包括一些與處理器和編譯器相關(guān)的常量和類型定義等，而且需注意LPC2210的堆棧方向是由高到低，用OS_STK_GROWTH來(lái)設(shè)置堆棧的增長(zhǎng)方向。因此將OS_STK_GROWTH設(shè)為1。OS_CPU_A．ASM中需編寫4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)：OS_TASK_SW()，OS_IntCtxSw()，OSStartHighRdy()和OSTieklSR()。

    以太網(wǎng)鏈路層遵循的IEEE802．3協(xié)議的CSMA／CD和CRC校驗(yàn)等功能由網(wǎng)絡(luò)控制芯片Rtl8019AS完成，LPC2210芯片則完成其他TCP／IP協(xié)議的解釋和執(zhí)行。LPC2210控制RTL8019AS完成通信任務(wù)時(shí)，首先要對(duì)RTL8019AS復(fù)位，并對(duì)RTL8019As的寄存器進(jìn)行初始化，確定發(fā)送和接收的條件，然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束、接收到1幀數(shù)據(jù)或出錯(cuò)等事件發(fā)生時(shí)，RTL8019As向LPC2210申請(qǐng)中斷，LPC2210響應(yīng)中斷后根據(jù)中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理。
    在LPC2210內(nèi)部，ARM程序完成對(duì)數(shù)據(jù)的打包解包。系統(tǒng)復(fù)位后，系統(tǒng)首先發(fā)送ARP請(qǐng)求，建立地址映射，并內(nèi)部中斷進(jìn)行定時(shí)更新。ARM芯片根據(jù)情況將采集或收集到數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議或UDP協(xié)議格式打包，送入網(wǎng)卡芯片，由網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。ARM芯片對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是ARP(物理地址解析)數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是IP數(shù)據(jù)包則進(jìn)一步判斷是哪個(gè)協(xié)議向IP傳送數(shù)據(jù)。如果是ICMP協(xié)議，判斷是否為Ping請(qǐng)求，是則應(yīng)答，不是丟棄該數(shù)據(jù)包；如果是TCP或UDP協(xié)議，且端口正確則按相應(yīng)的協(xié)議處理數(shù)據(jù)，端口不正確丟棄數(shù)據(jù)包。TCP／IP系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    TCP／IP在μC／OS一Ⅱ上的設(shè)計(jì)結(jié)束后，剩下的工作就是編寫應(yīng)用程序。將系統(tǒng)劃分成若干個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的無(wú)限循環(huán)的主程序，完成一個(gè)特定的功能。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序采用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，即應(yīng)用程序在執(zhí)行的過(guò)程中各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)保持不變。

4 結(jié) 語(yǔ)
    基于ARM的嵌入式TCP／IP協(xié)議的設(shè)計(jì)方案，論述了軟、硬件的設(shè)計(jì)方法和協(xié)議的選擇。該設(shè)計(jì)方案在硬件實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)潔可靠；軟件實(shí)現(xiàn)上可維護(hù)性好；可擴(kuò)展性好，有利于系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。實(shí)驗(yàn)證明該方案可行性強(qiáng)，可以直接把系統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)送到以太網(wǎng)上傳輸?？梢钥闯?，ARM和嵌入式TCP／IP協(xié)議將會(huì)得到更大的發(fā)展和更廣闊的應(yīng)用。