TCP/IP協(xié)議棧在嵌入式芯片上的實現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種在Atmega128芯片上嵌入TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法，整個協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，可以很方便的移植到不同芯片上。
關(guān)鍵詞：TCP/IP；嵌入式系統(tǒng)；8019AS；Atmega128

引言
對于嵌入式系統(tǒng)而言，考慮到TCP/IP協(xié)議的復(fù)雜性以及嵌入式系統(tǒng)自身資源的有限，對TCP/IP的實現(xiàn)并不是一件容易的事情。在一些特殊場合，比如要求實時性或者數(shù)據(jù)的安全性，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議時還需要特別加以考慮。下面以ATMEL公司的mega128芯片為硬件平臺，具體談?wù)凾CP/IP協(xié)議的實現(xiàn)。

ATmega128芯片的特點
Atmega128是ATMEL公司推出的一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的8位微控制器芯片。通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega128可以取得1MIPS/MHz的性能。此外，該芯片還具有比較豐富的片上資源。而最大可外擴的64K數(shù)據(jù)存儲器可以使得有充裕的空間來處理以太數(shù)據(jù)包。
本方案只外擴32K RAM，剩余的高地址空間留給網(wǎng)卡芯片。網(wǎng)卡芯片主要功能是在物理層進(jìn)行以太數(shù)據(jù)包的收發(fā)，以及在鏈路層進(jìn)行信號的編/解碼。本方案網(wǎng)卡芯片選用RTL8019AS，它是針對PC機的ISA總線設(shè)計的。硬件接口電路圖詳見圖1所示。

硬件接口電路設(shè)計
在圖1中，數(shù)據(jù)線與地址線均采用總線方式：8位數(shù)據(jù)線和16位地址線。PA口8位端口為復(fù)用AD端口，需要接一個地址鎖存器。讀數(shù)據(jù)時，D[0：7]數(shù)據(jù)直接送到Atmega128；寫數(shù)據(jù)時，D[0：7]送到RTL8019AS。Atmega128與RTL8019AS同時復(fù)位，RESET端口經(jīng)74HC04反相后接RTL8019AS的RSTDRV引腳。IOCS16腳的電平一直為低。8019采用8位數(shù)據(jù)總線寬度(高電平時為16位總線方式)。INT0中斷腳經(jīng)電平轉(zhuǎn)換接到Atmega128的IRQ5。在程序中，以I/O方式訪問RTL8019AS。MEMR、MEMW接高電平時關(guān)閉其MEMORY方式。
Atmega128對8019AS的驅(qū)動主要是通過操縱8019AS內(nèi)部寄存器來完成的，這些寄存器映射在Atmega128的I/O端口上。因此，對8019AS的操作也既是對Atmega128的I/O端口操作。設(shè)計時可以將這些I/O地址定位到300H~31FH。由于Atmega128外擴了32K的RAM，所以這里存在片選的問題?？紤]到網(wǎng)卡芯片8019AS地址線的高15位是固定不變的，可以利用Atmega128的地址線的最高位A15來進(jìn)行片選：當(dāng)A15=1時，選中8019AS；當(dāng)A15=0時，選中24C256。
8019AS網(wǎng)絡(luò)接口控制器提供了三種與系統(tǒng)主CPU的接口方式：跳線方式、PnP方式，以及RT方式。為了減少硬件資源，更直接地控制芯片，將8019AS的65腳“JP”接高電平，選擇跳線方式。

