基于OMAP平臺的TCP/IP開發(fā)及實現(xiàn)

處理TCP層函數(shù)，判斷接收包的類型，如果是TCP包，則調(diào)用TCP接收函數(shù)，TCP接收函數(shù)用指定條件進行過濾，找到該包所屬的連接或完成一個新連接的被動打開，根據(jù)TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換則完成11種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，并且實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)同時、雙向的傳輸。

TCP的發(fā)送函數(shù)包括主動打開、主動關(guān)閉(由上層調(diào)用完成新連接的主動打開，或主動關(guān)閉一個已建立的連接)和發(fā)送控制包(用于TCP連接的建立與終止，會在TCP接收函數(shù)中調(diào)用，從而實現(xiàn)TCP的轉(zhuǎn)換)三個函數(shù)。

TCP層還實現(xiàn)了兩個定時器，TCP重傳定時器函數(shù)可提供服務(wù)可靠性的有效保障;TCP?；疃〞r器能夠避免資源的浪費。

3.2 程序特點分析

(1)簡單性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP內(nèi)核實現(xiàn)大約有15 000行，而本程序源代碼約有1 400行，更適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

(2)可重用性：本程序分層清晰。對于不同的嵌入式系統(tǒng)，可能使用的CPU和以太網(wǎng)卡不同，這就需要針對其特點的以太網(wǎng)層設(shè)計，而ARP、IP、UDP、TCP則不需要改動。

(3)可拓展性：TCP/IP協(xié)議是底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本程序留有很好的接口，可在其上構(gòu)件更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括H.323協(xié)議、ftp、telnet。

4 在OMAP平臺上的移植

4.1 單片以太網(wǎng)控制器LAN91C96

LAN91C96是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10Mbps以太網(wǎng)控制器，具有性能優(yōu)良，功耗低及尺寸小的特點，如圖4所示。

6KB的RAM：用來存放數(shù)據(jù)包。

MMU：對RAM進行有效管理，為接收和發(fā)送包在RAM中分配存儲空間。

ARBITE：使MMU和RAM與CPU、CSMA很好地連接。

CSMA/CD模塊：集成了IEEE 802.3 MAC層協(xié)議，負責(zé)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)情況和地址過濾。若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數(shù)據(jù)包，否則拋棄。

ENDEC：負責(zé)與10Mbps為以太網(wǎng)物理媒體的連接。

LAN91C96 采用地址映射方式，通過訪問Innovator為的指定地址對其存儲器訪問。LAN91C96的寄存器在Innovator內(nèi)存中的地址分配為：0x08000300-0x0800030F。寄存器共有4組(BANK0-BANK3)，使用相同的地址，通過BANK_SELECT寄存器選擇。

4.2 移植過程

先實現(xiàn)該網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動程序，再用它替換PC模擬器的以太網(wǎng)層，程序驅(qū)動主要包括以下三個部分：

(1)初始化：主要為Lan91C96的各寄存器填入正確的初始值使其正常工作。

(2)接收：如圖5所示，由CSMA(載波偵聽模塊)接收到符合地址要求的后，MMU(存儲器管理單元)為其請求在RAM中分配存儲空間并分配一個編號，DMA 將其存入RAM。接著在接收數(shù)據(jù)的前面封裝STATUS的化COUNT字節(jié)信息，如果CRC檢測正確，則將其編號放入接收FIFO，如果接收FIFO不為空，則RCV_INT(接收中斷標(biāo)識)被設(shè)置。檢查接收中斷寄存器狀態(tài)，如果就接收中斷，對應(yīng)其編號，上層協(xié)議便可以取出數(shù)據(jù)了，取出后，將該數(shù)據(jù)編號從 FIFO中清除。

狀態(tài)字可以從RCR寄存器中讀取，它反應(yīng)了接收過程出現(xiàn)的各種措施，如CRC錯誤、接收幀過長等，數(shù)據(jù)包的編號從FIFO_PORTS寄存器中獲得，而數(shù)據(jù)指針可從POINTER寄存器中獲得，數(shù)據(jù)信息從DATA寄存器中得到，根據(jù)這些信息將接收數(shù)據(jù)包復(fù)制到CPU內(nèi)存，供上層使用，接收函數(shù)的主要流程如圖6。

(3)發(fā)送：圖7描述了發(fā)送數(shù)據(jù)包FIFO中的排隊過程，首先MMU在RAM中分配一定字節(jié)的存儲空間，然后，將分配結(jié)果寄存器中的編號放入PNR 寄存器，寫數(shù)據(jù)指針寄存器POINTER并將上層數(shù)據(jù)封裝后拷入DATA寄存器，根據(jù)其編號放入發(fā)送FIFO，排隊的包將自動發(fā)出，發(fā)出包的編號接著進入發(fā)送完成FIFO。如果發(fā)送成功，則存儲空間自動釋放;否則釋放存儲空間并將其重新排隊。

5 實驗結(jié)果

5.1 內(nèi)存資源占用量

運行該TCP/IP協(xié)議棧需要3MB內(nèi)存，而Innovator體32MB SDRAM 和32MB Flash，內(nèi)存占用率為：3M/64M=4.7%，完全適用于嵌入式系統(tǒng)。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性

TCP 利用以下機制糾錯。數(shù)據(jù)的傳輸過程中的誤碼：檢驗和機制與重傳機制，數(shù)據(jù)的重復(fù)，在接收端會自動舍棄已經(jīng)接收過的數(shù)據(jù)包，并且不發(fā)ACK，故不會發(fā)生一個數(shù)據(jù)包接收多次的情況，數(shù)據(jù)包的丟失，接收端在接收完一段數(shù)據(jù)后，會計算下一個預(yù)期數(shù)據(jù)的序號，如果不符合就不發(fā)ACK，從而導(dǎo)致發(fā)端重發(fā)，避免了數(shù)據(jù)包的丟失，經(jīng)測試，在未發(fā)生擁塞情況下，傳輸?shù)恼`碼率幾乎為0。

5.3文件最大平均傳輸速率

下面就本程序所實現(xiàn)的利用TCP進行文件傳輸功能，給出不同情況下的最大傳輸速率，實驗環(huán)境為10Mbps以太網(wǎng)。

理想狀態(tài)下的理論最大吞吐量：假定發(fā)送方傳輸兩個背對背、滿長度的TCP數(shù)據(jù)，接收方為其發(fā)出兩個ACK，每包中用戶數(shù)據(jù)量為1460位，總數(shù)據(jù)量為1538位，故最大的用戶數(shù)據(jù)吞吐量為：

本實驗測得文件的平均傳輸速率隨著TCP連接數(shù)的增多有如圖8所示的曲線變化，前半段隨著連接數(shù)的增加成線性增長，后半段由于出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞，整體的平均速率反而有所下降。

實驗結(jié)果與理論最大吞吐量有所差距，原因在于：

(1)理論上只是一種理想的狀態(tài)，現(xiàn)實中難以達到。

(2)受CPU處理速度及文件傳輸過程的讀、寫文件操作的限制。

(3)本程序采用的數(shù)據(jù)傳輸機制是當(dāng)收到上一個包的ACK之后再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，這樣避免了對接收數(shù)據(jù)的排序，提高了可靠性，但數(shù)據(jù)的傳輸速度會受到制約。