基于IP核的PCI總線接口設(shè)計與實現(xiàn)

嵌入式internet是隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新概念和技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，現(xiàn)已贏得了巨大的市場。隨著internet的發(fā)展，各種設(shè)備都產(chǎn)生了連接性的需求，從冰箱到電表，似乎所有電器需要連入互聯(lián)網(wǎng)。通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴展其功能，以internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互，從而產(chǎn)生了嵌入式internet技術(shù)，要實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，需要實現(xiàn)tcp/ip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，但由于internet上各種通信協(xié)議對計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，使得嵌入式系統(tǒng)協(xié)議棧的開發(fā)實現(xiàn)并不順利。

目前過兩個關(guān)鍵因素影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)，一是性能和效率，二是開發(fā)調(diào)試方便。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)一般只能顧及其中的一個方面。例如在linux、freebsd中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分實現(xiàn)，通常具有較高的通信效率，但是不方便用戶添加實現(xiàn)新的用戶協(xié)議及根據(jù)特殊需要對協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)調(diào)整，同時對協(xié)議代碼的維護、調(diào)試和開發(fā)也不方便，這個缺點在嵌入式領(lǐng)域表現(xiàn)的尤為突出。

由于嵌入式設(shè)備的多樣性和通信需求的多樣性，嵌入式領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)用率非常低。本文將構(gòu)件技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開發(fā)，并在國產(chǎn)和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，很好地解決了開發(fā)與效率的問題。

1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)的car構(gòu)件技術(shù)

1.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)

和欣操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核，服務(wù)動態(tài)加載。內(nèi)核包括硬件驅(qū)動（串口、usb、以太網(wǎng)卡、無線通信模塊）、內(nèi)存管理等系統(tǒng)基本服務(wù)，如圖1所示。tcp/ip協(xié)議棧完全由構(gòu)件實現(xiàn)，是運行在構(gòu)件平臺之上的一個服務(wù)構(gòu)件，底層網(wǎng)卡、串口等設(shè)備得到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)交上層服務(wù)構(gòu)件處理。

和欣嵌入式操作系統(tǒng)是基于構(gòu)件化軟件模型，構(gòu)件化軟件設(shè)計思想貫穿了整個系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)實現(xiàn)本身就是構(gòu)件模式，除內(nèi)核中最底層控制部分外，所有系統(tǒng)功能都以構(gòu)件接口形式提供。另外，操作系統(tǒng)對構(gòu)件化軟件模型提供了必要的運行環(huán)境，來源不同的構(gòu)件可以在該環(huán)境上實現(xiàn)互操作，系統(tǒng)提供了構(gòu)件自動尋址/自動加載機制，用戶不必知道調(diào)用的構(gòu)件程序是本地的還是來自于網(wǎng)上，即構(gòu)件運行環(huán)境對用戶透明。構(gòu)件化系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得操作系統(tǒng)本身具有高度的靈活性和擴展性。和欣采用了car構(gòu)件技術(shù)。

1.2 car構(gòu)件技術(shù)

car構(gòu)件技術(shù)是在總結(jié)面向?qū)ο缶幊獭⒚嫦驑?gòu)件編程技術(shù)的發(fā)展歷史和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，為更好地支持面向以web服務(wù)為代表的下一帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開發(fā)而發(fā)明的。car（component assembly runtime）構(gòu)件技術(shù)定義了一套網(wǎng)絡(luò)編程時代的構(gòu)件編程模型和編程規(guī)范，它規(guī)定了一組構(gòu)件間相互調(diào)用的標準，使二進制構(gòu)件可自描述并能夠在運行時動態(tài)鏈接。

car構(gòu)件技術(shù)通過二進制的封裝及動態(tài)鏈接技術(shù)解決軟件的動態(tài)升級和軟件的動態(tài)替換問題，面向構(gòu)件技術(shù)對一組類的組合進行封裝，并代表完成一個或多個功能的特定服務(wù)，同時為用戶提供多個接口。整個構(gòu)件隱藏了具體的實現(xiàn)，只用接口提供服務(wù)。這樣，在不同層次上，構(gòu)件均可以將底層多個邏輯組合成高層次上粒度更大的新構(gòu)件，構(gòu)件之間通過約定的接口進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，構(gòu)件的位置相互透明，可以在同一個或不同的用戶進程空間、不同的機器設(shè)置不同的構(gòu)件上用不同的語言編寫，只要其符合事先約定的構(gòu)件規(guī)范。

