基于ARM微處理器TCP IP協議棧LwlP實現

0 引 言
??? 隨著嵌入式系統與網絡的日益結合，越來越多的嵌入式設備需要實現Internet網絡化，支持嵌入式設備接入網絡，已成為嵌入式領域重要的研究方向。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，實現完整的TCP／IP協議較為困難，LwIP作為較為成熟的嵌入式TCP／IP協議棧受到了廣泛的應用。

1 硬件平臺
??? 本通信系統的硬件平臺由以下幾個部分組成：S3C2410主CPU芯片控制嵌入式外圍設備的存儲、通信、保護、調試、顯示等操作；DSP和FPGA負責信號數據的采集和處理；CS8900A負責網絡數據的收發(fā)；其他部分還包括串口RS232的通信、LCD的數據顯示、數據存儲FLASH和SDRAM以及其他硬件控制等。本硬件通信平臺的原理框圖如圖1所示。

??? 嵌入式操作系統選用的是μcosⅡ，μcosⅡ作為目前市場上最小的嵌入式操作系統得到了廣泛的應用，提供任務問通信、同步使用的信號量、郵箱和消息隊列；具有良好的可裁剪性。

2 TCP／IP協議棧LwIP的移植
??? LwIP由幾個模塊組成，除TCP／IP協議的實現模塊外(IP，ICMP，UDP，TCP)，還有包括許多相關支持模塊。這些支持模塊包括：操作系統模擬層、緩沖與內存管理子系統、網絡接口函數及一組Internet校驗和計算函數。緩沖與內存管理子系統等大部分模塊LwIP都已經獨立出來，在移植的過程中不需要改動，我們只需要實現操作系統模擬層以及底層硬件驅動就可以正常工作。
??? 操作系統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μcosⅡ和LwIP之間提供了一個接口。這樣，我們在移植LwIP到一個新的目標系統時，只需修改這個接口即可。操作系統模擬層需要實現信號量操作函數、郵箱操作函數和線程操作函數三類。
??? 為支持操作系統模擬層，還需要完成與CPU或編譯器相關的定義，如數據類型、數據長度、字的高低位順序等，這些應該與實現μC／OS-Ⅱ時相一致。另外需要注意的是由于一個網絡可能由不同的體系結構的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 底層網絡驅動的實現
??? 底層網絡驅動的框架LwIP已經為我們實現了絕大部分(如圖2所示)，我們只需要在作者設計好的框架中完成與底層硬件相關的部分即可。即我們只需要實現與硬件相關的網卡初始化函數網絡數據包發(fā)送函數和網絡數據包接收函數。

??? 本文所采用的底層網絡芯片CS8900A是C IRRU SLO G IC公司生產的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網控制器，功能強大。突出特點是使用靈活，其物理層接口、數據傳輸模式和工作模式等都能根據需要而動態(tài)調整，通過內部寄存器的設置來適應不同的應用環(huán)境。它的主要特點是符合IEEE 802．3以太網標準；片內帶有4K字節(jié)的RAM來存儲發(fā)送和接收數據；與主機之間的數據通訊方式有I／O模式、Memory模式和DMA模式，在電路設計時可根據具體情況靈活選擇；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；自動生成報頭，自動進行CRC檢驗，沖突后自動重發(fā)；全雙工和半雙工可選模式。
??? CS8900A初始化部分的主要內容如下：
??? ·軟件復位，并檢查復位完成標志是否置位；
??? ·設定Memory工作模式，使其4K內存地址映射到主機內存中；
??? ·設定臨時使用的以太網物理地址，真實地址需要向權威機構申請；
??? ·設定接收幀的類型，至少要能接收廣播；
??? ·確定數據的傳送方向，一般設為全雙工方式；
??? ·中斷使能允許；
??? ·使能接收中斷；
??? ·確定CS8900A的中斷管腳號，根據硬件線路使用情況來確定；
??? ·接收發(fā)送使能。
??? 其中需要說明的是由于TCP／IP通信非常頻繁，在arm中接收發(fā)送數據采用中斷模式占用資源太多，因此本文采用的是查詢方式，也可以保證數據的基本通信。

??? CS8900A的數據發(fā)送基本流程如下：在收到由主機發(fā)來的數據報后，偵聽網絡線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數據幀。發(fā)送過程中，首先，它添加以太網幀頭(包括先導字段和幀開始標志)，然后，生成CRC校驗碼，最后，將此數據幀發(fā)送到以太網上。數據發(fā)送流程圖如圖3所示。

? 數據接收時，它將從以太網收到的數據幀在經過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后緩存在片內。在CRC校驗通過后，它會根據初始化配置情況，通知主機CS8900A收到了數據幀，然后傳到主機的存儲區(qū)中。數據接收流程圖如圖4所示。

4 上層Socket基本通信實現
??? LwIP已經實現了大部分的Socket網絡連接函數，我們要實現Socket，的基本通信，只需要在此基礎上通過調用其Socket網絡連接函數實現簡單的客戶機／服務器模式即可。儀器作為服務器方，主機作為客戶機進行連接。實現結果如圖5所示，發(fā)送程控命令FREQ 300，返回FREQ 300．000000MHzOK表示設置成功。

5 結束語
??? 本系統已經在場強儀AV3942中使用，能夠通過網絡對其進行遠程控制，實踐證明，該系統簡便實用，能夠方便、靈活的實現各種通信系統的互聯。