基于LM3S8962的TCP/IP協議棧的設計與實現?

劉 凱 呂海燕 張立民

（海軍航空大學航空基礎學院 煙臺 264001）

1 引言

隨著嵌入式系統和網絡接入方法的日益發展，越來越多的嵌入式系統連接至網絡，作為網絡終端參與數據交互、信息處理［1～2］?；?TCP/IP 的以太網是一種標準開放式的網絡，由于其通用性強，組網容易，能夠實現遠距離數據傳輸，容易實現資源共享，受到了廣泛的應用和支持［3～4］。因此，基于以太網的嵌入式系統逐漸成為了當前片上系統（Sys?tem on Chip，SoC）［5］的發展熱點。但是，由于嵌入式系統中硬件資源有限，如果移植完整的TCP/IP協議棧，會大大增加系統運行載荷，導致系統運行緩慢且數據通信不暢。因此，需要依據嵌入式系統特點，有針對性地選擇TCP/IP協議棧精簡方案，從而實現網絡穩定通信與系統高效運行的平衡。

2 TCP/IP協議棧設精簡設計

2.1 LM3S8962簡介

LM3S8962［6～7］微控制器是德州儀器（TI）公司提供的一款具有32位高性能運算能力的基于ARM?CortexTM-M3的控制器，其優勢還在于能夠方便地運用多種ARM的開發工具和片上系統（SoC）的底層IP應用方案。另外，該微控制器使用了兼容ARM Thumb?的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。最后，LM3S8962微控制器與Stellaris?系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應各種精確的需求。

LM3S8962微控制器的主要特性之一是具有10/100以太網控制器，它遵循IEEE 802.3-2002規范，遵循IEEE 1588-2002精確時間協議（PTP）。在100Mbps和10Mbps速率運作下支持全雙工和半雙工的操作方式，集成10/100Mbps收發器（PHY），自動的MDI/MDI-X交叉校驗，可編程MAC地址［8～9］。

2.2 TCP/IP協議棧設計思路

針對LM3S8962已經具備10/100以太網控制器特點，需要在其硬件以太網控制器的基礎上構建協議包系統，從而完成TCP或UDP數據包的處理，實現TCP/IP協議棧的通信。

1）以太網協議

以太網數據由以太網幀來傳送［10］。以太網的沖突退避算法是由硬件自動執行的，在軟件設計中可不用考慮。類型表示上層協議類型，本協議棧只處理這兩種類型的以太網幀：IP包、ARP包。

2）地址解析協議（ARP）和反地址解析協議（RARP）

為了簡化TCP/IP協議棧內容，本協議棧僅僅涉及了使用固定IP地址的方式實現以太網通信。因此，在本協議棧中無需實現RARP，僅僅需要對ARP包進行處理。ARP請求格式如圖1所示。

圖1 ARP請求應答格式

以太網報頭中的前兩個字段是以太網的源地址和目的地址。目的地址為全1的特殊地址是廣播地址。兩個字節長的以太網幀類型表示后面數據的類型。如果以太網報文內容為ARP請求或應答，該字段的值為0×0806。對于一個ARP請求，除目的端硬件地址以外的所有其他字段都有填充值。當系統收到一份目的端為本機的ARP請求報文后，它就把硬件地址填進去，然后用兩個目的端地址分別替換兩個發送端地址，并把操作字段置為2，最后把它發送回去。

