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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiě)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(hù)程序。其架構(gòu)滿(mǎn)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(xiàn);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(mǎn)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(zhuān)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(hù)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(pán)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(lèi)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(hù)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。考慮到系統(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(hù)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(xiě)。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(lèi)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(xiě)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(xiě)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(kāi)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??梢钥闯觯?strong>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。