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隨著計算機網絡技術和電子信息技術的迅猛發展，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設備越來越多，將各類電子設備接入Internet的需求也越來越大。 電子設備接入Internet。有多種解決方案：在51系列單片機上運行經過裁剪的TCP/IP協議棧；使用一些ASIC實現TCP/IP的芯片，如Analog Devices推出的Internet Modem；也可使用嵌入式操作系統自帶的TCP/IP協議棧。在某些對網絡速度要求不高的領域，可用單片機實現TCP/IP；在對性能要求高的場合，可選擇后兩種方案。 1 嵌入式TCP/IP的硬件結構 圖1是嵌入式TCP／IP系統的硬件結構。其中CS8900A是Cirrus Logic的網絡控制器，芯片內部已設置幀過濾器自動拋棄無效幀，減輕CPU負荷，提高CPU對網絡的訪問效率。CS8900A工作機制主要是通過設置好其內部各寄存器的值，然后就可以自動開始工作。在網絡接口部分，由于是RJ45接口，所以須使用E2023傳輸線變壓器對網絡中的信號進行轉換。 通常TCP／IP協議棧需要大量的RAM來存儲需要被應答的TCP包。如果在規定時間內未被應答，則重發該TCP包；被應答以后釋放。為了減小RAM的使用量，當數據包需要重新發送時，如果能夠重新產生數據包所需的數據，則可不存儲需要被應答的TCP包。 因為網絡中數據非常多，如果把所有的數據都讀到內存中再判斷是否應丟棄幀，則顯然效率不高。所以邊讀取數據邊判斷而沒有一開始就把整個幀全部讀到內存中。在程序里定義了幀中各部分的相對地址，可以方便地對幀的各字節尋址。這樣的設計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的內存劃分，以及內存中幀的各個字節的定義和相對位置。 2 嵌入式TCP／IP的優化設計 TCP／IP一般采用C語言或混合匯編。使用可重入函數和一般指針(gellerc pointer)使得程序代碼增大，運行速度降低；使用函數指針時，需要手動重建調用樹(calltree)，或將函數指針調用的函數設置為可重入函數。 2．1 嵌入式TCP／IP輸入輸出流程 與PC機TCP／IP協議一樣，嵌入式TCP/IP采用協議分層的結構：應用層、TCP層、IP層和網絡設備接口層。圖3描述了輸入和輸出數據包的流程以及需要調用的函數。 輸出時，TCP層先查看unsend隊列，發現非空，將數據包插入隊列；發現為空，則查看對方窗口是否夠大(能夠接收這個數據包)。然后，填寫TCP頭部信息。IP層選擇網絡設備接口，目的IP和該接口的子網掩碼相“與”是否等于子網掩碼，然后調用這個接口的Output函數來發送。 輸入時，Timer()函數調用每個接口的Input函數。IP層判斷IP版本、IP校驗和，以及是否應轉發數據包，然后根據IP頭部的protocol字段將包傳給相應的高層處理。TCP層，須判斷TCP校驗和，并在現有的套接字中查找，判斷是否有套接字可接收這個數據包，判斷TCP序號是否為希望的，然后更新這個連接的狀態(包括釋放被應答的數據包和TCP狀態機的轉化等)，調用該套接字的回調函數recv。 2.2 嵌入式TCP／IP的程序結構 Tliner函數功能是調用TCPTimer處理TCP數據包的重發等功能，調用每個接口的Input函數接收到達的數據包。Timer函數必須在短時間(一般為20ms)內被調用一次，否則接收數據包和TCP定時等功能將停止。 如圖4所示，程序主流程是一個大循環，在循環中處理發送數據包等應用層協議的同時，查詢變量bTimeOut，在定時中斷中將bTimerOut設置為真。應用層在程序流程中反復查詢bTimerOut是否為真，若為真則調用Timer()，然后設置bTimerOut為假。 在使用嵌入式操作系統時，還要注意網絡設備驅動函數被重入的問題。以NE2K的以太網卡為例，拷貝數據包到網卡緩存前要先設置寄存器(如起始地址)。如果設置完寄存器以后中斷發生且放重入。則寄存器的設置被修改，中斷返回以后拷貝將出錯。 