嵌入式网络终端报文收发机制研究与实现

1、 引言
计算机网络技术迅猛发展，几乎延伸到各个领域，已经成为很多嵌入式系统的重要功能组件[1]，并且衍生出新型终端，如IP电话、IPTV等。在嵌入式网络终端系统中，网络报文的收发依靠协议栈完成，其功能集中在传输层、网络层和链路层。通常的报文接收机制是在链路层以上建立接收任务，通过查询物理层的通信状态或者由物理层中断触发[2]，来接收网络数据。这两种方式都有一定的缺陷。查询方式，就是接收任务按照某种规则检查底层是否收到新数据，简单可靠，但由于网络通信是一种随机的离散事件，查询方式可能对处理器资源造成严重浪费，加大通信延时。中断方式相对灵活，延时固定，但在程序中引入了更多的上下文切换，在复杂度和可靠性上略有不足。本文提出一种中断与查询结合使用的方法，通过实践，表明这套收发机制具有高效、稳定、可靠的优点。
2、 收发机制
本文的目标是充分利用嵌入式系统的处理器和存储器资源，保证网络终端报文收发的实时性和吞吐量。本系统按图1的基本架构实现网络通信，由三层功能模块和两级缓存构成一条接收通道和一条发送通道。上层是系统应用程序。底层负责物理链路上的数据收发。中层由协议栈和网络接口适配器驱动负责上层和底层的数据交互。有两级缓存，上层与中层之间的二级缓存用于网络报文的封装和解析；中层与底层之间的一级缓存分为接收缓存和发送缓存，采用环行结构，作用是解决终端与网络之间异步问题。接收过程分为三个阶段，主要工作在RX2阶段；发送过程分为两个阶段，上层和中层属于同一阶段(TX2)。原因是发送过程是主动过程，由高层发起并控制低层完成，而接收过程中低层先得到数据，但只能等待而不能控制高层的响应。通常物理层、媒体访问控制(MAC)和一级缓存可以使用网络接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 实现，NIC能独立完成物理链路上的报文收发。

2、1接收流程

本系统中，网络报文接收过程RX2阶段如图2。初始状态下，打开接收中断A和一级缓冲溢出中断B。若物理层收到一帧或多帧数据，就存入一级接收缓存，并向处理器发出中断请求。系统将会执行相应中断程序，检查一级接收缓存是否溢出。如果溢出，就对其复位,并回到初始状态。否则，关闭中断A、B，向协议栈的接收任务发出一次接收通知。接收任务每次收到该通知，就从一级缓存取出一帧数据，保存到二级缓存，并按照网络协议进行处理后转交上层，之后，检查一级缓存内是否仍有新数据。如果没有，就清除中断A的有效状态，然后重新打开中断A、B。如果有，就直接进入下轮接收过程。如此，一次突发过程中如果网络中有多帧数据到达终端，能够直接由上层一一接收，而不需一次次中断。
2、2发送流程
本系统报文发送过程TX2阶段如图3，实现方式与接收不同，无专门任务负责发送功能，而是由协议栈提供一套统一接口，上层应用程序借此发送数据。首先在二级缓存中形成网络报文，然后检查一级缓存中发送缓存，待其可用，将数据从二级缓存复制到一级缓存，启动发送。之后，NIC通常能够自动完成余下的物理层发送工作。此刻，系统主动查询接收通道的工作状态。如果发生中断A或B，就触发软中断。于是，构成一种多点随机查询机制。 [p]
本系统中，报文接收流程本是一种被动方式，相对查询方式，软硬件设计复杂度高，实用中很可能由于软硬件缺陷导致可靠性问题。采用这种中断结合多点随机查询的办法，既克服了周期性查询的效率低、实时性差的缺点，又消除了完全被动接收的不可靠性。
3实现
根据上文提出的收发机制，建立一个实验终端系统，检查实际性能。
3、1系统硬件平台
本系统核心采用LSI403LP定点数字信号处理器，时钟频率150MHz，最高速率600MIPS。具有外部指令和数据存储器接口，类存储器外设接口，三种接口共享地址、数据总线和读写等控制信号，但具有各自的片选信号，而且可以单独配置，兼容不同访问时序。
本系统的NIC选用RTL8019AS[4]。该NIC支持ISA总线，可直接按存储器方式访问，支持10BASE-T，有16KBytes片内SRAM，可作为一级缓存，其中14KB作为接收缓存，2KB作为发送缓存。