軟件模塊的設(shè)計
網(wǎng)卡芯片8019AS的驅(qū)動
在具體設(shè)計實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧之前，還要解決一個問題：對8019AS的驅(qū)動。從程序員的角度看，8019AS工作流程并不復(fù)雜。簡而言之就是8019AS完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動完成。因此，驅(qū)動程序需要完成的任務(wù)主要是：芯片初始化、收包、發(fā)包。本方案在協(xié)議棧中通過設(shè)計三個子函數(shù)來分別完成上述三個任務(wù)，8019Init (void)、8019SendProc (unsigned char TaskNo)、8019 ReceiveProc(void)。
如前所述，對8019AS的操作實際上是通過操縱其內(nèi)部寄存器以及DMA端口來實現(xiàn)的。因此在程序?qū)崿F(xiàn)中，大量地出現(xiàn)了對8019AS內(nèi)部寄存器的讀寫操作。所以可以定義2個帶參數(shù)的宏來簡化對8019AS的操作。reg表示8019AS內(nèi)部寄存器的偏移量，date是將被寫入的數(shù)據(jù)，如下所示：
#define  nic_read (reg)       *(base + (reg) )
#define  nic_write (reg, date)  *(base + (reg)) = date
TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議族是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。根據(jù)協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，本方案安排四個協(xié)議模塊來分別實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的不同功能。即除了數(shù)據(jù)鏈路層(物理層)的程序模塊，也即前面所述8019AS的驅(qū)動模塊之外，還包括ARP層模塊、IP層模塊、ICMP層模塊以及TCP層模塊。當(dāng)然，還可以多增加一個應(yīng)用層的模塊，例如HTTP模塊。下面逐一介紹各個協(xié)議模塊的功能。
ARP模塊
ARP模塊完成的主要功能是將一個IP地址與其物理地址關(guān)聯(lián)起來。同時，為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和效率，避免在每次發(fā)送數(shù)據(jù)時都要發(fā)送ARP請求包來獲得目的MAC地址，還要維護(hù)一個常用的ARP高速緩存。這些功能可以由兩個函數(shù)來實現(xiàn)。ARPReceive Proc用于處理來自網(wǎng)絡(luò)的ARP請求和ARP響應(yīng)；ARPSendProc用于發(fā)送ARP請求包來尋找對應(yīng)于IP地址的物理地址。
IP模塊
IP協(xié)議的主要功能是使數(shù)據(jù)包可以分片發(fā)往任何網(wǎng)絡(luò)，而且也能正確接收。分別由兩個函數(shù)完成。IPReceiveProc負(fù)責(zé)處理收到的IP數(shù)據(jù)包，如果是一個分片的包，它還負(fù)責(zé)組裝，最后根據(jù)IP包頭字段的內(nèi)容，將IP數(shù)據(jù)傳遞到上層協(xié)議模塊；IPSendProc負(fù)責(zé)將上層送下來的、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包添加一個IP包頭，然后重新封裝起來發(fā)送下去。
ICMP模塊
由于IP協(xié)議沒有差錯報告和差錯糾正機制，ICMP協(xié)議與IP協(xié)議配合使用彌補了上述兩個缺點。為了使實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議棧具備一定的差錯診斷功能，ICMP模塊實現(xiàn)了對回送請求消息產(chǎn)生一個回送應(yīng)答。通過調(diào)用Ping命令就可以簡單測試主機的可靠性。上述功能分別由ICMPReceiveProc和ICMPSendProc函數(shù)完成。
TCP模塊
在本設(shè)計的協(xié)議棧中，通過一個有限狀態(tài)機來實現(xiàn)TCP協(xié)議，用一個任務(wù)控制塊(TCB)來記錄客戶和服務(wù)器的連接信息。雖然TCP協(xié)議是整個協(xié)議棧中最復(fù)雜的一個協(xié)議，但是對外面的接口還是只有兩個：TCPReceiveProc和TCPSendProc函數(shù)。
TCP/IP協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度
通過對以上各層協(xié)議任務(wù)的分析，可以抽象出它們共同的特點。TCP/IP協(xié)議的每個模塊只完成相應(yīng)協(xié)議的任務(wù)，而任務(wù)通常只有兩個：對底層送上來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，以及將上層傳下來的數(shù)據(jù)包再進(jìn)行本層的封裝，然后繼續(xù)交下去。所以無論ARP、IP、ICMP、TCP哪一個協(xié)議，它們每一層對外都只有兩個接口：收數(shù)據(jù)包、發(fā)數(shù)據(jù)包。