3）控制報文協議（ICMP）

針對嵌入式應用系統的特點，雖然ICMP可以提供很好的網絡狀態報告，但對于本系統中嵌入式軟件而言，只需要實現一個“回顯應答”（即Ping應答）的功能即可。

Ping是Internet上最常用的調試工具，它的目的是為了測試另一臺主機是否可達［11～12］。該程序發送一份ICMP回顯請求報文給目的IP設備，并等待返回ICMP回顯應答。用該命令，可以方便地測試儀表與網絡是否連通。為實現響應ping命令，本協議支持的ICMP類型如下：

type=8：ICMP Echor（回送）回答報文；

type=0：ICMP Echor請求。

4）網際協議（IP）

IP數據包的格式如圖2所示。考慮到本系統網絡數據較小，故在IP協議實現時沒有支持有選項字段的IP包和分片操作。

圖2 IP數據包格式

8位協議字段表示上層協議類型，在本項目中只要處理兩種類型的IP包：ICMP包、UDP包。

5）用戶數據報協議（UDP）

UDP分段的頭部格式如圖3所示。

圖3 UDP分段的頭部格式

在本協議棧中，設計了完整的UDP協議，并實現了與計算機的Socket通信。

從上面可以得出，經過了剪裁之后在本系統中應用的TCP/IP協議棧層次如圖4所示。

圖4 TCP/IP協議棧層次設計

3 精簡TCP/IP協議棧實現

3.1 硬件層設計

該層主要為LM3S8962以太網底層硬件驅動，包含以太網中斷響應函數EthernetIntHandler（）、硬件初始化函數InitNic（）、處理接收數據函數Rec?Packet（）、以太網底層發送數據函數Send_Packet（）。

LM3S8962自帶的函數庫包含了基本的以太網通信控制函數，故該協議是在其函數庫基礎上實現的。

1）InitNic（）

要實現網絡的驅動，必須對LM3S8962的各個寄存器進行初始化和配置。在對LM3S8962進行初始化之前需要進行硬件復位和軟件復位；然后進行寄存器設置。LM3S8962網絡初始化的順序如圖5所示。

圖5 LM3S8962網絡初始化流程

2）EthernetIntHandler（）函數

該函數參數為void，主要是作為接收中斷響應函數調用RecPacket（）函數。由于該協議是在μC/OS-Ⅱ基礎上設計的，在該函數最后進行了任務的調度。

3）RecPacket（）函數

該函數的參數為void，該函數需調用LM3S8962的庫函數EthernetPacketGetNonBlocking Get（），其具體功能是從以太網控制器獲取數據包，返回接收數據包的長度。

4）Send_Packet（）函數

在協議棧中設計了鏈表_pkst，其結構如圖6所示。協議棧利用它作為數據讀取和發送的數據結構。

圖6 _pkst結構

Send_Packet（）函數的輸入參數為數據鏈初始指針，返回值為void。

3.2 鏈路層設計

數據鏈路層中包含地址解析函數PRO?CESS_ARP_REC（），網絡的收發操作函數Send_IP_LLC（）和 Rec_Ethernet_Packet（），還有一些輔助函數，如設置網絡地址函數SetNetPort（）等。

1）PROCESS_ARP_REC（）函數

2）Send_IP_LLC（）函數

該函數能夠為IP數據包的目標IP查找MAC地址并將其發送出去。輸入參數為發送結構指針和目標IP地址指針。

3）Rec_Ethernet_Packet（）函數

該函數被RecPacket（）函數調用，其功能是處理接收到的數據包，并將其數據指針傳遞到IP層。其輸入參數為接收數據指針；輸出參數為0表示發送失敗，1表示發送成功。

3.3 網絡層設計

網絡層包括IP包的接收和發送控制，ICMP請求報文的接收和 ICMP應答報文的發送控制［13～14］。考慮到實際數據量較少，在IP數據包的處理上沒有實現分片處理。

在IP協議中，創建了消息隊列RecUdpQFlag和信號量SendFlag。消息隊列的用處：如果有UDP數據包傳遞到IP協議層，則釋放該消息隊列，同時該消息隊列保存了UDP數據包的存儲地址；信號量則在Send_Ip_Frame（）函數中使用。具體使用過程：首先判斷該信號量是否當前可用，以判斷該函數能否獲得網絡發送的權利，如果該時間可以進行網絡數據發送，則在IP數據包發送完畢以后釋放信號量。

