在TMS320VC5402上实现的嵌入式TCP/IP协议栈

　　摘要：实现一个运行在16位数字信号处理器TMS320VC5402上的小型嵌入式TCP/IP协议栈。对TCP/IP协议中的IP协议、ARP协议、UDP协议进行分析，完成基于TCP/IP协议的嵌入式网络系统。

　　关键词：DSP TMS320VC5402 TCP/IP协议栈 嵌入式系统

　　引言

　　随着嵌入式系统应用范围的不断扩展及网络应用的日益普及，使得越来越多的嵌入式系统需要支持网络功能。TCP/IP是目前一种被广泛采用的网络协议。TCP/IP是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，已成为事实上最常用的网络标准之一。本文对TCP/IP协议中的IP协议、ARP协议和UDP协议进行了分析，利用DSP的专用汇编语言实现了自己的通信协议。由此可使DSP直接对Ethernet发来的数据包解分析，并能按照TCP/IP协议正确打包和发送，最终实现DSP与PC机的数据通信，成功地完成了语音数据的采集和发送，实现了DSP与PC机的语音数据传输。

　　1 TCP/IP协议分析

　　一般在嵌入式系统中实现的TCP/IP协议都是面向数据采集和传输的，所以大部分实现都是IP协议、ARP协议、UDP协议或者是TCP协议。本文完成的是IP协议、ARP协议和UDP协议。一般认为TCP/IP为四层协议，实现的协议栈结构如图1所示。

　　DSP程序自下而上实现以下协议：

　　①媒介访问控制MAC（Media Access Control），向以太网收发数据。传送的数据格式为Ethernet数据帧格式。Ethernet帧的长度是可变的，但都大于64字节，小于1518字节。它包括头部、数据和尾部三部分。8字节的前导用于帧同步，CRC域用于帧校验。目的地址和源端地址是指网卡的物理地址（MAC地址），具有唯一性。

　　②地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol），使得物理地址和IP地址可以对应起来。在Ethernet上，使用地址解析协议ARP协议来实现IP地址到MAC地址的动态转换。ARP Request(ARP请求)和ARP Response(ARP响应)类型都是0X0806。ARP报文格式包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作字段、源端物理地址、源端IP地址、目的物理地址和目的IP地址。

　　③Internet网核心协议IP（Internet Protocol），实现IP网络上的数据传输的基础。IP协议提供了一种高效、不可靠和无连接的传输方式。IP报文是IP协议的基本处理单元，是由报头和数据两部分组成的。IP报头包括20字节的固定部分和变长的选项部分。20字节的固定部分包括IP协议的版本号、IP首部长度、服务类型、报文总长度、标识符、片偏移、报文生存时间、首部校验和以及源端IP地址和目的端IP地址。

④用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol），提供不可靠的数据传输功能。它不对要发送的数据进行缓冲，直接把从应用层收到的数据加上UDP首部发送出去。UDP不会把应用层多、次发送的数据合并成为一个包发送出去。这对于编写简单的请求/响应模式的应用是很方便的，而且利用UDP协议对传输速率也没有太大的影响。UDP协议的数据报格式包括源端口口、目的端口号、数据报长度、UDP校验和以及UDP数据。

　　⑤上层应用协议，对语音数据打包传输，实现DSP与PC机的语音数据传输。

　　2 硬件接口电路

　　硬件接口电路如图2所示。

　　微处理器采用的是TI公司生产的TMS320VC5402数字信号处理器。它采用了改进的哈佛结构，操作速率达到了100MIPS。以太网控制芯片采用RTL8019AS，是台湾Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器。它实现了以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。译码、电平变换及向功能由XC95144xl完成。它是Xilinx公司生产的低功耗CPLD器件。HR61001G是中山汉仁电子有限公司生产的10BASE-T接口器件，起低通滤波和隔离变压等作用。

　　3 软件设计

　　3．1 DSP上嵌入式TCP/IP协议的汇编程序设计

　　由于DSP的资源有限，所以网络协议根据嵌入式应用进行了裁减。本设计中完成了ARP、IP、UDP等部分协议，既能够保证DSP接入以太网，又使DSP资源能够满足嵌入式系统应用的要求。

　　首先介绍一下所设计的DSP接收和发送以太网数据包所使用的数据结构。作者选择了联合体结构作为DSP接收和发送以太网数据包的缓冲区。联合体允许大小和类型不同的定义临时存储在同一存储器空间。这样的好处是各层协议之间数据的传递，实质上是数据指针在传递，而不是数据拷贝传递。而且各层协议可以直接使用该缓冲区，因为缓冲区内的结构体完全是按照各个协议的帧格式设计的。在联合体databuf中有四个结构体成员—ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt，分别对应着以太网数据帧、IP协议、UDP协议、ARP协议的帧格式。这4个结构体成员是按照它们各自协议的帧格式进行定义的。值得注意的是，因为databuf中存储的是RTL8019AS发送的以太网数据帧，联合体的成员共用databuf缓冲区，所以在各个结构体中要预留低层协议报头存储空间。例如，IP协议的结构体ippkt就要在结构体定义中留下ethernetpkt报头的存储空间，即ippkt定义中前9个整型空间不能使用，从第10个整型空间开始才是IP数据报的内容。