2 和欣操作系統(tǒng)上的tcp/ip協(xié)議棧的特點與實現(xiàn)

2.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)上tcp/ip協(xié)議棧的特點

由于嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得tcp/ip協(xié)議的嵌入式實現(xiàn)與其在通用操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大不同。首先，由于嵌入式處理器的時鐘頻率低，地址、數(shù)據(jù)總線窄，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)對一個通用ip包的處理要花費更多的處理機時間，從而影響其他任務(wù)的執(zhí)行，因此需要對龐大的復(fù)雜的tcp/ip協(xié)議棧進行裁剪，使之具有簡單、高效的特點同時在設(shè)計嵌入式tcp/ip協(xié)議棧時要合理控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運行時候盡可能短；同時把那些無實時性要求和費時的工作移到主程序中執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行，具體來說，就是把tcp/ip協(xié)議的處理工作放到主程序中對網(wǎng)絡(luò)接口的控制芯片采用循環(huán)查詢方式，在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理tcp/ip協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)時間換取系統(tǒng)的可靠性，再者由于嵌入式的系統(tǒng)的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾kb字節(jié)的緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)包，并且其存儲空間固定，不是動態(tài)分配的。因此，遇到大數(shù)據(jù)包時就會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的錯誤。通常，嵌入式系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)包類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等，這些包容量較小，由實時數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包比較長，但可以通過設(shè)計格式加以控制。

和欣操作系統(tǒng)是基于微內(nèi)核的操作系統(tǒng)， 其上的tcp/ip協(xié)議棧既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內(nèi)核態(tài)度，具有通用接口和方便的框架，方便用戶開發(fā)適合自己領(lǐng)域或特殊需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，因為和欣操作系統(tǒng)提供了高效的進程上下文切換功能和進程間通信，所以整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為一個用戶態(tài)進程提供服務(wù)。使用前先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件實例，然后向操作系統(tǒng)注冊服務(wù)。此后用戶就可以使用網(wǎng)絡(luò)編程接口了，如果用戶對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有更高的效率要求，則可以將該協(xié)議棧加載到內(nèi)核態(tài)。

2.2 和欣嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip的實現(xiàn)

根據(jù)和欣嵌入式tcp/ip協(xié)議堆棧的特點，在實現(xiàn)嵌入式tcp/ip協(xié)議棧時只需要用到下述四個基本協(xié)議：tcp協(xié)議、icmp協(xié)議、ip協(xié)議、arp協(xié)議。其余的鏈路層協(xié)議如ppp協(xié)議需要在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧下面的設(shè)備驅(qū)動程序中實現(xiàn)；而像http、ftp這樣的應(yīng)用層協(xié)議則要在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧上面的應(yīng)用層中實現(xiàn)。

2.2.1 地址轉(zhuǎn)化協(xié)議arp

arp協(xié)議為ip地址和以太網(wǎng)mac地址建立一個映射表。這個協(xié)議對于以太網(wǎng)的tcp/ip協(xié)議的操作是必不可少的。為了節(jié)省空間，一個ip地址的arp請求覆蓋即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包，該arp請求就是因為要發(fā)送這個包而發(fā)送的。這種方法在假設(shè)上層會重發(fā)被覆蓋的數(shù)據(jù)時采用。每隔十秒鐘，表就會刷新一次，舊的記錄被丟棄，在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，記錄的有效時間為1秒。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ip

在嵌入式tcp/ip中，ip協(xié)議執(zhí)行兩項功能：（1）封裝來自上層的tcp數(shù)據(jù)包或icmp數(shù)據(jù)包，計算ip數(shù)據(jù)包的檢驗和；（2）解析ip緩存中的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包的協(xié)議字段，以判斷該數(shù)據(jù)包應(yīng)該交給icmp協(xié)議還是tcp協(xié)議處理。基于嵌入式web服務(wù)器與客戶端通信的信息量很小，數(shù)據(jù)包的大小不會超過鏈路層的mtu（最大傳輸單元），嵌入式ip沒有引入數(shù)據(jù)包分片和重組功能，標準的ip協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數(shù)據(jù)包，嵌入式ip中為了減少代碼規(guī)模，未引入選路功能。

2.2.3 網(wǎng)際控制報文協(xié)議icmp

在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，只處理一種icmp消息類型：icmp回送消息。icmp回復(fù)消息經(jīng)常被用來調(diào)用ping程序測試對方主機是否在線。在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，icmp回送消息用一種十分簡單的方式實現(xiàn)，即將icmp類型的字段由"echo"類型改變?yōu)?echo reply"類型。改變ip首部的ip地址，將數(shù)據(jù)包送回發(fā)送者。