本系统的以太网接口模块电路如图4。8019的JP引脚接高电平，将8019设置在jumper工作模式。此模式下，8019的部分功能由跳线开关来设定，软件控制使用NE2000寄存器组。LSI403LP对8019的一个访问周期即PCS0N的一个有效周期，可通过403的寄存器设置为403时钟周期的整数倍。
3、2系统软件设计

本系统软件架构如图5，网络通信流程按照上文描述设计。本系统基于单DSP，采用uC/OS-II 嵌入式实时操作系统。uC/OS-II采用基于优先级的抢占式多任务内核，最高优先级任务一旦就绪就必须抢占处理器[3]，任务级响应时间可预知，对实时通信应用非常重要。
本系统中存在一个网络接收任务和多个网络发送任务，NIC作为它们的共享资源，利用一个信号量来进行资源分配，以确保这几个任务不会同时访问NIC，导致NIC故障。
4实验结果
将一台PC作为主机与一台实验终端通过10Base-T以太网直接连通，不通过任何中间节点，进行以下测试，考察本系统以太网接口的性能。
4、1中断频率
主机向实验终端发送100字节的ICMP回传请求报文，发送10万次，发送速率约8330次/秒，占用带宽约7.0Mbps。实验终端收到ICMP报文并且解析正确则是一次成功接收，但并不响应。LSI403与8019采用不同通信带宽，实验结果如表1。

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表1说明，在终端内部，随着上层与一级缓存通信速率的降低，接收中断次数大大减少，报文丢失数有一定增加，但收到的报文数远高于中断次数。说明本系统的接收机制，能够有效减少中断和任务切换对处理器资源的消耗，弥补上层与一级缓存通信速率的不足。表1中第6种配置下，有大量数据包丢失，原因是403外部总线通信速率略高，数据传输出错。
总线通信速率低，与处理器速度慢或者协议栈效率低对网络报文接收性能的影响是一致的，因此，这些都能够采用本系统的接收机制来获得较大的改善。
4、2带宽
采用表1中第5种配置，测试环境与中断频率测试相同，ICMP回传请求报文长度分别为60和1514字节。主机配置是2.4GHz奔4处理器，256MDDR内存，RTL8139快速网卡，按0ms间隔(即最高速度)发送数据。测试结果如表2。本系统两种情况下的吞吐量分别可以达到5.77Mbps和9.55Mbps，说明本系统对网络带宽具有很高的使用效率。

4、3冲击测试
计算机网络中，各个节点都可能遭到大量数据冲击，导致发生故障，甚至无法自动恢复。为检测本系统抗冲击能力，主机向实验终端连续地发送长度74字节的ICMP回送请求报文。相同带宽下，数据包长度越小，收发频率越高，通信节点负担也就越大。测试过程中，实验终端只运行uC/OS-II操作系统和协议栈相关任务，以及一个用户任务(每秒钟向主机发送一个报文)。主机发送报文频率约每毫秒10次，占用带宽约786KBytes/s。经过3000万次冲击，终端仍在按1秒间隔发送报文，并且主机仍能收到终端的ICMP回送。测试结果表明，本系统能够为实际应用提供很好的稳定性保障。

5、结束语
本文针对嵌入式网络终端，提出了一种中断结合多点随机查询的网络报文收发机制并进行实践。通过这种机制既获得了很高的报文接收速率，同时大大降低了系统的中断切换、查询、任务切换等负担，而且具有很好的稳定性和可靠性。本文的成果已经在一种基于LSI403LP的单DSP网络电话终端方案中运用，在通信速度、丢报率、稳定性各方面收到令人满意的效果。