1）IP_PROCESS（）函數

該函數的輸入參數為接收數據結構的指針；返回值表明處理結果，如果為1，則數據處理正確，如果為0表明處理失敗。

2）Send_Ip_Frame（）函數

該函數實現的是IP數據包的發送。輸入參數由發送地址指針和目標IP地址組成，輸出參數表明發送結果是否成功。

在ICMP協議中，系統實現了Ping命令的響應，即客戶端能夠判斷接收服務端的ICMP Echo報文，同時向服務端回送一個ICMP Echo Reply報文完成Ping。

3）ICMP_PROCESS（）函數

該函數的功能是對ICMP數據報進行處理。輸入參數為ICMP數據報指針，輸出參數表示處理結果。

3.4 運輸層設計

鑒于LM3S8962內部以太網控制器穩定性高、通信鏈路延時低的優勢，同時為了降低通信負載，在本TCP/IP協議棧中運輸層僅僅使用UDP協議。為滿足通信要求，在該層設計了兩個結構udp_sub_socket和 udp_socket，其結構如圖 7、8 所示，并且定義了全局Socket變量。

udp_socket UdpStatus；

圖7 udp_sub_socket結構

圖8 udp_socket結構

1）UDP_Process（）函數

該函數的輸入參數為接收UDP數據包指針，輸出參數表明處理結果。

2）UDP_Send（）函數

該函數實現了UDP數據包的發送，輸入參數由數據指針、目的IP和網絡端口組成。

3.5 應用層設計

對于網絡數據的接收，該協議棧在系統中的具體使用步驟如下：

1）等待消息隊列RecUdpQFlag。如果消息隊列被釋放了，根據函數IP_PROCESS（）處理流程，表明存在UDP數據包。調用UDP_Process（），相應的代碼如下所示：

UdpTemp = OSQPend （RecUdpQFlag， 0，&eer）；

if（eer==OS_NO_ERR）

｛

Udp_Process（（Rec_Ptr*）UdpTemp）；

｝

2）等待UdpStatus中的信號量UdpSemRec，通過UDP_Process（）保存后的數據指針得到UDP數據包中的數據。

3）如果要求發送網絡數據，調用UDP_Send（）函數即可。

4 TCP/IP協議棧測試

為了驗證嵌入式TCP/IP協議棧工作性能，采用兩種方式進行測試，1是Ping測試，2是將其應用于數據采集節點測試通信效果。

4.1 Ping測試

Pin命令主要是對網絡層進行測試［15～16］。在測試中，客戶端設定的IP地址是192.168.0.18，當服務器發出Ping命令時，客戶端給出回應。從圖9中可以看出，傳遞的數據并沒有丟失，并且傳輸的時延較小，證明通信性能較好?？梢宰C明IP層、物理層、數據鏈路層是連通的，能夠保證客戶端與服務器進行正常通信。

圖9 ICMP的測試結果

4.2 數據采集節點通信測試

在本系統中，數據采集節點通過以太網完成與上位機的信息交互。上位機進行UDP測試工具如圖10所示。

圖10 上位機測試UDP包結果

經過實驗驗證，數據采集節點能夠及時將所采集的數據通過網絡以UDP包的形式傳遞給上位機，上位機根據節點傳遞的數據及時作出反映。

5 結語

針對LM3S8962芯片特點，采用了模塊化設計方法設計了TCP/IP協議棧。根據實際系統通信需要，對各個棧功能進行精簡，去掉了反地址解析協議，簡化了控制報文協議和TCP包處理。既保證了以太網通信需求，又節約了嵌入式系統資源。通過相關實驗驗證，該協議棧的設計達到了嵌入式系統預期要求。本文提出的這種基于嵌入式系統的精簡TCP/IP協議棧，對LM3S8962等同類型芯片的以太網通信等工程實踐提供了參考借鑒，并且對該領域中的相關技術研究也具有一定的指導意義。