2.2.4 傳輸控制協(xié)議tcp

tcp協(xié)議是面向連接的、端到端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制保證傳輸可靠性，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復(fù)雜。在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，為了減少存儲空間的占用，沒有進入發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的可靠窗口機制；通常，嵌入式web服務(wù)器處于被動服務(wù)狀態(tài)，所以可以將標準tcp有線狀態(tài)機的主動創(chuàng)建連接的syn sent狀態(tài)、主動關(guān)閉連接的fin wait1、fin wait2、closing、time wait狀態(tài)裁剪。設(shè)計中還去掉了listening狀態(tài)，使它在closed狀態(tài)下就處于偵聽狀態(tài)，監(jiān)聽客戶端的鏈接請求，這樣避免了主動或被動打開及關(guān)閉的操作，使嵌入式tcp/ip協(xié)議棧更精簡，嵌入式tcp/ip中到達tcp段的數(shù)據(jù)不被緩存，應(yīng)用程序必須立即處理它。當然，這并不阻止應(yīng)用層緩存數(shù)據(jù)。每次連接在發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法同時處理多于一個的tcp段，tcp協(xié)議的實現(xiàn)原理比較復(fù)雜，在嵌入式tcp/ip協(xié)議中，實現(xiàn)tcp協(xié)議是一個最關(guān)鍵的問題。

2.2.5 構(gòu)件化的協(xié)議棧

采用構(gòu)件化方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的關(guān)鍵是：

（1）如何劃分構(gòu)件的粒度。需要根據(jù)用戶的需要解決定，如果用戶是開發(fā)一個新的協(xié)議棧，可以采用大粒度的構(gòu)件劃分方式（如圖2所示），即把整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧作為一個大的構(gòu)件，繼承預(yù)先定義的構(gòu)件。

（2）如何設(shè)計構(gòu)件接口。要實現(xiàn)（1）所提到的構(gòu)件的自由替換，必須設(shè)計良好的構(gòu)件接口。所有的構(gòu)件實現(xiàn)應(yīng)該繼承該接口。設(shè)計接口的原則是盡量保持接口的通用性和簡潔性。當有新的功能添加時，可以通過繼承實現(xiàn)新的接口方便地加入原有的框架，從而實現(xiàn)軟件的無縫升級。

（3）提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率。一個高效的通信協(xié)議需要滿足：1）上下文切換和定時器的輕型完成；2）多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面；3）在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，核心層和用戶層之間有高效的緩沖機制，避免不必要的拷貝。

如果操作系統(tǒng)提供了快捷的上下文切換及高效的進程間的通信，則整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧便可以作為一個用戶態(tài)進程對用戶進程提供服務(wù)，如果進程上下文切換比較復(fù)雜，則整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可以作為動態(tài)鏈接庫鏈入用戶進程地址空間，但需要對多進程共享的數(shù)據(jù)加鎖，進行同步訪問控制。另外一種選擇是將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧裝入內(nèi)核空間，也可以避免頻繁的進程上下文切換帶來的系統(tǒng)開銷。

因為采用了通用的socket編程接口作為最終提供給用戶使用的接口，從而使多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面。同時，在采用細粒度構(gòu)件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精細構(gòu)造的統(tǒng)一接口，為了避免大量數(shù)據(jù)的拷貝，需要設(shè)計良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時采取"共享內(nèi)存"的方法。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層次間盡量以指針方式傳遞數(shù)據(jù)。

構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧具有以下優(yōu)點：

（1）針對不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，能最大限度地利用領(lǐng)域相關(guān)知識進行調(diào)整，提高了性能。

（2）底層構(gòu)件可以在不影響頂層使用的情況下進行修改。

（3）方便用戶添加及開發(fā)調(diào)試新的協(xié)議。

該文采用上海科泰公司的car構(gòu)件技術(shù)在和欣操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了一個構(gòu)件化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)件既可以加載在內(nèi)核態(tài)，也可以加載到用戶態(tài)，方便開發(fā)調(diào)試，有利于開發(fā)新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其他開發(fā)者采用構(gòu)件的方法開發(fā)出了高效或者針對某特定領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可以方便地替換和欣操作系統(tǒng)上原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。使用構(gòu)件化的方法開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構(gòu)件的操作系統(tǒng)上。