為了最大限度的模塊化程序設(shè)計，便于日后的移植，可以采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思路來具體實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議?？紤]到支持多用戶以及多任務(wù)，首先在Atmega128的外部32K RAM內(nèi)開辟若干個數(shù)據(jù)(任務(wù))緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小以能放入一個最大以太數(shù)據(jù)包為準(zhǔn)，即1514個字節(jié)。以后需要處理的所有數(shù)據(jù)包都放在這些緩沖區(qū)內(nèi)，各個緩沖區(qū)根據(jù)內(nèi)部存入的不同類型數(shù)據(jù)包來設(shè)置緩沖區(qū)的標(biāo)志。上面各協(xié)議層接口函數(shù)內(nèi)的參數(shù)TaskNo就表示當(dāng)前數(shù)據(jù)包所在的緩沖區(qū)號。
整個程序的處理流程如下：收數(shù)據(jù)時，8019AS不斷將以太數(shù)據(jù)包從物理層收上來放入事先開辟好的任一個緩沖區(qū)內(nèi)，作為一個待處理的任務(wù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭信息標(biāo)志此任務(wù)為ARP收任務(wù)或IP收任務(wù)。主程序掃描各個緩沖區(qū)，如發(fā)現(xiàn)有IP收數(shù)據(jù)包(任務(wù))需要處理，于是根據(jù)任務(wù)的類型(IP收)調(diào)用相應(yīng)處理進(jìn)程IPReceiveProc()。處理完成后，將此數(shù)據(jù)包或任務(wù)根據(jù)包頭信息重新標(biāo)志為ICMP收或TCP收。主程序繼續(xù)掃描，再次調(diào)用相應(yīng)協(xié)議模塊處理緩沖區(qū)內(nèi)的任務(wù)如TCPReceiveProc()，直至將數(shù)據(jù)交到最上層的應(yīng)用程序。發(fā)數(shù)據(jù)時，流程與收數(shù)據(jù)過程相反。關(guān)于任務(wù)調(diào)度的程序流程見框圖2。
由于整個協(xié)議棧采用了模塊化的設(shè)計，在具體使用的時候可以根據(jù)需要，很容易地加載相應(yīng)的模塊，完成相應(yīng)的功能。比如可以按照同樣的結(jié)構(gòu)，再加載HTTP模塊，在芯片內(nèi)實現(xiàn)WEB SERVER。同樣，在一些要求實時性的場合，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)包是作為一個任務(wù)來管理的，因此可以很容易地給這些數(shù)據(jù)包(或任務(wù))賦予一個較高的優(yōu)先級，在進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，優(yōu)先處理這些任務(wù)。這樣，在多用戶情況下，對實時性也可以有一定改善。

結(jié)語
實現(xiàn)電子設(shè)備或者系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使之具備網(wǎng)絡(luò)功能，目前的解決方案通常有兩種。除了直接在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議之外，還可以考慮使用專用芯片來完成單片機與網(wǎng)關(guān)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。比如武漢力源公司開發(fā)的Webchip網(wǎng)絡(luò)接口芯片PS-2000。但是專用芯片的使用，不但增加了系統(tǒng)的成本，而且不靈活。當(dāng)然，如果在系統(tǒng)內(nèi)部直接實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，也有自身的缺點。一是需要較大容量的程序存儲器。二是對應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計工程師也具有更高的要求，如必須熟悉TCP/IP協(xié)議及其相關(guān)的接口。且軟件設(shè)計的工作量也較大。所以在實際應(yīng)用中，具體選擇哪一種方案還需要根據(jù)具體情況做出不同的選擇?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 謝希仁譯. Behrouz A. Forouzan & Sophia Chung Fegan． TCP/IP Protocol Suite， 清華大學(xué)出版社，2001．9
2 AVR: Atmega128 DATA SHEET. Atmel Corporation, 2000
3 方捷磊，朱杰．在嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議．微電子學(xué)與計算機. 2002．5