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在TMS320VC5402上實現(xiàn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
摘要：實現(xiàn)一個運行在16位數(shù)字信號處理器TMS320VC5402上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。對TCP/IP協(xié)議中的IP協(xié)議、ARP協(xié)議、UDP協(xié)議進行分析，完成基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)。引言
隨著嵌入式系統(tǒng)應用范圍的不斷擴展及網(wǎng)絡應用的日益普及，使得越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要支持網(wǎng)絡功能。TCP/IP是目前一種被廣泛采用的網(wǎng)絡協(xié)議。TCP/IP是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，已成為事實上最常用的網(wǎng)絡標準之一。本文對TCP/IP協(xié)議中的IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議進行了分析，利用DSP的專用匯編語言實現(xiàn)了自己的通信協(xié)議。由此可使DSP直接對Ethernet發(fā)來的數(shù)據(jù)包解分析，并能按照TCP/IP協(xié)議正確打包和發(fā)送，最終實現(xiàn)DSP與PC機的數(shù)據(jù)通信，成功地完成了語音數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，實現(xiàn)了DSP與PC機的語音數(shù)據(jù)傳輸。
1 TCP/IP協(xié)議分析
一般在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議都是面向數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)�，所以大部分實現(xiàn)都是IP協(xié)議、ARP協(xié)議、UDP協(xié)議或者是TCP協(xié)議。本文完成的是IP協(xié)議、ARP協(xié)議和UDP協(xié)議。一般認為TCP/IP為四層協(xié)議，實現(xiàn)的協(xié)議棧結(jié)構如圖1所示。
DSP程序自下而上實現(xiàn)以下協(xié)議：
①媒介訪問控制MAC（Media Access Control），向以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)。傳送的數(shù)據(jù)格式為Ethernet數(shù)據(jù)幀格式。Ethernet幀的長度是可變的，但都大于64字節(jié)，小于1518字節(jié)。它包括頭部、數(shù)據(jù)和尾部三部分。8字節(jié)的前導用于幀同步，CRC域用于幀校驗。目的地址和源端地址是指網(wǎng)卡的物理地址（MAC地址），具有唯一性。
②地址解析協(xié)議ARP（Address Resolution Protocol），使得物理地址和IP地址可以對應起來。在Ethernet上，使用地址解析協(xié)議ARP協(xié)議來實現(xiàn)IP地址到MAC地址的動態(tài)轉(zhuǎn)換。ARP Request(ARP請求)和ARP Response(ARP響應)類型都是0X0806。ARP報文格式包括硬件類型、協(xié)議類型、硬件地址長度、協(xié)議地址長度、操作字段、源端物理地址、源端IP地址、目的物理地址和目的IP地址。
③Internet網(wǎng)核心協(xié)議IP（Internet Protocol），實現(xiàn)IP網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A。IP協(xié)議提供了一種高效、不可靠和無連接的傳輸方式。IP報文是IP協(xié)議的基本處理單元，是由報頭和數(shù)據(jù)兩部分組成的。IP報頭包括20字節(jié)的固定部分和變長的選項部分。20字節(jié)的固定部分包括IP協(xié)議的版本號、IP首部長度、服務類型、報文總長度、標識符、片偏移、報文生存時間、首部校驗和以及源端IP地址和目的端IP地址。
④用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol），提供不可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能。它不對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行緩沖，直接把從應用層收到的數(shù)據(jù)加上UDP首部發(fā)送出去。UDP不會把應用層多、次發(fā)送的數(shù)據(jù)合并成為一個包發(fā)送出去。這對于編寫簡單的請求/響應模式的應用是很方便的，而且利用UDP協(xié)議對傳輸速率也沒有太大的影響。UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)報格式包括源端口口、目的端口號、數(shù)據(jù)報長度、UDP校驗和以及UDP數(shù)據(jù)。
⑤上層應用協(xié)議，對語音數(shù)據(jù)打包傳輸，實現(xiàn)DSP與PC機的語音數(shù)據(jù)傳輸。
2 硬件接口電路
硬件接口電路如圖2所示。
微處理器采用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5402數(shù)字信號處理器。它采用了改進的哈佛結(jié)構，操作速率達到了100MIPS。以太網(wǎng)控制芯片采用RTL8019AS，是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的一種高度集成的以太網(wǎng)控制器。它實現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。譯碼、電平變換及向功能由XC95144xl完成。它是Xilinx公司生產(chǎn)的低功耗CPLD器件。HR61001G是中山漢仁電子有限公司生產(chǎn)的10BASE-T接口器件，起低通濾波和隔離變壓等作用。
3 軟件設計
3．1 DSP上嵌入式TCP/IP協(xié)議的匯編程序設計
由于DSP的資源有限，所以網(wǎng)絡協(xié)議根據(jù)嵌入式應用進行了裁減。本設計中完成了ARP、IP、UDP等部分協(xié)議，既能夠保證DSP接入以太網(wǎng)，又使DSP資源能夠滿足嵌入式系統(tǒng)應用的要求。
首先介紹一下所設計的DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構。作者選擇了聯(lián)合體結(jié)構作為DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)。聯(lián)合體允許大小和類型不同的定義臨時存儲在同一存儲器空間。這樣的好處是各層協(xié)議之間數(shù)據(jù)的傳遞，實質(zhì)上是數(shù)據(jù)指針在傳遞，而不是數(shù)據(jù)拷貝傳遞。而且各層協(xié)議可以直接使用該緩沖區(qū)，因為緩沖區(qū)內(nèi)的結(jié)構體完全是按照各個協(xié)議的幀格式設計的。在聯(lián)合體databuf中有四個結(jié)構體成員—ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt，分別對應著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀、IP協(xié)議、UDP協(xié)議、ARP協(xié)議的幀格式。這4個結(jié)構體成員是按照它們各自協(xié)議的幀格式進行定義的。值得注意的是，因為databuf中存儲的是RTL8019AS發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，聯(lián)合體的成員共用databuf緩沖區(qū)，所以在各個結(jié)構體中要預留低層協(xié)議報頭存儲空間。例如，IP協(xié)議的結(jié)構體ippkt就要在結(jié)構體定義中留下ethernetpkt報頭的存儲空間，即ippkt定義中前9個整型空間不能使用，從第10個整型空間開始才是IP數(shù)據(jù)報的內(nèi)容。
下面分4層介紹所完成的嵌入式TCP/IP協(xié)議。
①物理層：主要完成以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的復位，寄存器的初始化，并設置RTL8019AS的工作方式、中斷響應、DMA通道接收緩沖區(qū)的地址設置等。
初始化程序如下：
WRITE 0x21,CR /*設置命令寄存器，選中第0頁*/
WRITE 0x4c,PSTART/*頁起始地址寄存器初始化，設定接收緩沖區(qū)起始頁地址*/
WRITE 0x80,PSTOP /*頁停止地址寄存器初始化，設定接收緩沖區(qū)終止頁地址*/
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