基于arm的嵌入式tcpip協(xié)議棧的實現(xiàn)

1、王原麗等:基于ARM的嵌入式TCP󰃗IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于ARM的嵌入式TCP󰃗IP協(xié)議棧的實現(xiàn)王原麗,王麗(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院湖北武漢430070)摘要:嵌入式系統(tǒng)是一種將底層硬件、實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件相結(jié)合的專用計算機系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)化是嵌入式系統(tǒng)的主要趨勢之一。本文以SamsungS3C44BOX芯片為核心的ARM開發(fā)板作為硬件平臺,以C󰃗OS件平臺,針對C󰃗OSIP協(xié)議棧進行了分析,然后提出了簡化實現(xiàn)一個基于ARM和C󰃗OSII實時操作系統(tǒng)作為軟II內(nèi)核中不支持TCP󰃗IP協(xié)議棧,無法適應(yīng)嵌

2、入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化需要的問題,本文首先對標準的TCP󰃗II的嵌入式TCP󰃗IP協(xié)議棧方案。關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);TCP󰃗IP;ARM;C󰃗OSII內(nèi)核中圖分類號:TN915104文獻標識碼:B文章編號:1004373X(2005)2210403ImplementationofEmbeddedTCP󰃗IPProtocolBasedonARMWANGYuanli,WANGLi(InformationEngineeringCollege,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430070,Chin

3、a)Abstract:Theembeddedsystemisacustomizationcomputingsystemwhichisintegratewithhardware,realtimeoperatingsystemandapplicationsoftware,itisoneofhottrendsmakingtheembeddedsystemnetworking1ThispapermakestheSamsungS344B0XARMboardasthehardwareplatformandC󰃗OSIIsystemassoftwareplatform1Inordertores

4、olvethelackofTCP󰃗IPIIsystem1stackinC󰃗OSIIkernel,thispaperfirstanalyzesstandardTCP󰃗IPstack,thenpresentsasimplifiedschemetoimplementanewembeddedTCP󰃗IPstack,whichisbasedonARMprocessorandC󰃗OSKeywords:embeddedsystem;TCP󰃗IP;ARM;C󰃗OSIIkernel隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)

5、的日益結(jié)合,越來越多的嵌入式設(shè)備實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)化。在嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入TCP󰃗IP協(xié)議棧,以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),已成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。多C󰃗OSII是一種占先式、任務(wù)、移植性強的免費公開源代碼的實時操作系統(tǒng),然而他只是一個實時的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核,系統(tǒng)內(nèi)核本身并沒有集成TCP󰃗IP協(xié)議棧,所以不能滿足嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的需要。為了使基于ARM和C󰃗OSII的嵌入式系統(tǒng)能如以太網(wǎng)協(xié)議(ETH)、光纖分布式數(shù)據(jù)接口協(xié)議(FDDI)、點到點鏈路協(xié)議(PPP)等。這些協(xié)議由硬件(如網(wǎng)絡(luò)適配器)和軟件(如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)

6、動程序)共同實現(xiàn),完成主機與各種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,必須使用外掛的TCP󰃗IP協(xié)議?；蛘吒鶕?jù)硬件平臺和實際應(yīng)用重新設(shè)計實現(xiàn)新的協(xié)議棧。由于TCP󰃗IP協(xié)議比較復(fù)雜,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,實現(xiàn)完整的TCP󰃗IP協(xié)議較為困難,有必要將TCP󰃗IP協(xié)議簡化。1TCP󰃗IP協(xié)議分析計算機網(wǎng)絡(luò)是一個層次結(jié)構(gòu),其各層及其協(xié)議的集合,稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。Internet上使用的參考體系是TCP󰃗IP體系結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖1所示,他包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和主機到網(wǎng)絡(luò)接口4層

