??????? 隨著人們對(duì)智能化產(chǎn)品需求的增加，未來的嵌入式產(chǎn)品，包括各種家電、通信、PDA、儀器儀表等設(shè)備正逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化，以共享互聯(lián)網(wǎng)中龐大的信息資源，因而使嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)有廣闊的市場(chǎng)前景。由于嵌入式硬件資源有限，而傳統(tǒng)的TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度的要求較高，所以不能直接應(yīng)用。為此，必須開發(fā)一套適合嵌入式系統(tǒng)的、高度優(yōu)化的、最為精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧。

　　開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP(Open Multimedia Apphcation Platform)是美國德州儀器公司推出的高度集成的軟硬件平臺(tái)。OMAP具有獨(dú)特的雙芯結(jié)構(gòu)，結(jié)合了DSP與RISC內(nèi)核，可為無線多媒體設(shè)備提供獨(dú)一無二的性能和功耗優(yōu)勢(shì)。OMAP可連接十分豐富的外圍設(shè)備，包括USB、攝像頭、聲音設(shè)備、視頻設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。OMAP擁有開放式體系結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用環(huán)境完全可編程。

　　軟件協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在很大程度上決定了通信終端的質(zhì)量。基于OMAP的3G移動(dòng)終端軟件協(xié)議結(jié)構(gòu)由信令協(xié)議棧和應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧組成，如圖l所示。TCP/IP協(xié)議棧位于應(yīng)用業(yè)務(wù)協(xié)議棧的底層，為上層的H.323協(xié)議棧提供基礎(chǔ)與服務(wù)。其性能質(zhì)量將直接決定整個(gè)通信終端軟件系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因此，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，為OMAP系統(tǒng)其設(shè)計(jì)一套高效、簡(jiǎn)潔的TCP/IP協(xié)議，對(duì)其應(yīng)用具有十分重要的意義。

　　1 開發(fā)方案

　　PC上有功能強(qiáng)大的VC平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)分析工具(如Sniffer)便于調(diào)試，其設(shè)計(jì)不針對(duì)任何一個(gè)嵌入式芯片，具有較好的通用性和可移植性。在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議，除了以太網(wǎng)層要結(jié)合OMAP平臺(tái)的網(wǎng)卡硬件重寫外，基本上可以直接移植到OMAP平臺(tái)上，不需要再做大的改動(dòng)。作為一個(gè)通信程序，必然需要兩端程序同時(shí)調(diào)試，在PC機(jī)上編好的程序能對(duì)OMAP平臺(tái)上程序的調(diào)試提供可靠的幫助。因此，協(xié)議開發(fā)采用先模擬再移植、先整體再部分的設(shè)計(jì)思路，而協(xié)議各層實(shí)現(xiàn)的順序?yàn)樽韵露稀＞唧w步驟是：

　　(1)在PC機(jī)的Windows操作系統(tǒng)及VC 6.0開發(fā)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議族的模擬器。該模擬器應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的基本功能，包括以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且實(shí)現(xiàn)的ARP、IP、UDP、TCP層的程序應(yīng)該通用于各種嵌入式系統(tǒng)并可移植。

　　(2)將該模擬器移植到OMAP開發(fā)平臺(tái)，用其以太網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序替換原模擬器的鏈路層程序。在TI提供的CCS平臺(tái)上最終實(shí)現(xiàn)基于OMAP的TCP/IP協(xié)議。

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　　2 開發(fā)平臺(tái)

　　OMAP的多媒體開發(fā)平臺(tái)Innovator主要由4個(gè)模塊組成：PM(處理器模塊)、IM(接口模塊)、EM(擴(kuò)展模塊)、BOB(主連接板)。OMAP處理器在PM上，以太網(wǎng)卡在BOB上。可以通過Innovator上的OMAPl510芯片的ARM教處理器對(duì)單片以太網(wǎng)控制器LAN91C96的工作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀的收發(fā)，并通過CCS對(duì)程序調(diào)試。圖2為OMAP平臺(tái)調(diào)試環(huán)境。

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　　3 在PC上實(shí)現(xiàn)協(xié)議的基本模塊

　　3.1 主要模塊介紹

　　(1)主流程：首先對(duì)TCP/IP協(xié)議族的各層初始化，成功則進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)采用“中斷+循環(huán)”結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單且分層清晰。中斷作為應(yīng)用層發(fā)出命令，調(diào)用下層的入口。對(duì)于接收到的以太網(wǎng)幀，則由下到上分別進(jìn)入各層進(jìn)行處理。協(xié)議實(shí)現(xiàn)主流程如圖3所示。

