嵌入式uIPTCP/IP協議棧在基于DSP系統中的應用

謝文娣

（安徽新華學院，安徽 合肥 230088）

近年來，嵌入式技術發展迅速并在許多電子產品（如手持式、便攜式）中都有廣泛的應用[1]，而嵌入式產品網絡化是當今社會一股不可抵擋的研究潮流。嵌入式系統必須具有網絡互連功能才能快速地與設備通信，以太網是目前使用最廣泛的局域網技術。由于有些嵌入式系統要求網絡的實時性較高，因此本文使用精簡TCP/IP協議棧——uIP協議棧來實現基于DSP的嵌入式系統以太網接入功能，下面詳細闡述其設計與實現。

1 系統硬件平臺

TMS320C5000系列是16 bit定點DSP，通常被應用在如VoIP以及IP電話網關等通信領域中。基于DSP的嵌入式系統中選擇的數字信號處理芯片是TI公司的TMS320VC5510芯片，網卡芯片選擇的是由Cirrus Logic公司生產的CS8900AS芯片。系統硬件接口基本結構圖如圖1所示。

TMS320VC5510芯片是由TI公司生產的第一個基于定點TMS320C55x核，具有低功耗、高性能的16 bit數字信號處理器[2]。Cirrus Logic公司專門設計了以太網控制器CS8900A，這款網卡芯片主要應用在對可靠性要求極高的工業控制領域中[3]。

圖1 系統硬件平臺

2 系統軟件設計

軟件上，DSP完成數據包的讀和寫工作，主要是通過軟件編程來控制CS8900A以太網控制芯片中的各寄存器，從而實現嵌入式系統接入以太網的通信功能[4]。圖 2所示為uIP協議棧與系統底層和應用程序之間的接口關系圖。

圖2 uIP協議棧與各層之間的接口關系圖

2.1 底層驅動程序的設計

本系統采用查詢方式來完成CS8900A芯片的軟件編程控制工作。這一工作主要分為以下3個過程：

（1）首先是完成以太網控制芯片的初始化工作，由初始化函數 ethernet_driver_init（void）來完成發送/接收配置寄存器的相關設置工作，如對CS8900A進行軟件復位、設置以太網接口參數以及設置以太網的硬件地址。

（2）若發送數據，則由數據發送函數ethernet_driver_write（）先將發送命令寫入CS8900A的TxCMD寄存器中，其次在CS8900A的Txlength寄存器中寫入將要發送的數據幀長度，接著檢查BusStatus寄存器的PPD，待PPD處于空閑狀態時將要發送的數據幀寫入CS8900A中，最后CS8900A將自動決定數據幀以相應的報文根據TxCMD寄存器的設置向以太網上發送。

（3）若以太網接收到數據包，則由數據接收函數ethernet_driver_write（）讀取數據包，CS8900A將根據接收配置寄存器的設置自動對接收的報文進行預處理。

2.2 uIP協議棧的設計

由瑞典計算機科學學院的Adam Dunkels開發的uIP協議棧是一種免費的、可實現的且非常小的TCP/IP協議棧，它是為8 bit和 16 bit處理器專門設計的[5]。uIP協議棧是使用C語言編寫的，它移植起來方便而且代碼也相當簡潔。uIP協議棧去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，簡化了通信流程，占用的資源少，處理速度快。

基于DSP的嵌入式系統uIP協議棧中，根據需要只實現了 ARP、IP、ICMP、UDP協議。TCP提供面向連接的、可靠的、點對點的服務[6]，但 TCP開銷大，傳輸速度慢；雖然UDP是面向無連接的，由于UDP沒有可靠性的保證機制，因此能以較快的速度進行數據通信；UDP協議的開銷很小，傳輸率比TCP高出很多，實時性更強，所以uIP協議中采用UDP協議作為運輸層協議。該uIP協議棧的網絡體系結構如圖3所示。

圖3 uIP協議棧體系結構

2.3 uIP協議棧的實現

uIP協議棧的實現主要集中在uip.c的源文件里，代碼簡潔。圖4所示為uIP整個系統的主程序流程圖。在這個主程序流程圖中，初始化工作是由底層硬件完成的，主要是對物理層的一些接口進行配置和綁定。uIP協議棧接收數據包的過程實際上就是對數據包進行解析，當網絡驅動設備發送數據包過來時，首先讀取數據包判斷是IP包還是ARP包，如果是ARP包，則進行ARP處理；若是IP包，則判斷其上層協議是UDP協議還是ICMP協議，再分別對其進行處理。當有數據發送時，網絡驅動設備的硬件將自行判別數據包并且完成數據包的封裝工作。