7、。最底層為主機到網(wǎng)絡(luò)接口層,他包括多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,收稿日期:20050726圖1TCP󰃗IP體系結(jié)構(gòu)第2層為網(wǎng)絡(luò)層,他只有一個網(wǎng)際協(xié)議(IP)。IP的主要功能是為不同網(wǎng)絡(luò)的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)報的操作序列提供無連接服務(wù)。ARP(地址轉(zhuǎn)換協(xié)議)是IP協(xié)議的一個附屬協(xié)議,他將IP地址轉(zhuǎn)換為這個網(wǎng)絡(luò)的鏈路層地址。ICMP(網(wǎng)際控制報文協(xié)議)總是與IP協(xié)議配置在一起,他運行在IP協(xié)議之上,發(fā)送一些控制信息,幫助Internet處理差錯。第3層為傳輸層,他包括2個主要協(xié)議:傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)。TCP提供一種面向連接的、可行的、有序的字節(jié)流服務(wù)。UDP提供不可行4&

8、#169; 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.的數(shù)據(jù)報傳送信息,并通過校驗和來確保消息的正確性,但他沒有流量控制,也不保證可行的、有序的傳輸。第4層為應(yīng)用層,包含所有應(yīng)用協(xié)議如Telnet(遠程登陸),FTP(文件傳輸),FFTP(普通文件傳輸協(xié)議),SMTP(電子郵件),DNS(域名服務(wù)),HTTP(超文本傳輸協(xié)議)等。TCP IP的層次結(jié)構(gòu)中,各層實現(xiàn)對等層之間通信協(xié)之間提供動態(tài)映射。嵌入式系統(tǒng)中僅響應(yīng)ARP請求,發(fā)送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太幀、目的以太網(wǎng)地址為

9、全1的廣播地址。本機收到后,由目的IP地址發(fā)現(xiàn)自己是目的主機,發(fā)送一個ARP回答。UDP協(xié)議是一種不可靠的傳輸協(xié)議,目前多用于語音和視頻傳輸?shù)攘髅襟w應(yīng)用中,考慮到嵌入式設(shè)備在工業(yè)控制等專用領(lǐng)域中在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖侵匾臄?shù)據(jù)和命令,其傳輸?shù)目尚行钥梢酝ㄟ^TCP協(xié)議來保證,因此裁掉UDP協(xié)議。3嵌入式TCP IP協(xié)議棧的實現(xiàn)311以太網(wǎng)接口協(xié)議該層實現(xiàn)了TCP IP協(xié)議棧與底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序模塊的隔離,使得TCP IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與底層硬件無關(guān)。一方面使得系統(tǒng)移植到其他硬件平臺時只需對底層的中斷控制系統(tǒng)進行修改而不需對TCP IP協(xié)議棧進行修改,減少移植工作量;另一方面使得系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)新功能時只需對TC

10、P IP協(xié)議棧進行修改而不需對底層的中斷控制系統(tǒng)進行修改。該模塊包含以太網(wǎng)初始化、數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送3個函數(shù)。(1)voidEtherDevInit()議,彼此是相互獨立的,上層僅能通過接口知道下層提供的服務(wù),而不知道下層的具體實現(xiàn),因而用戶數(shù)據(jù)是逐層依次復(fù)制給下層完成網(wǎng)絡(luò)通信的。2協(xié)議裁減方案標準的TCP IP協(xié)議棧對計算機處理器、存儲器要求比較高,然而,嵌入式系統(tǒng)的計算資源和存儲資源都非常有限,在這些嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)標準的TCP IP協(xié)議棧將占用大量系統(tǒng)資源,因此嵌入式TCP IP必須進行簡化和優(yōu)化,盡可能做到代碼精簡、降低存儲開銷。211IP協(xié)議IP協(xié)議是TCP IP的基礎(chǔ),為不同網(wǎng)絡(luò)的

11、主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)報的操作序列提供無連接服務(wù)。通過在數(shù)據(jù)報前添加IP協(xié)議頭,使每個數(shù)據(jù)報具有尋址能力。嵌入式系統(tǒng)只把IP作為傳輸工具,進行簡化以完成主要的操作。得到IP包后,檢驗IP頭部的版本、目的地址、校驗和正確否,解析出協(xié)議類型字段,由此交給相應(yīng)的高層協(xié)議處理。發(fā)送IP包時,將緩沖區(qū)內(nèi)的源地址與目的地址互換,設(shè)置校驗和,然后交給下層協(xié)議處理。若不符合要求,則將此包丟棄。IP包最大可以為65kB,可以分段傳輸,而在嵌入式系統(tǒng)里根本無法容納如此大的數(shù)據(jù)包,因此一般不支持分段傳輸,對于分段的功能可以裁減不要。所以限制MCU發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的方式以避免分段傳輸,從而減少程序復(fù)雜度。212ICMP協(xié)議

