基于TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)通信方案設(shè)計研究

張小寒

（湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衡陽 421002）

TCP/IP協(xié)議棧嵌入系統(tǒng)，其實就是一種服務(wù)于某種專用場合的計算機系統(tǒng)，其融入了現(xiàn)代的通信技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等，從軟件到硬件雙向設(shè)計協(xié)調(diào)，提高系統(tǒng)的通信性能，滿足辦公場合對于計算機系統(tǒng)的安全性、可靠性和功能性需求。

該嵌入式系統(tǒng)的工作原理與PC機的基本工作系統(tǒng)比較相似，具有較高的自動化水平，其在信息接收和傳達方面具有較快的反應(yīng)速度，并且其軟件的體積非常小，能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)的需求，并且具有實時性。綜合TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)，其主要展現(xiàn)出以下特征：從系統(tǒng)的精簡性來講，該款系統(tǒng)對于應(yīng)用軟件及其系統(tǒng)軟件所設(shè)定的界限并不明顯，甚至比較模糊，因此，其在進行功能設(shè)計的過程中，主要是為了達到系統(tǒng)的簡潔和使用[1]。

1 TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計

在了解了該嵌入式系統(tǒng)的特點和功能以后，筆者將展開對通信系統(tǒng)的設(shè)計。

為了實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)的通信功能，其必須先考慮該系統(tǒng)硬件的體積及其功耗問題。主體系統(tǒng)設(shè)計時，選擇的CPU型號為s3C44BOX，并且確定實時時鐘，設(shè)定該系統(tǒng)的功能模塊。具體模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通信方案硬件系統(tǒng)設(shè)計功能模塊

從圖1的結(jié)構(gòu)可以看出，本設(shè)計的主體系統(tǒng)涉及的功能模塊很多，筆者將對其主要模塊進行介紹。

首先是網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計。本次選擇的RTL8019As芯片，其控制器為MAC，其與物理層接口工頭構(gòu)成了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]。本次接口設(shè)計將實現(xiàn)物理編碼子層功能、雙絞線物理媒體子層功能以及雙絞線媒體訪問單元功能等。在RTL8019As發(fā)出信號后，型號為RJ45的接收器將會接收到信號，并且將其傳輸?shù)降矫襟w中。

2 TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計方面，TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)注重對操作系統(tǒng)和LWIP協(xié)議的設(shè)計。

從操作系統(tǒng)的角度來講，本次設(shè)計要實現(xiàn)UCOs-Ⅱ的移植。本系統(tǒng)將會連接多個外部的監(jiān)控設(shè)備，因此對軟件系統(tǒng)的實時性具有較高的要求，軟件系統(tǒng)需要能夠在同一時間內(nèi)處理多個任務(wù)，因此，本次選擇UCOs-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)作為主要的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌娜蝿?wù)進行響應(yīng)，并且其處理器本身對于資源的要求不高，該系統(tǒng)又屬于免費系統(tǒng)。在軟件系統(tǒng)的設(shè)計中，要想完成對UCOs-Ⅱ系統(tǒng)移植，其處理器需要能夠重新輸入代碼，并且利用C語言實現(xiàn)代碼輸入的中斷。如果系統(tǒng)的處理器支持中斷，人們就能夠通過設(shè)計來實現(xiàn)定時中斷[3]。本系統(tǒng)的處理器需要具有容納硬件堆棧的功能，其將部分堆棧指針和處理器讀寫到內(nèi)存中，形成指令，從而實現(xiàn)相關(guān)代碼的修改。例如，本方案選擇的編譯器為arm-elf-gcc，那么本次對數(shù)據(jù)的定義則為：

typedef ynsigned char BOOLEAN;

typedef ynsigned char TNT8N;

typedef ynsigned char INT8s;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16s;

typedef unsigned long INT32U;

typedef singned long INT32s;

typedef float FP32;

typedef double FP64.

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，本次選擇了LWIP。主要原因是該協(xié)議棧能夠支持多個網(wǎng)絡(luò)接口的IP轉(zhuǎn)發(fā)，能夠快速回復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的TCP協(xié)議。也就是說，該種協(xié)議棧具有較高的應(yīng)用性能，選擇該協(xié)議棧，也就相當于提升了該程序的應(yīng)用性。

在LWIP協(xié)議棧中，分層思想起到了關(guān)鍵性的作用。為了將不同的協(xié)議劃分為不同的模塊，向外提供服務(wù)訪問點，人們必須利用分層思想，它能夠幫助LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)該功能。TCP處理信號的過程如圖2所示，該流程充分展現(xiàn)了LWIP協(xié)議棧對于通信信息的處理能力。其中，TCP在發(fā)送數(shù)據(jù)時會利用tcp_write()來進行信息的檢查，而在接收數(shù)據(jù)時，其將會通過驅(qū)動程序?qū)⒔邮盏降木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳達給ip_input()。

圖2 TCP發(fā)送與接收邏輯圖

3 結(jié)論

本文主要對TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)的通信方案進行設(shè)計，選擇了型號為s3C44BOX的ARM處理器，并且通過對硬件及軟件的雙重設(shè)計，成功實現(xiàn)了對多功能、實時性操作系統(tǒng)UCOs-Ⅱ的移植，完成對嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計，最終選擇了TCP/IP協(xié)議棧LWIP。實踐表明，本設(shè)計具有一定的穩(wěn)定性，未來設(shè)計將逐漸朝安全性、實用性等方向靠攏。