圖4 uIP協議棧數據包處理流程圖

2.3.1 ARP協議

ARP協議是由源文件Uip_arp.c實現的，其中包含uip_arp_init（）、uip_arp_timer（）、uip_arp_update（）、uip_arp_arpin（）和 uip_arp_out（）5 個函數。 uip_arp_init（）完成 ARP 的初始化工作，初始化ARP首部、入口地址等。uip_arp_timer（）完成動態映射表的老化功能，這個函數每10 s被調用一次，若動態映射表里的映射關系在連續20 min內沒有發生變化，則其映射將失效。uip_arp_update（）完成動態映射表的更新功能。void uip_arp_arpin（）對接收到的 ARP分組進行處理。uip_arp_out（）完成ARP請求的自動發送功能，它是在即將發送一個IP分組前被調用。

2.3.2 IP協議

IP協議由ip_recv和ip_send兩個函數段來實現。ip_send函數段完成IP數據包的發送功能，接收上層協議傳送過來的數據包加上IP首部進行封裝，然后設置srcipaddr、destipaddr、proto 及 ipchksum， 最后交給下層協議處理好發送；ip_recv函數段完成IP數據包的接收功能，當收到數據包時首先判斷其 vhl、length、destipaddr及ipchksum是否正確，然后根據IP報文首部的類型碼將該數據包交給相應的上層協議處理。

2.3.3 ICMP協議

ICMP協議主要由標志段icmp_input實現。ICMP協議在實現時比較簡單，具體操作是將ICMP的報文字段從回送類型變成回送應答類型，再另外計算checksum并修改checksum字段。

2.3.4 UDP協議

UDP協議主要由函數udpfound和udpsend兩個標志段實現。udpfound函數段負責處理收到的UDP數據，包括取出源IP地址、目的地址和源端口，并判斷它的端口號和校驗和是否都正確，如果正確再獲取目的端口，調用應用程序對接收到的數據包進行相應處理，否則丟棄。udpsend函數段完成UDP數據包的發送功能，如果接收到來自應用程序的數據，而這時又有數據要發送，那么首先分配空間給待發送的數據，然后拷貝數據到UDP數據包的數據部分，并對UDP首部各個字段對應的源端口號和目的端口號進行設置，最后再調用ip_send函數將欲發送的數據交給IP協議發送。

3 系統仿真

利用計算機進行仿真時，在uIP協議棧中，將目標機（也就是開發板）的IP地址設置成 129.27.137.103，區別于PC的129.27.137.104，即構成局域網使得它們能在同一個網段內進行通信。假設已經建立了一條成功的通信鏈路，這時應該出現當服務器發出命令，目標機立即會給出回應這樣的結果。DOS操作系統下ICMP測試圖如圖5所示。從圖5中可以得知，發送的4個ICMP數據包均得到了回應，其中最長的回應時間為18 ms，最短的回應時間不到1 ms，平均回應時間為10 ms。這時說明開發板與計算機建立了一條可靠的連接，ping通信成功，為系統各功能的實現，提供了可靠的基礎。

圖5 DOS操作系統下ICMP測試圖

本文利用計算機進行了仿真測試，完成了DSP與PC的ping通信，實現了基于DSP的嵌入式系統接入以太網的功能。但仍需解決的問題是，由于UDP協議不可靠、面向無連接，難免會出現數據包亂序到達、數據包丟失的現象。因此針對這些現象可以對數據進行一些處理，如對每一組數據進行順序標記，這樣可以在應用層發現數據的丟失和亂序，從而予以更正；在數據包前后加一校驗碼保證接收數據正確等，這將在后續工作中討論。

[1]王采蓮，郭志強.嵌入式TCP/IP協議棧在指揮網絡中的實現 [C].AECC專題學術研討會論文集，2007，20（5）：162-163.

[2]TI.TMS320VC5510AI DataSheet[Z].2004.

[3]Cirrus Logic.CS8900A Product Data Sheet[EB/OL].[2007-08-01]http：//www.cirrus.corn.

[4]岳世為，尹為民.uIP協議棧在基于DSP以太網通信系統中的應用[J].計算機與數字工程，2010，38（1）：187.

[5]DUNKELS A.The uIP Embedded TCP/IP Stack[EB/OL].[2006-06-01]http：//www.Sics.se.

[6][阿根廷]Scaglia Sergio.嵌入式 Internet TCP/IP基礎、實現及應用[M].潘琢金，徐蕾，拱長青，等，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2008.