2.3 嵌入式TCP／IP運行速度優化 TCP／IP發送過程中主要的運算量集中在3部分：應用程序將數據拷貝到RAM；計算TCP校驗和；將RAM中的數據包拷貝到網絡設備的發送緩沖區。對于每個字節數據，兩次拷貝大致共使用12×2=24個指令周期；計算TCP校驗和使用16個指令周期。采用12MHz晶振，最高網絡傳輸速度為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。Reentrant類型的函數比一般函數速度要慢很多，但某些時候為了程序結構的需要必須使用Reentrant，這就需要在速度和結構之間作一個選擇。選擇的方法有：使用“指定存儲類型”的指針(memoryr-specific pointer)；精簡協議棧去除運算量大但是用處不大的功能，目前TCP定時重發時間是固定的，也沒有擁塞窗口控制和IP層路由；防止數據包不必要的拷貝；優化計算校驗和與內存拷貝函數。 3 TCP／IP的嵌入式實現 TCP／IP協議實現一般以軟件方式嵌人到ROM中，然后通過網絡通信技術與專用嵌入式網關連接，運行TCP／IP協議，并提供TCP／IP到用戶的輕型網絡的連接和路由功能。 3.1 內存管理方法和無多余數據包拷貝的實現 嵌入式TCP/IP的內存管理可用鏈表方法，即根據數據包大小分配相應大小的內存塊。如圖5所示，鏈表將內存塊鏈接起來，used字段表示該內存塊是否正在使用，pStart和pEnd表示數據部分有效數據的開始地址和結束地址。 分配時，搜索內存鏈表找到一個沒有分配的比所需空間大的內存塊，截取所需的大小。該內存塊被截取以后可能還有較多剩余，這時將剩余部分從原內存塊中分離出來，成為一個新的內存塊，并插入鏈表。釋放時，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。以防止內存分片。在協議層之間傳送數據包只要傳送內存塊的起始地址即可。這種內存管理方法空間浪費小，但運算量相對較大。 3.2 整序、重發與窗口控制的實現 使用隊列緩存的方式來實現整序、重發和窗口控制。隊列的一個元素指向一個數據包，隊列的最大長度沒有限制。 對于整序，使用ooSeq隊列，如果發現接收的TCP包序號并不是希望的，但序號在接收窗口內，此時不能立刻接收這個包也不應丟棄，先將這個包放入ooSeq隊列。當一個希望的TCP包被接收以后，再查看ooseq隊列現在是否有TCP包成為了希望的數據包，如果有則將其取出并處理。 對于重發，使用unacked隊列，每個需要被應答的TCP數據包發送以后都要放入unacked隊列，直到被應答后才從隊列中刪除。TCP重發定時只針對unacked隊列第一個TCP包。如果定時超出，則重新發送；如果重發次數超出規定值，則報錯。 對于窗口控制，使用unsend隊列，如果發現對方的窗口過小無法接收這個數據包，則只發送部分數據，將多余部分放入unsend隊列，等待對方發來TCP包通知新的窗口大小時，再次判斷是否可以發送。在unsend隊列不為空的情況下，須發送的數據包都應插入unsend隊列。 3.3 捎帶應答的實現 捎帶應答是指，當對方一個需要應答的TCP包到達時，不馬上給予應答，而是等待一段較短的時間。如果在這段時間內有數據發送，則會捎帶給予應答，從而減少了包的發送數量。 若暫時沒有數據須發給對方或數據還未準備好，則等待一定的時間；如果在該時間內準備好了數據，則可使用捎帶應答。使用捎帶應答就不可能對每個幀都作確認，可用對某個幀的確認來代替對該幀之前所有幀的確認。 4 總 結 嵌入式系統中大量存在的是8/16位低速處理器，在進行Internet接入時，由于本身資源的限制，很難實現完整的TCP/IP協議。本文從既實現相應的功能又節省系統資源角度出發，對協議進行有針對性的模塊化裁剪和優化設計，可以在單片機ARM上嵌入TCP/IP協議簇實現嵌入式Internet接入。 經過優化設計的嵌入式TCP/IP，支持套接字形式的多個TCP連接；支持多個網絡設備；支持通過網關發送數據包和數據包轉發功能，響應ping命令；支持TCP包的整序、重發和窗口控制流量控制。實踐證明，這種設計方式靈活，能按用戶需求實現很多復雜的功能。 |
