嵌入式系統(tǒng)中IP協(xié)議用ASIC器件電路設(shè)計

　　引 言

　　為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息處理，嵌入式系統(tǒng)中必須具有強大的網(wǎng)絡(luò)連接功能。嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接功能不僅需要傳輸信息，同時還必須具有相應(yīng)的信息識別能力，以提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。

　　近年來在嵌入式系統(tǒng)和SOC（片上系統(tǒng)）技術(shù)發(fā)展的推動下，嵌入IP協(xié)議的微處理器或單片機系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)［3］，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但對于工業(yè)設(shè)備來說，特別是對于工業(yè)生產(chǎn)中使用的儀器儀表，采用軟件嵌入IP協(xié)議存在無法并行處理和成本過高的缺點。因此，采用硬件實現(xiàn)IP協(xié)議具有重要的意義。

　　IP硬件電路設(shè)計有嵌入處理器和ASIC兩種方法。使用嵌入處理器的方法設(shè)計IP協(xié)議時，需要選擇相應(yīng)的處理器和附加電路，并根據(jù)所嵌入的處理器編制相應(yīng)軟件實現(xiàn)IP協(xié)議。這種方法可以采用已有的IP協(xié)議軟件，軟件實現(xiàn)比較方便。使用ASIC技術(shù)設(shè)計IP協(xié)議屬于硬件實現(xiàn)IP方法，IP協(xié)議的執(zhí)行全部為硬件執(zhí)行。這種實現(xiàn)方法具有的優(yōu)點就是IP協(xié)議的執(zhí)行不受軟件干擾，具有一定的IP協(xié)議層抗干擾能力。ASIC實現(xiàn)IP協(xié)議實現(xiàn)的是一個專用數(shù)字硬件電路，只需要通過相應(yīng)的控制信號就可以實現(xiàn)IP協(xié)議的功能，具有比較高的性能價格比。

　　針對工業(yè)設(shè)備對IP協(xié)議的需要，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個能完成IP協(xié)議功能的ASIC器件。對于工業(yè)控制設(shè)備來說，這種器件就是一個實現(xiàn)IP功能的專用器件，只要把要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給該器件，就可以實現(xiàn)通信過程與控制系統(tǒng)并行操作。任何數(shù)字化的工業(yè)設(shè)備，都可以使用這個IP協(xié)議器件直接連接到基于IP的網(wǎng)絡(luò)。

　　一、 協(xié)議分析與IP電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　IP協(xié)議的功能，是對來自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)進行打包和解包處理，通過數(shù)據(jù)報在一個個IP協(xié)議模塊間傳送，直到數(shù)據(jù)報到達目的模塊［2］。互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中每個主機和網(wǎng)關(guān)設(shè)備上都有IP模塊，數(shù)據(jù)報在一個個模塊間通過路由處理網(wǎng)絡(luò)地址傳送到目的地址。IPv4的數(shù)據(jù)報報頭格式如圖1所示。IP在提供網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)時，采用了統(tǒng)一的報頭，以使處于各子網(wǎng)中的IP都能根據(jù)報頭對數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理。

　　版本號報頭長度服務(wù)類型總長

　　標識 DFMF

　　生命權(quán)協(xié)議報頭校驗和

　　源地址

　　目的地址

　　選項（不定）

　　圖 1 IP協(xié)議報頭格式

　　IP中使用以下4個關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)報傳輸：

　?。?）服務(wù)類型（ToS）。ToS是一個參數(shù)集，代表Internet能夠提供的服務(wù)，用于指定用戶所希望得到的服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)類型由網(wǎng)關(guān)使用，可用于特定的網(wǎng)絡(luò)或是用于下一個要經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)，也可用于下一個要對數(shù)據(jù)報進行路由選擇的網(wǎng)關(guān)上選擇實際傳送的參數(shù)。

　?。?）生存時間（TTL）。生存時間是用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的保存時間。生存時間由發(fā)送者設(shè)置，由所經(jīng)過的路由處理。如果在到達目的節(jié)點之前生存時間已經(jīng)為零，則IP就會自動拋棄此數(shù)據(jù)報。