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?(2)PC上的以太網(wǎng)層：在內(nèi)存中開辟接收和發(fā)送兩個(gè)相同的循環(huán)緩沖區(qū)，用于存放接收和發(fā)送的以太網(wǎng)幀。WinPcap軟件是基于Windows平臺(tái)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包工具，它提供一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)的動(dòng)態(tài)鏈接庫Packet.dll作為標(biāo)準(zhǔn)的API，具有獨(dú)立于操作系統(tǒng)的編程接口。利用其提供的API可直接聯(lián)系網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)與已定義的循環(huán)緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)出，并將網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)。

　　(3)ARP層：在內(nèi)存中開辟一塊循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)域用于存放已知的IP-MAC對(duì)應(yīng)表。該表可以由上層舔加，在接收到ARP應(yīng)答時(shí)會(huì)自動(dòng)添加，也可以由上層清空。處理ARP層函數(shù)的過程為：根據(jù)以太網(wǎng)首部協(xié)議字段過濾出ARP包，針對(duì)ARP請(qǐng)求與ARP應(yīng)答進(jìn)行不同的處理。應(yīng)答對(duì)方的請(qǐng)求，記錄對(duì)方的應(yīng)答。

　　(4)IP層：根據(jù)以太網(wǎng)首部的幀類型標(biāo)志判斷接收到的是不是IP包來處理IP層函數(shù)。如果是，則調(diào)用IP包的接收函數(shù)，對(duì)收到的IP包用各種條件進(jìn)行過濾，對(duì)于滿足條件的包獲取其長度與指針信息供上層使用。本層另一個(gè)主要函數(shù)是IP包發(fā)送函數(shù)，由上層調(diào)用進(jìn)行IP封裝。

　　IP的檢驗(yàn)和僅包括IP首部，長度一般為20字節(jié)(如果沒有選項(xiàng))。在接收端，丟棄檢驗(yàn)和不為0xFFFF的包;在發(fā)送端，將計(jì)算所得值的反碼填入檢驗(yàn)和字節(jié)。由于主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)中高低字節(jié)默認(rèn)的順序不同，在讀寫包中的16位、32位數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先進(jìn)行高低字節(jié)的交換。

　　(5)UDP層：處理UDP層函數(shù)應(yīng)根據(jù)IP首部的協(xié)議字段判斷是否UDP包。如果是，則調(diào)用UDP包接收函數(shù)，用各種條件對(duì)其進(jìn)行過濾，提出UDP數(shù)據(jù)及各種有用信息，根據(jù)端口號(hào)提交給應(yīng)用進(jìn)程處理。本層的另一個(gè)主要函數(shù)是UDP發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)封裝UDP包(包括載入U(xiǎn)DP數(shù)據(jù)，計(jì)算并填入U(xiǎn)DP首部信息)，最后調(diào)用IP發(fā)送函數(shù)，交由IP層處理。

　　(6)TCP層：與UDP不同，TCP主機(jī)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前，必須與對(duì)方建立連接。與幾個(gè)主機(jī)通信，就要建立幾個(gè)連接。然而，若要知道接收到的TCP包屬于哪個(gè)連接且使得幾個(gè)不同的連接之間獨(dú)立工作、互不干擾，則需要定義TCP的控制模塊。這里用一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組實(shí)現(xiàn)，存放所有關(guān)于連接的信息。

　　

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　　處理TCP層函數(shù)，判斷接收包的類型，如果是TCP包.則調(diào)用TCP接收函數(shù)。TCP接收函數(shù)用指定條件進(jìn)行過濾，找到該包所屬的連接或完成一個(gè)新連接的被動(dòng)打開，根據(jù)TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則完成11種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，并且實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)同時(shí)、雙向的傳輸。

　　TCP的發(fā)送函數(shù)包括主動(dòng)打開、主動(dòng)關(guān)閉(由上層調(diào)用完成新連接的主動(dòng)打開，或主動(dòng)關(guān)閉一個(gè)已建立的連接)和發(fā)送控制包(用于TCP連接的建立與終止，會(huì)在TCP接收函數(shù)中調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)TCP狀態(tài)的轉(zhuǎn)換)三個(gè)函數(shù)。

　　TCP層還實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)定時(shí)器。TCP重傳定時(shí)器函數(shù)可提供服務(wù)可靠性的有效保障;TCP保活定時(shí)器能夠避免資源的浪費(fèi)。

　　3.2 程序特點(diǎn)分析

　　(1)簡(jiǎn)單性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP內(nèi)核實(shí)現(xiàn)大約有15000行，而本程序源代碼約有l(wèi)400行，更適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　(2)可重用性：本程序分層清晰。對(duì)于不同的嵌入式系統(tǒng)，可能使用的CPU和以太網(wǎng)卡不同，這就需要針對(duì)其特點(diǎn)的以太網(wǎng)層設(shè)計(jì)，而ARP、IP、UDP、TCP則不需要改動(dòng)。

　　(3)可拓展性：TCP/IP協(xié)議是底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本程序留有很好的接口，可在其上構(gòu)建更高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括H.323協(xié)議、ftp、telnet。