12、ICMP協(xié)議用于報告在數(shù)據(jù)報過程中的錯誤,IP協(xié)議以太網(wǎng)初始化函數(shù),負責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層、以及下層的物理設(shè)備驅(qū)動程序的初始化,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化。(2)BOOLEtherOutput()以太網(wǎng)發(fā)送函數(shù),根據(jù)上層類型、源MAC地址及目的MAC地址組成以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包,調(diào)用網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)卡控制芯片中。(3)voidEtherInput()以太網(wǎng)接收函數(shù),根據(jù)幀類型字段選擇將該幀交給哪個上層協(xié)議模塊處理。312ARP協(xié)議以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信依賴于硬件MAC地址,因而需要系統(tǒng)實現(xiàn)IP地址到MAC地址的轉(zhuǎn)換功能。ARP協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)上的每個主機動態(tài)地建立一張IP地址和鏈路地址之間的映射表。在協(xié)議中

13、使用結(jié)構(gòu)體SARPEntry來保存地址映射。structSARPEntryIP_ADDRIPAddr;BYTEEtherAddrETHER_ADDR_LEN; 3超時表示該地址無效,將地址映射從表中刪除3 WORDtime;是無連接的,他無法將報文和錯誤信息傳到最初的主機,ICMP將狀態(tài)信息和錯誤信息發(fā)送到發(fā)報文的主機。因此予以采用。213TCP協(xié)議在TCP協(xié)議中采用停止等待算法代替滑動窗口算法。這一方面是由于數(shù)據(jù)量小,對網(wǎng)絡(luò)擁塞不會產(chǎn)生太大影響,從而可以裁減TCP的流量控制功能;另一方面則是因為數(shù)據(jù)量小時,采用停止等待算法的傳輸效率和滑動窗口算法的效率差不多,因此采用簡單停止等待算法代替復(fù)雜

14、的滑動窗口算法,不但減少了實現(xiàn)難度,提高了處理速度,同時取消了TCP發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū),從而減少了占用存儲空間。214其他協(xié)議ARP協(xié)議為32位IP地址到對應(yīng)的48位以太網(wǎng)地址協(xié)議中的函數(shù)聲明如下,注意函數(shù)返回指針作為操作對象,即在協(xié)議內(nèi)部實現(xiàn)零拷貝:voidARPInit()structSMemHeadDATA3ARPQuery()structSMemHeadDATA3ARPInput()voidARPAddEntry(structSARPPacketDATA3ARPPacket)5© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,

15、Ltd. All rights reserved.王原麗等:基于ARM的嵌入式TCP IP協(xié)議棧的實現(xiàn)息,該結(jié)構(gòu)體定義如下:typedefstructSTCBstructSTCBDATA3pNext;BYTETCPState; 3連接標識3 WORDPortScr;WORDPortDest;IP_ADDRIPScr;IP_ADDRIPDest;DWORDSeqMine;3希望接收的數(shù)據(jù)包序列號3DWORDSeqHis;WORDWndMine;WORDWndHis;3重傳計時器3WORDRetranTimer;3重傳次數(shù)3BYTERetrantimes;3是否需要發(fā)送確認分組3BOOLbNeed

16、Ack;3延時確認計時器3WORDDelayAckTimer;3最后確認計時器3WORDLastAckTimer;3回調(diào)函數(shù)3void(CODE3accept)(structSTCBDATA3pNewTCB);void(CODE3recv)(voidDATA3buf,WORDsize)void(CODE3close)(structSTCBDATA3pSocket)socketBOOLARPFind(BYTEEtherAddr,IP_ADDRIPAddr)voidARPTimer()函數(shù)ARPInit()負責(zé)ARP協(xié)議的初始化,當(dāng)進行以太網(wǎng)封裝時,調(diào)用ARPFind()查找本地ARP表,如果表中