　?。?）選項（optiONs）。選項包括時間戳、安全和特殊路由要求等。對于控制函數(shù)來說選項是重要的，但對于通常的通信來說一般沒有必要。

　　（4）報頭校驗碼（checksum）。設(shè)置報頭校驗碼的目的，是保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。如果校驗出錯，IP將拋棄整個數(shù)據(jù)報。必須注意，與一般工業(yè)控制系統(tǒng)使用的簡單通信協(xié)議不同，IP協(xié)議發(fā)現(xiàn)校驗碼出錯后，并不立即通知發(fā)送端，而是放棄剛剛接收到的一段報文，把糾正報文出錯的任務(wù)留給TCP協(xié)議完成。這種方式不僅提高了通信效率，還可以簡化傳輸質(zhì)量，保證程序。

　　在設(shè)計IP協(xié)議ASIC硬件電路中，有幾個問題需要考慮：

　?。?）應(yīng)用系統(tǒng)的核心處理器，通過控制信號實現(xiàn)對IP協(xié)議器件的使用操作，因此，必須考慮如何通過硬件電路實現(xiàn)核心處理器與IP硬件電路之間的數(shù)據(jù)交換。

　?。?）如果IP硬件應(yīng)用于終端設(shè)備（例如工業(yè)控制系統(tǒng)的控制設(shè)備）而不是作為交換節(jié)點，IP協(xié)議中有關(guān)路由選擇處理的部分可以省略。

　?。?）為保證IP協(xié)議的健壯性，電路設(shè)計中必須十分注意電路并行協(xié)議操作中不同電路部分的延時不均勻問題。所有功能電路的延時不超過允許范圍，必要時要犧牲速度，保證協(xié)議操作的正確性。

　?。?）如果每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大（例如作為工業(yè)設(shè)備組成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)），可以不考慮IP協(xié)議中的報文分片處理。應(yīng)用系統(tǒng)只要使每次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度符合一個IP數(shù)據(jù)報的長度要求，就能正確無誤地利用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。這樣不僅可以簡化硬件電路，還能節(jié)省緩沖存儲器的容量。

　　根據(jù)以上討論，IP專用電路的設(shè)計，實際上就是通過計數(shù)器、寄存器、RAM來實現(xiàn)外部握手和內(nèi)部流水線處理電路。由于接收與發(fā)送互相獨立，電路設(shè)計中可以把接收和發(fā)送分為兩個各自獨立的部分。由此，IP協(xié)議ASIC專用電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　二、 IP協(xié)議ASIC電路握手操作

　　IP協(xié)議器件中，發(fā)送電路的任務(wù)是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加IP報頭的處理，再把打好包的IP數(shù)據(jù)報發(fā)送給MAC層。接收電路的任務(wù)是對接收到的IP報進行報頭校驗和拆報處理，最后把數(shù)據(jù)傳輸給微處理器系統(tǒng)。

　　設(shè)計IP協(xié)議硬件電路，一個重要的問題就是數(shù)據(jù)報的接收和發(fā)送機制。使用硬件實現(xiàn)IP協(xié)議的關(guān)鍵有兩個：一個是流水線操作，另一個是數(shù)據(jù)存儲方式。

　　流水線操作是指IP協(xié)議的實現(xiàn)操作采用流水線方式，各操作步驟實行并行處理。作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，IP協(xié)議操作的速度取決于兩個因素：一個因素是數(shù)據(jù)報存儲方式，另一個因素是MAC層的收發(fā)速度。從IP層所處的位置看，由于IP網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)以全雙工方式工作，作為硬件器件的工作時鐘必須以發(fā)送和接收時鐘為準。本設(shè)計中，以應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用IP協(xié)議信號作為發(fā)送電路操作允許信號，MAC層調(diào)用IP協(xié)議信號作為發(fā)送和接收觸發(fā)同步信號，采用同步觸發(fā)時鐘并行控制的技術(shù)，實現(xiàn)了IP協(xié)議操作步驟的流水線并行處理。