　　下面分4层介绍所完成的嵌入式TCP/IP协议。

　　①物理层：主要完成以太网控制器RTL8019AS的复位，寄存器的初始化，并设置RTL8019AS的工作方式、中断响应、DMA通道接收缓冲区的地址设置等。

　　初始化程序如下：

　　WRITE 0x21,CR /*设置命令寄存器，选中第0页*/

　　WRITE 0x4c,PSTART/*页起始地址寄存器初始化，设定接收缓冲区起始页地址*/

　　WRITE 0x80,PSTOP /*页停止地址寄存器初始化，设定接收缓冲区终止页地址*/

　　WRITE 0x4c,BNRY

　　/*页边界地址寄存器初始化，设定从接收缓冲区读取数据的位置，读指针*/

　　WRITE 0x40,TPSR /*发送页地址寄存器初始化，设定发送缓冲区的起始页地址*/

　　WRITE 0xcc,RCR

　　/*接收配置寄存器初始化，使用接收缓冲区，仅接收自己地址的数据包、广播地址数据包和多点播地址包，小于64字节的包丢弃，校验错的数据包不接收*/

　　WRITE 0xe0,TCR

　　/*传输配置寄存器初始化，启用CRC自动生成和自动校验，工作在正常模式*/

　　WRITE 0xc9,DCR

　　/*数据配置寄存器初始化，使用FIFO缓存，工作在正常模式，DMA传输数据16位宽*/

　　WRITE 0x01,IMR /*中断屏蔽寄存器初始化，使能数据包正确接收中断*/

　　WRITE 0xff,ISR /*复位中断状态寄存器*/

　　WRITE 0x61,CR /*设置命令寄存器，选中第1页*/

　　WRITE 0x4d,CURR

　　/*当前页地址寄存器初始化，指向当前正在写的页的下一页，写指针*/

　　其中WRITE为宏指令，其定义如下：

　　WRITE .macrodata,reg

　　ST data,*(net_reg)

　　PORTW *(net_reg),reg

　　RPT #(20-1)

　　NOP

　　.endm

　　②网络层：主要实现IP协议和ARP协议。当DSP接收到正确的以太网数据包以后，调用check_packet函数处理。如果是ARP请求，则发送一个ARP应答；如果是ARP应答，则把对方的IP地址和以太网地址放到ARP缓存中；如果是IP包，则调用IP处理模块处理，接收数据。

　　check_packe函数如下：

　　arp: CMPM *(databuf.ethernetpkt.protocol),#0x0608

　　;判断协议类型是否为ARP协议

　　BC ip,NTC

　　CALL arp_process ;调用ARP协议处理模块

　　ST #taskfree,*(task);设置空闲任务指针

　　B taskfree ;跳转到空闲任务

　　Ip: CMPM *(databuf.ethernet.protocol),#0x0008；判断协议类型是否为IP协议

　　CC ip_process,TC ;若为IP协议，调用IP协议处理模块

　　ST #taskfree,*(task) ;设置空闲任务指针

　　B taskfree ；跳转到空闲任务

　　arp_process:接收ARP请求后，封装好ARP数据报，调用send_packet函数完成发送。在本设计中，DSP工作复位时，ARP协议发送一个ARP请求，发送自己的IP地址和物理地址给PC机。

　　ip_process:接收IP数据报后，判断协议 ，协议如果为17，即是UDP协议，则调用函数udp_process，处理UDP数据报，否则丢弃该数据报。在本设计中，正确接收一帧数据报后，会给PC机一个应答信息，通知PC机已经正确接收了数据报，可以继续发送数据。应答信息的封装首先调用create_udp_packet完成对应答信息的UDP协议的封装，然后调用create_ip_packet函数，这个函数完成了把封装好的UDP数据报再封装成IP数据报。最后调用send_packet函数完成发送。

　　③传输层：如果IP数据报中的协议类型为17，则为UDP数据报，需要调用udp_process函数处理数据报。正确接收了数据后，给发送一个应答信息，上面已经提到了具体过程，这里不再复述了。这里介绍一下UDP协议的一个难点—UDP数据的和校验。UDP和校验要求加上UDP伪首部以后再进行校验，伪首部格式包括32位源IP地址、32位目的IP地址、8位数据0、8位协议和16位UDP数据长度。作者根据接收缓冲区的内存管理特点，即接收缓冲区的成员结构共用同一块数据存储区，所以将IP协议的帧头从生存时间开始到帧头结束封装成UDP伪首部。其实这样做，只需将8位生存时间改为全0，16位首部和改为UDP数据长度即可，8位的协议、32位源IP地址和32位的目的IP地址不用改动。作UDP和校验的时候，从IP协议帧头的报文生存时间开始到IP数据报的数据部分结束作带进位的相加，最后比较对和校验就可以了。

　　④应用层：由于传输的是语音数据，将采集的数据经过A律压缩放到DSP数据缓冲区databuf中，应用TCP/IIP协议将其发送给PC机。将PC机发送来的语音数据A律压缩通过DSP的多通道缓冲串行口发送给声卡。对于语音数据的处理，交给PC机完成，这里只实现数据的传输。

　　注：TCP/IP协议源码见网站 www.dpj.com.cn 。

　　3．2 PC机上的应用程序设计

　　使用的VB编程，利用Winsock控件完成语音数据的接收。这方面有很多例子可以借鉴，所以就不作太多的介绍。

　　结语

　　目前，基于DSP的嵌入式以太网的多媒体应用越来越受到广泛的关注和应用，而且基于TCP/IP协议的嵌入式网络系统已经成功地应用到了语音传输、远程图像控制和数据传输中。其便于操作、传输速度快等优点，受到了有关专家的一致好评。本文利用数字信号处理器DSP和RTL8019AS完成了嵌入式智能设备接入以大网，成功实现了应用嵌入式网络系统完成语音数据传输的功能。

作者：哈尔滨工业大学 曲延滨 冯立国 苏健勇 来源：单片机及嵌入式系统应用