基于TCP/IP協議棧的嵌入式系統通信方案設計研究

張小寒

（湖南財經工業職業技術學院，衡陽 421002）

TCP/IP協議棧嵌入系統，其實就是一種服務于某種專用場合的計算機系統，其融入了現代的通信技術、控制技術以及計算機技術等，從軟件到硬件雙向設計協調，提高系統的通信性能，滿足辦公場合對于計算機系統的安全性、可靠性和功能性需求。

該嵌入式系統的工作原理與PC機的基本工作系統比較相似，具有較高的自動化水平，其在信息接收和傳達方面具有較快的反應速度，并且其軟件的體積非常小，能夠實現多任務的需求，并且具有實時性。綜合TCP/IP協議棧的嵌入式系統，其主要展現出以下特征：從系統的精簡性來講，該款系統對于應用軟件及其系統軟件所設定的界限并不明顯，甚至比較模糊，因此，其在進行功能設計的過程中，主要是為了達到系統的簡潔和使用[1]。

1 TCP/IP協議棧的嵌入式系統硬件設計

在了解了該嵌入式系統的特點和功能以后，筆者將展開對通信系統的設計。

為了實現TCP/IP協議棧的嵌入式系統的通信功能，其必須先考慮該系統硬件的體積及其功耗問題。主體系統設計時，選擇的CPU型號為s3C44BOX，并且確定實時時鐘，設定該系統的功能模塊。具體模塊結構如圖1所示。

圖1 通信方案硬件系統設計功能模塊

從圖1的結構可以看出，本設計的主體系統涉及的功能模塊很多，筆者將對其主要模塊進行介紹。

首先是網絡接口模塊的設計。本次選擇的RTL8019As芯片，其控制器為MAC，其與物理層接口工頭構成了芯片的內部結構[2]。本次接口設計將實現物理編碼子層功能、雙絞線物理媒體子層功能以及雙絞線媒體訪問單元功能等。在RTL8019As發出信號后，型號為RJ45的接收器將會接收到信號，并且將其傳輸到到媒體中。

2 TCP/IP協議棧的嵌入式系統軟件設計

在軟件設計方面，TCP/IP協議棧的嵌入式系統注重對操作系統和LWIP協議的設計。

從操作系統的角度來講，本次設計要實現UCOs-Ⅱ的移植。本系統將會連接多個外部的監控設備，因此對軟件系統的實時性具有較高的要求，軟件系統需要能夠在同一時間內處理多個任務，因此，本次選擇UCOs-Ⅱ實時操作系統作為主要的軟件系統。該系統能夠對不同的任務進行響應，并且其處理器本身對于資源的要求不高，該系統又屬于免費系統。在軟件系統的設計中，要想完成對UCOs-Ⅱ系統移植，其處理器需要能夠重新輸入代碼，并且利用C語言實現代碼輸入的中斷。如果系統的處理器支持中斷，人們就能夠通過設計來實現定時中斷[3]。本系統的處理器需要具有容納硬件堆棧的功能，其將部分堆棧指針和處理器讀寫到內存中，形成指令，從而實現相關代碼的修改。例如，本方案選擇的編譯器為arm-elf-gcc，那么本次對數據的定義則為：

typedef ynsigned char BOOLEAN;

typedef ynsigned char TNT8N;

typedef ynsigned char INT8s;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16s;

typedef unsigned long INT32U;

typedef singned long INT32s;

typedef float FP32;

typedef double FP64.

在網絡協協議棧的嵌入式系統設計中，本次選擇了LWIP。主要原因是該協議棧能夠支持多個網絡接口的IP轉發，能夠快速回復轉發的TCP協議。也就是說，該種協議棧具有較高的應用性能，選擇該協議棧，也就相當于提升了該程序的應用性。

在LWIP協議棧中，分層思想起到了關鍵性的作用。為了將不同的協議劃分為不同的模塊，向外提供服務訪問點，人們必須利用分層思想，它能夠幫助LWIP協議棧實現該功能。TCP處理信號的過程如圖2所示，該流程充分展現了LWIP協議棧對于通信信息的處理能力。其中，TCP在發送數據時會利用tcp_write()來進行信息的檢查，而在接收數據時，其將會通過驅動程序將接收到的網絡數據傳達給ip_input()。

圖2 TCP發送與接收邏輯圖

3 結論

本文主要對TCP/IP協議棧的嵌入式系統的通信方案進行設計，選擇了型號為s3C44BOX的ARM處理器，并且通過對硬件及軟件的雙重設計，成功實現了對多功能、實時性操作系統UCOs-Ⅱ的移植，完成對嵌入式操作系統的設計，最終選擇了TCP/IP協議棧LWIP。實踐表明，本設計具有一定的穩定性，未來設計將逐漸朝安全性、實用性等方向靠攏。