摘? 要: 介紹嵌入式TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協議在低速處理器中的一種簡化實現方案,并成功應用于某分布式監控系統" title="監控系統">監控系統中。?
關鍵詞: TCP/IP協議? 嵌入式? ARM
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在網絡應用日益普遍的今天,越來越多的嵌入式設備實現Internet網絡化。TCP/IP協議是一種目前被廣泛采用的網絡協議。嵌入式Internet的技術核心是在嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統中部分或完整地實現TCP/IP協議。由于TCP/IP協議比較復雜,而目前嵌入式系統中大量應用低速處理器,受內存和速度限制,有必要將TCP/IP協議簡化。
1 TCP/IP協議的實現?
嵌入式TCP/IP協議一般實現:ARP/RARP、IP、ICMP、TCP、UDP、HTTP、SMTP、FTP、TELNET等協議,協議處理的主要流程如圖1所示。?
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1.1 TCP協議的實現?
工業控制領域傳輸層采用TCP協議、不用UDP協議,是考慮到實時監控系統中傳輸量并不大,而可靠性要求較高TCP協議是面向連接的、端對端的可靠通信協議。它采用了許多機制來保證可靠傳輸,應用于嵌入式系統顯得過于復雜。 ?
??? TCP協議數據傳輸可分為三個階段:建立連接、傳輸數據和斷開連接。它的實現過程可以用狀態機來描述。建立連接有兩種方法,即主動打開和被動打開。服務器端是一種被動打開,它一直在偵聽連接請求;而客戶端" title="客戶端">客戶端是一種主動打開,它發送連接請求以建立連接。研究發現,如果TCP層的上層實現服務器端的應用,可以將標準TCP狀態機建立連接過程中客戶端建立連接的狀態機部分簡化掉。同理,如果應用是基于客戶端的,可以將服務器端建立連接的狀態機部分簡化掉。斷開連接有兩種方式:一是主動斷開連接;另一是被動斷開連接。被動斷開連接的處理較為簡單,但標準TCP協議的主動斷開連接的狀態機部分過于復雜。經過實驗發現,在需要主動斷開連接的時候,發送一個Fin數據報;接收到對Fin數據報的確認后,再發送一個Reset數據報,即可順利完成一次主動斷開連接。?
??? 標準的TCP協議使用慢啟動的滑動窗口機制。滑動窗口是一種在流量控制和網絡傳輸效率之間折中的方案。它允許發送方在等待一個確認之前發送多個窗口,其確認是一種批量的確認。研究滑動窗口協議發現,滑動窗口的一個極限情況,是只使用單個窗口,就變成了一種簡單確認的處理方法。使用該方法后,所有的處理只是對單個數據報的發送和確認,節約了系統的資源,也使維護更加方便。為了協議的兼容性,需要通信的另一方也使用簡單確認方法。因為如果對方使用較大的窗口,就可能造成處理器被淹沒。這個問題可以通過設置待發送數據報的TCP頭部的Windows字段的大小解決。?
??? 在上述基礎上,簡化實現TCP協議的流程圖如圖2所示。其中“不同狀態的相應處理”指根據接收到的TCP報文準備待發送數據報并將其發送到以太網上。這部分根據TCP所處的不同狀態,所做的處理是不一樣的。?
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1.2 IP協議?
IP協議是TCP/IP的基礎,為不同網絡的主機之間發送數據報的操作序列提供無連接服務。通過在數據報前添加IP協議頭,使每個數據報具有尋址能力。嵌入式系統只把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,解析出協議類型字段,由此交給相應的高層協議處理。發送IP包時,將緩沖區內的源地址與目的地址互換,設置校驗和,然后交給下層協議處理。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,而在嵌入式系統里根本無法容納如此大的數據包,因此一般不支持分段傳輸。所以限制MCU發送和接收數據包的方式以避免分段傳輸,從而減少程序復雜度。?
1.3 其它協議?
ARP協議為32位IP地址到對應的48位以太網地址之間提供動態映射。嵌入式系統中僅響應ARP請求,發送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太幀、目的以太網地址為全1的廣播地址。本機收到后,由目的IP地址發現自己是目的主機,發送一個ARP回答。ICMP通過IP協議傳輸其報文。IP協議是無連接的,它無法將報文和錯誤信息傳到最初的主機,ICMP將狀態信息和錯誤信息發送到發報文的主機。?