17、沒有該記錄,則調(diào)用ARPQuery()函數(shù)發(fā)出ARP請示報文;ARPInput()則對輸入的ARP報文進行處理。ARPAddEntry()負責(zé)對ARP表添加記錄。定時器ARPTimer()負責(zé)對ARP表項的更新工作。定時器每隔一段時間就把表項的ttl減1,當(dāng)值為負時,則將該表項刪除。313IP協(xié)議IP協(xié)議主要完成2個功能。分別是對接收的IP數(shù)據(jù)包首部進行校驗和檢查以及對IP數(shù)據(jù)包進行解析。由于在設(shè)計過程中,對UDP協(xié)議進行了裁減,因此IP層只需要識別以確定是ICMP包還是TCP包,然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型進行相應(yīng)的處理。主要函數(shù)如下:WORDCheckSum(WORDDATA3buff,WORDs

18、ize,DWORDInSum)校驗函數(shù),負責(zé)對IP包頭的首部校驗和進行處理。voidIPInput(structSMemHeadDATA3MemHead)4基于S3C44BOX處理器的ARM硬件平臺對于TCP IP網(wǎng)絡(luò)接入的嵌入式系統(tǒng)的研究,實驗室采用以Samsung公司的S3C44B0X為核心的ARM系統(tǒng)開發(fā)平臺。開發(fā)板上主要配置包括8MBSDRAM,2MBFLASH;輸入輸出設(shè)備包括RART以及串口、以太網(wǎng)口、在USB等。實現(xiàn)TCP IP協(xié)議棧過程中,都存在一個或多個與緊縮結(jié)構(gòu)體相關(guān)的宏。ARM作為32位的處理器,并不支持非對齊字節(jié)的傳輸。一旦C語言中使用了32位的指針操作一個非4字節(jié)對齊

19、的數(shù)據(jù),ARM將陷入一個異常。只要解決4字節(jié)的對齊問題,協(xié)議棧就能在ARM開發(fā)板正常運行。一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的,但是在處理數(shù)據(jù)包的時候一定要在定義struct的時候使用_packed關(guān)鍵字,讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊:#definedefinedefinedefinePACK_PACK_PACK_PACK_STRUCT_FIELD(x)x_attribute_(packed)STRUCT_STRUCT_attribute_(packed)STRUCT_BEGINSTRUCT_ENDIP接收函數(shù),根據(jù)協(xié)議類型,提交上層協(xié)議處理。BOOLIPOutput(st

20、ructSMemHeadDATA3MemHead)IP發(fā)送函數(shù),他包括生成IP報頭,調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送函數(shù)將IP包發(fā)送給以太網(wǎng)接收模塊。314ICMP協(xié)議ICMP協(xié)議主要用于報告在數(shù)據(jù)報過程中的錯誤和傳送控制信息。ICMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)段部分進行傳送,其實現(xiàn)比較單一。使用單一的函數(shù)對ICMP報文進行處理。voidICMPInput(structSMemHeadDATA3MemHead)315TCP協(xié)議傳輸數(shù)TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可分為3個階段:建立連接、據(jù)和斷開連接。他的實現(xiàn)過程可以用狀態(tài)機來描述。建立連接有2種方法:主動打開和被動打開。服務(wù)器端是一種被動打開,他一直在偵聽連接請求;而客戶

21、端是一種主動打開,他發(fā)送連接請求以建立連接。研究發(fā)現(xiàn),如果TCP層的上層實現(xiàn)服務(wù)器端的應(yīng)用,可以將標準TCP狀態(tài)機建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉。同理,如果應(yīng)用是基于客戶端的,可以將服務(wù)器端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉。斷開連接有兩種方式:主動斷開連接和被動斷開連接。被動斷開連接的處理較為簡單,但標準TCP協(xié)議的主動斷開連接的狀態(tài)機部分過于復(fù)雜。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn),在需要主動斷開連接的時候,發(fā)送一個Fin數(shù)據(jù)報;接收到對Fin數(shù)據(jù)報的確認后,再發(fā)送一個Reset數(shù)據(jù)報,即可順利完成一次主動斷開連接。本文定義一個傳輸控制塊STCB來保存TCP的狀態(tài)信65基于C OSII的網(wǎng)絡(luò)平臺C OS

