基于單片機(jī)ARM實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

作者：廖日坤，紀(jì)越峰，黃小迅

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，Internet的使用越來越普及，信息家電和智能儀表等能夠接入Iriternet的非PC設(shè)備越來越多，將各類電子設(shè)備接入Internet的需求也越來越大。

電子設(shè)備接入Internet。有多種解決方案：在51系列單片機(jī)上運(yùn)行經(jīng)過裁剪的TCP/IP協(xié)議棧；使用一些ASIC實(shí)現(xiàn)TCP/IP的芯片，如Analog Devices推出的Internet Modem；也可使用嵌入式操作系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧。在某些對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度要求不高的領(lǐng)域，可用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP/IP；在對(duì)性能要求高的場合，可選擇后兩種方案。

1 嵌入式TCP/IP的硬件結(jié)構(gòu)

圖1是嵌入式TCP／IP系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。其中CS8900A是Cirrus Logic的網(wǎng)絡(luò)控制器，芯片內(nèi)部已設(shè)置幀過濾器自動(dòng)拋棄無效幀，減輕CPU負(fù)荷，提高CPU對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問效率。CS8900A工作機(jī)制主要是通過設(shè)置好其內(nèi)部各寄存器的值，然后就可以自動(dòng)開始工作。在網(wǎng)絡(luò)接口部分，由于是RJ45接口，所以須使用E2023傳輸線變壓器對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

通常TCP／IP協(xié)議棧需要大量的RAM來存儲(chǔ)需要被應(yīng)答的TCP包。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未被應(yīng)答，則重發(fā)該TCP包；被應(yīng)答以后釋放。為了減小RAM的使用量，當(dāng)數(shù)據(jù)包需要重新發(fā)送時(shí)，如果能夠重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)，則可不存儲(chǔ)需要被應(yīng)答的TCP包。

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)非常多，如果把所有的數(shù)據(jù)都讀到內(nèi)存中再判斷是否應(yīng)丟棄幀，則顯然效率不高。所以邊讀取數(shù)據(jù)邊判斷而沒有一開始就把整個(gè)幀全部讀到內(nèi)存中。在程序里定義了幀中各部分的相對(duì)地址，可以方便地對(duì)幀的各字節(jié)尋址。這樣的設(shè)計(jì)是基于提高訪問速度考慮的。

在CPU中幀的存放方式，定義PacketRAM變量為存放幀的首地址。圖2給出了CPU中TCP/IP的內(nèi)存劃分，以及內(nèi)存中幀的各個(gè)字節(jié)的定義和相對(duì)位置。

2 嵌入式TCP／IP的優(yōu)化設(shè)計(jì)

TCP／IP一般采用C語言或混合匯編。使用可重入函數(shù)和一般指針（gellerc pointer）使得程序代碼增大，運(yùn)行速度降低；使用函數(shù)指針時(shí)，需要手動(dòng)重建調(diào)用樹（calltree），或?qū)⒑瘮?shù)指針調(diào)用的函數(shù)設(shè)置為可重入函數(shù)。

2．1 嵌入式TCP／IP輸入輸出流程

與PC機(jī)TCP／IP協(xié)議一樣，嵌入式TCP/IP采用協(xié)議分層的結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、TCP層、IP層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層。圖3描述了輸入和輸出數(shù)據(jù)包的流程以及需要調(diào)用的函數(shù)。

輸出時(shí)，TCP層先查看unsend隊(duì)列，發(fā)現(xiàn)非空，將數(shù)據(jù)包插入隊(duì)列；發(fā)現(xiàn)為空，則查看對(duì)方窗口是否夠大（能夠接收這個(gè)數(shù)據(jù)包）。然后，填寫TCP頭部信息。IP層選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，目的IP和該接口的子網(wǎng)掩碼相“與”是否等于子網(wǎng)掩碼，然后調(diào)用這個(gè)接口的Output函數(shù)來發(fā)送。

