《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM微處理器TCP/IP協(xié)議棧LwlP實(shí)現(xiàn)
國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)
蘇勇輝 華東電子測(cè)量?jī)x器研究所
摘要: 本通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由以下幾個(gè)部分組成:S3C2410主CPU芯片控制嵌入式外圍設(shè)備的存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)試、顯示等操作;DSP和FPGA負(fù)責(zé)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理;CS8900A負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā);其他部分還包括串口RS232的通信、LCD的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH和SDRAM以及其他硬件控制等。本硬件通信平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。
關(guān)鍵詞: ARM TCP/IP協(xié)議 S3C2410
Abstract:
Key words :


0 引 言
    隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合,越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)化,支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),已成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。而目前嵌入式系統(tǒng)中大量應(yīng)用低速處理器,受內(nèi)存和速度限制,實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議較為困難,LwIP作為較為成熟的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧受到了廣泛的應(yīng)用。


1 硬件平臺(tái)
    本通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由以下幾個(gè)部分組成:S3C2410主CPU芯片控制嵌入式外圍設(shè)備的存儲(chǔ)、通信、保護(hù)、調(diào)試、顯示等操作;DSP和FPGA負(fù)責(zé)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理;CS8900A負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā);其他部分還包括串口RS232的通信、LCD的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH和SDRAM以及其他硬件控制等。本硬件通信平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。

    嵌入式操作系統(tǒng)選用的是μcosⅡ,μcosⅡ作為目前市場(chǎng)上最小的嵌入式操作系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,提供任務(wù)問(wèn)通信、同步使用的信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列;具有良好的可裁剪性。


2 TCP/IP協(xié)議棧LwIP的移植
    LwIP由幾個(gè)模塊組成,除TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模塊外(IP,ICMP,UDP,TCP),還有包括許多相關(guān)支持模塊。這些支持模塊包括:操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)及一組Internet校驗(yàn)和計(jì)算函數(shù)。緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)等大部分模塊LwIP都已經(jīng)獨(dú)立出來(lái),在移植的過(guò)程中不需要改動(dòng),我們只需要實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層以及底層硬件驅(qū)動(dòng)就可以正常工作。
    操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是為了方便LwIP的移植,它在底層操作系統(tǒng)μcosⅡ和LwIP之間提供了一個(gè)接口。這樣,我們?cè)谝浦睱wIP到一個(gè)新的目標(biāo)系統(tǒng)時(shí),只需修改這個(gè)接口即可。操作系統(tǒng)模擬層需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)量操作函數(shù)、郵箱操作函數(shù)和線程操作函數(shù)三類。
    為支持操作系統(tǒng)模擬層,還需要完成與CPU或編譯器相關(guān)的定義,如數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、字的高低位順序等,這些應(yīng)該與實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ時(shí)相一致。另外需要注意的是由于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能由不同的體系結(jié)構(gòu)的CPU組成,其字節(jié)順序可能有兩種方式:Little-endian順序和Big-endian順序。需要注意字節(jié)順序的相互匹配。


3 底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的框架LwIP已經(jīng)為我們實(shí)現(xiàn)了絕大部分(如圖2所示),我們只需要在作者設(shè)計(jì)好的框架中完成與底層硬件相關(guān)的部分即可。即我們只需要實(shí)現(xiàn)與硬件相關(guān)的網(wǎng)卡初始化函數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收函數(shù)。

    本文所采用的底層網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900A是C IRRU SLO G IC公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器,功能強(qiáng)大。突出特點(diǎn)是使用靈活,其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整,通過(guò)內(nèi)部寄存器的設(shè)置來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。它的主要特點(diǎn)是符合IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn);片內(nèi)帶有4K字節(jié)的RAM來(lái)存儲(chǔ)發(fā)送和接收數(shù)據(jù);與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊方式有I/O模式、Memory模式和DMA模式,在電路設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況靈活選擇;帶有傳送、接收低通濾波的10Base2T連接端口;支持10Base2,10Base5和10Base2F的AU I接口;自動(dòng)生成報(bào)頭,自動(dòng)進(jìn)行CRC檢驗(yàn),沖突后自動(dòng)重發(fā);全雙工和半雙工可選模式。
    CS8900A初始化部分的主要內(nèi)容如下:
    ·軟件復(fù)位,并檢查復(fù)位完成標(biāo)志是否置位;
    ·設(shè)定Memory工作模式,使其4K內(nèi)存地址映射到主機(jī)內(nèi)存中;
    ·設(shè)定臨時(shí)使用的以太網(wǎng)物理地址,真實(shí)地址需要向權(quán)威機(jī)構(gòu)申請(qǐng);
    ·設(shè)定接收幀的類型,至少要能接收廣播;
    ·確定數(shù)據(jù)的傳送方向,一般設(shè)為全雙工方式;
    ·中斷使能允許;
    ·使能接收中斷;
    ·確定CS8900A的中斷管腳號(hào),根據(jù)硬件線路使用情況來(lái)確定;
    ·接收發(fā)送使能。
    其中需要說(shuō)明的是由于TCP/IP通信非常頻繁,在arm中接收發(fā)送數(shù)據(jù)采用中斷模式占用資源太多,因此本文采用的是查詢方式,也可以保證數(shù)據(jù)的基本通信。

    CS8900A的數(shù)據(jù)發(fā)送基本流程如下:在收到由主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)后,偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙,它就等到線路空閑為止,否則,立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。發(fā)送過(guò)程中,首先,它添加以太網(wǎng)幀頭(包括先導(dǎo)字段和幀開(kāi)始標(biāo)志),然后,生成CRC校驗(yàn)碼,最后,將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖3所示。
    數(shù)據(jù)接收時(shí),它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過(guò)解碼、去掉幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟后緩存在片內(nèi)。在CRC校驗(yàn)通過(guò)后,它會(huì)根據(jù)初始化配置情況,通知主機(jī)CS8900A收到了數(shù)據(jù)幀,然后傳到主機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)中。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4所示。

4 上層Socket基本通信實(shí)現(xiàn)
    LwIP已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分的Socket網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù),我們要實(shí)現(xiàn)Socket,的基本通信,只需要在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)用其Socket網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的客戶機(jī)/服務(wù)器模式即可。儀器作為服務(wù)器方,主機(jī)作為客戶機(jī)進(jìn)行連接。實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖5所示,發(fā)送程控命令FREQ 300,返回FREQ 300.000000MHzOK表示設(shè)置成功。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)已經(jīng)在場(chǎng)強(qiáng)儀AV3942中使用,能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,實(shí)踐證明,該系統(tǒng)簡(jiǎn)便實(shí)用,能夠方便、靈活的實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的互聯(lián)。

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