22、II是一種占先式、多任務(wù)、移植性強的免費公開源代碼的實時操作系統(tǒng),內(nèi)核屬于搶占式,最多可以管理60個任務(wù)。目前嵌入式設(shè)備上TCP IP方案有很多種,但面向低端應(yīng)用的開源嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺還較少。C OSII系統(tǒng)內(nèi)核本身沒有集成TCP IP協(xié)議棧。為了使基于ARM和C OSII的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,從而重新設(shè)計實現(xiàn)了上面所講述新的協(xié)議棧。協(xié)議棧實現(xiàn)的過程中對于操作系統(tǒng)應(yīng)注意的2個問題:(下轉(zhuǎn)第9頁)© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.識,更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了使學(xué)生能夠

23、系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本知識,對復(fù)雜實用的外圍接口模塊開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)C OSII和CLinux移植有一個全面的了解,在實驗平臺上設(shè)計了如下實驗內(nèi)容。實驗的第一階段主要要求熟悉軟硬件開發(fā)環(huán)境,熟練使用這些開發(fā)環(huán)境和各種開發(fā)軟件,掌握基本的軟硬件調(diào)試方法,為后面的實驗打下基礎(chǔ)。設(shè)計的主要實驗有:集成開發(fā)環(huán)境使用;簡單的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā);ARM指令的編程。實驗的第二階段主要是基礎(chǔ)技能性實驗,要求扎扎實實掌握嵌入式平臺的軟件調(diào)試,理解嵌入式軟件的程序特點和結(jié)構(gòu)。設(shè)計的主要實驗內(nèi)容有:串行接口通信實驗;鍵盤及LED實驗;LCD驅(qū)動控制實驗;UDP通訊實驗;C OSII1微處理器為核心的

24、、完整的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的實驗體系。學(xué)生不僅能夠系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本知識,而且對復(fù)雜實用的外圍接口模塊開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)移植有一個全面的了解。在實驗內(nèi)容的設(shè)置及ARM7實驗教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)過程中,針對計算機專業(yè)學(xué)生的特點,改進了目前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺的不足,注重他們硬件設(shè)計能力的培養(yǎng),使他們盡快成為一名合格的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才。參考文獻張福炎,俞建新1漫談當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)A12004年全國第五屆嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)交流會論文集C1北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,9:828412周立功1關(guān)于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的建議A12003年全國單操作系統(tǒng)移植實驗;CLinux操作系統(tǒng)移植實驗。

25、實驗的第三階段主要是實用性及針對性極強,代表了當(dāng)今電子應(yīng)用先進主流技術(shù)發(fā)展方向的實驗,使得學(xué)生能盡快地成為市場需要的人才。設(shè)計的主要實驗內(nèi)容有:USB接口電路模塊及軟件設(shè)計;以太網(wǎng)接口電路模塊及片機學(xué)會年會發(fā)言材料12003,10,3朱一成,崔寅鳴,張建功1基于MetroTRK的龍珠嵌入式系統(tǒng)實驗平臺J1實驗技術(shù)與管理,2004,(6):919414田澤1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實驗教程M1北京:北京航空航天大學(xué)出版社,200415北京微芯力科技有限公司1基于ARM的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實軟件設(shè)計;GPRS技術(shù)應(yīng)用實驗;GPS技術(shù)應(yīng)用實驗。4結(jié)語以ARM7實驗教學(xué)系統(tǒng)為硬件平臺,建立了以ARM驗開發(fā)平臺WS701J1中國現(xiàn)代教育裝備,2004,(4)16李曦,周亦男,周學(xué)海1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計系列課程建設(shè)J1教育與現(xiàn)代化,2004,(4):48511作者簡介黃廷輝男,1970年出生,碩士,講師。主要從事操作系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)方向的研究。(上接第6頁)(1)消息6結(jié)語本文首先對標準的TCP