輸入時(shí)，Timer（）函數(shù)調(diào)用每個(gè)接口的Input函數(shù)。IP層判斷IP版本、IP校驗(yàn)和，以及是否應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)IP頭部的protocol字段將包傳給相應(yīng)的高層處理。TCP層，須判斷TCP校驗(yàn)和，并在現(xiàn)有的套接字中查找，判斷是否有套接字可接收這個(gè)數(shù)據(jù)包，判斷TCP序號(hào)是否為希望的，然后更新這個(gè)連接的狀態(tài)（包括釋放被應(yīng)答的數(shù)據(jù)包和TCP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)化等），調(diào)用該套接字的回調(diào)函數(shù)recv。

2.2 嵌入式TCP／IP的程序結(jié)構(gòu)

Tliner函數(shù)功能是調(diào)用TCPTimer處理TCP數(shù)據(jù)包的重發(fā)等功能，調(diào)用每個(gè)接口的Input函數(shù)接收到達(dá)的數(shù)據(jù)包。Timer函數(shù)必須在短時(shí)間（一般為20ms）內(nèi)被調(diào)用一次，否則接收數(shù)據(jù)包和TCP定時(shí)等功能將停止。

如圖4所示，程序主流程是一個(gè)大循環(huán)，在循環(huán)中處理發(fā)送數(shù)據(jù)包等應(yīng)用層協(xié)議的同時(shí)，查詢變量bTimeOut，在定時(shí)中斷中將bTimerOut設(shè)置為真。應(yīng)用層在程序流程中反復(fù)查詢bTimerOut是否為真，若為真則調(diào)用Timer（），然后設(shè)置bTimerOut為假。

在使用嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，還要注意網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)被重入的問題。以NE2K的以太網(wǎng)卡為例，拷貝數(shù)據(jù)包到網(wǎng)卡緩存前要先設(shè)置寄存器（如起始地址）。如果設(shè)置完寄存器以后中斷發(fā)生且放重入。則寄存器的設(shè)置被修改，中斷返回以后拷貝將出錯(cuò)。

2.3 嵌入式TCP／IP運(yùn)行速度優(yōu)化

TCP／IP發(fā)送過程中主要的運(yùn)算量集中在3部分：應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)拷貝到RAM；計(jì)算TCP校驗(yàn)和；將RAM中的數(shù)據(jù)包拷貝到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送緩沖區(qū)。對(duì)于每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，兩次拷貝大致共使用12×2=24個(gè)指令周期；計(jì)算TCP校驗(yàn)和使用16個(gè)指令周期。采用12MHz晶振，最高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為25KB/s。

為了提高速度可以采用快速CPU或提高晶振頻率。另外，盡量避免使用Reentrant函數(shù)。Reentrant類型的函數(shù)比一般函數(shù)速度要慢很多，但某些時(shí)候?yàn)榱顺绦蚪Y(jié)構(gòu)的需要必須使用Reentrant，這就需要在速度和結(jié)構(gòu)之間作一個(gè)選擇。選擇的方法有：使用“指定存儲(chǔ)類型”的指針（memoryr-specific pointer）；精簡協(xié)議棧去除運(yùn)算量大但是用處不大的功能，目前TCP定時(shí)重發(fā)時(shí)間是固定的，也沒有擁塞窗口控制和IP層路由；防止數(shù)據(jù)包不必要的拷貝；優(yōu)化計(jì)算校驗(yàn)和與內(nèi)存拷貝函數(shù)。

3 TCP／IP的嵌入式實(shí)現(xiàn)

TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)一般以軟件方式嵌人到ROM中，然后通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與專用嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，運(yùn)行TCP／IP協(xié)議，并提供TCP／IP到用戶的輕型網(wǎng)絡(luò)的連接和路由功能。

3.1 內(nèi)存管理方法和無多余數(shù)據(jù)包拷貝的實(shí)現(xiàn)

嵌入式TCP/IP的內(nèi)存管理可用鏈表方法，即根據(jù)數(shù)據(jù)包大小分配相應(yīng)大小的內(nèi)存塊。如圖5所示，鏈表將內(nèi)存塊鏈接起來，used字段表示該內(nèi)存塊是否正在使用，pStart和pEnd表示數(shù)據(jù)部分有效數(shù)據(jù)的開始地址和結(jié)束地址。