2 前端設備的系統設計?????? ?
??? TCP/IP協議擴展到工業控制級,將企業內部計算機網絡應用于工業現場實時信息的發布和顯示,通過Internet瀏覽器對現場工業信息進行動態監視。下面是筆者在某公司一分布式監控系統中的應用實例。基于TCP/IP協議的前端設備系統軟件結構如圖3。前端嵌入式設備處理器是Samsung公司的S3C4510B(ARM核)。該芯片是用在基于以太網系統的高性價比、高性能的16/32位RISC微控制器。通信部分采用BNC接口方式,信號輸出經耦合隔離變壓器由RJ45接頭聯入集線器,此外還設計了液晶顯示和鍵盤輸入當地接口功能。
在TCP/IP協議中多處用到超時和重發機制。這種機制對于確保兩個或多個彼此獨立的通信結點從通信錯誤或故障狀態自動恢復到正常狀態是非常有效的,但也增加了軟件結構的復雜性。因為對超時的處理通常獨立于正常程序流程,也就是與正常的程序流程異步。要實現的TCP/IP協議軟件中有四處要用到定時器:第一是在ARP高速緩存的維護中,被添加到ARP高速緩存中的表項在一段時間后要置為無效;第二是在等待對發出的ARP請求返回響應時,可能會在指定的超時時間內還未收到返回的響應;第三是在IP組裝收到分片時,由于部分分片在一定時間內沒有收到而丟棄整個IP包;第四是在TCP等待接收方對數據段的確認時。如果在指定時間內還未收到對某個數據段的確認,需重新發送。從上述可見,要實現的定時器具備以下特點:?
??? ·對定時的精度要求都不是很高,基本都是秒級的精度。這樣,完全可以稍滯后一些來處理定時器超時,不把超時處理放在時鐘中斷處理程序中。?
??? ·對同一類超時處理可以由同一處理程序來完成,只是傳入到相應的處理程序中的參數不同而已。例如一個ARP高速緩存中的表項超時時,需要將其置為無效,可以統一用一個處理程序,參數中放入相應的表項地址即可。?
首先,定義一定時器的數據結構,如圖4所示。每一類超時都是由一個超時控制塊和其所屬的一個由超時事件項組成的鏈表" title="鏈表">鏈表管理。整個鏈表按超時事件將要發生的時間順序排列,先發生的超時事件排列在前。超時控制塊中的head_ptr用以指向一個超時事件項鏈表的首項;timeout_process是超時事件發生時處理程序的入口地址。在每個超時事件項中,next_ptr指向鏈表中的下一項;relative_time是本表項的超時事件相對于上一表項的超時事件發生的相對時間。所以某個表項表示的超時事件距離當前的時間是它以前所有表項(包括自身)中的relative_time的和。relative_time的基本單位是granularity。?
??? 定時器任務使用一個信號量作同步。信號量有兩個變量:count和waiting_task。count對事件計數,當count大于0時,表示有count個事件發生并等待處理;當count小于0時,表示有某個任務在等待事件的發生,此時waitint_task保存相應任務控制塊的地址。信號量有兩個操作:sem_up和sem_down。sem_up首先使count加1,然后看count是否為0,若為0表示有任務在等待,通過waiting_task中記錄的任務控制塊的地址把等待任務的狀態設為就緒,否則返回。sem_down首先使count減1然后看count是否小于0,若小于0會使當前任務成為等待狀態并引發任務管理器對任務的調度,否則返回。?
??? 每當時鐘中斷服務程序計數到granularity個時鐘中斷,給定時器任務使用的信號燈作sem_up操作。當定時器任務被調度執行時,它遍歷每一個超時控制塊,對每一個超時控制塊作如圖5所示的處理,最后對信號燈調用sem_down。?
參考文獻?
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[2] Douglas E.comer，David L.Stevens 著,張娟,王海譯.用TCP/IP進行網際互聯.北京:電子工業出版社,1998?
[3] Samsung Electrionics. S3C510B User Manual,2000?