分配時(shí)，搜索內(nèi)存鏈表找到一個(gè)沒有分配的比所需空間大的內(nèi)存塊，截取所需的大小。該內(nèi)存塊被截取以后可能還有較多剩余，這時(shí)將剩余部分從原內(nèi)存塊中分離出來，成為一個(gè)新的內(nèi)存塊，并插入鏈表。釋放時(shí)，將used置為假。如果pNext或pPre指向的鏈表單元也是空閑的，則將其與自己合并。以防止內(nèi)存分片。在協(xié)議層之間傳送數(shù)據(jù)包只要傳送內(nèi)存塊的起始地址即可。這種內(nèi)存管理方法空間浪費(fèi)小，但運(yùn)算量相對(duì)較大。

3.2 整序、重發(fā)與窗口控制的實(shí)現(xiàn)

使用隊(duì)列緩存的方式來實(shí)現(xiàn)整序、重發(fā)和窗口控制。隊(duì)列的一個(gè)元素指向一個(gè)數(shù)據(jù)包，隊(duì)列的最大長度沒有限制。

對(duì)于整序，使用ooSeq隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)接收的TCP包序號(hào)并不是希望的，但序號(hào)在接收窗口內(nèi)，此時(shí)不能立刻接收這個(gè)包也不應(yīng)丟棄，先將這個(gè)包放入ooSeq隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)希望的TCP包被接收以后，再查看ooseq隊(duì)列現(xiàn)在是否有TCP包成為了希望的數(shù)據(jù)包，如果有則將其取出并處理。

對(duì)于重發(fā)，使用unacked隊(duì)列，每個(gè)需要被應(yīng)答的TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送以后都要放入unacked隊(duì)列，直到被應(yīng)答后才從隊(duì)列中刪除。TCP重發(fā)定時(shí)只針對(duì)unacked隊(duì)列第一個(gè)TCP包。如果定時(shí)超出，則重新發(fā)送；如果重發(fā)次數(shù)超出規(guī)定值，則報(bào)錯(cuò)。

對(duì)于窗口控制，使用unsend隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)方的窗口過小無法接收這個(gè)數(shù)據(jù)包，則只發(fā)送部分?jǐn)?shù)據(jù)，將多余部分放入unsend隊(duì)列，等待對(duì)方發(fā)來TCP包通知新的窗口大小時(shí)，再次判斷是否可以發(fā)送。在unsend隊(duì)列不為空的情況下，須發(fā)送的數(shù)據(jù)包都應(yīng)插入unsend隊(duì)列。

3.3 捎帶應(yīng)答的實(shí)現(xiàn)

捎帶應(yīng)答是指，當(dāng)對(duì)方一個(gè)需要應(yīng)答的TCP包到達(dá)時(shí)，不馬上給予應(yīng)答，而是等待一段較短的時(shí)間。如果在這段時(shí)間內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則會(huì)捎帶給予應(yīng)答，從而減少了包的發(fā)送數(shù)量。

若暫時(shí)沒有數(shù)據(jù)須發(fā)給對(duì)方或數(shù)據(jù)還未準(zhǔn)備好，則等待一定的時(shí)間；如果在該時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)，則可使用捎帶應(yīng)答。使用捎帶應(yīng)答就不可能對(duì)每個(gè)幀都作確認(rèn)，可用對(duì)某個(gè)幀的確認(rèn)來代替對(duì)該幀之前所有幀的確認(rèn)。

4 總 結(jié)

嵌入式系統(tǒng)中大量存在的是8/16位低速處理器，在進(jìn)行Internet接入時(shí)，由于本身資源的限制，很難實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議。本文從既實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源角度出發(fā)，對(duì)協(xié)議進(jìn)行有針對(duì)性的模塊化裁剪和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在單片機(jī)ARM上嵌入TCP/IP協(xié)議簇實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet接入。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的嵌入式TCP/IP，支持套接字形式的多個(gè)TCP連接；支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；支持通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，響應(yīng)ping命令；支持TCP包的整序、重發(fā)和窗口控制流量控制。實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)方式靈活，能按用戶需求實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能。

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