基于ARM的嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ＡＲＰ協(xié)議為３２位ＩＰ地址到對(duì)應(yīng)的４８位以太網(wǎng)地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。嵌入式系統(tǒng)中僅響應(yīng)ＡＲＰ請(qǐng)求，發(fā)送ＡＲＰ回答包。請(qǐng)求者廣播出包含ＡＲＰ請(qǐng)求的以太幀、目的以太網(wǎng)地址為全１的廣播地址。本機(jī)收到后，由目的ＩＰ地址發(fā)現(xiàn)自己是目的主機(jī)，發(fā)送一個(gè)ＡＲＰ回答。ＩＣＭＰ通過(guò)ＩＰ協(xié)議傳輸其報(bào)文。ＩＰ協(xié)議是無(wú)連接的，它無(wú)法將報(bào)文和錯(cuò)誤信息傳到最初的主機(jī)，ＩＣＭＰ將狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息發(fā)送到發(fā)報(bào)文的主機(jī)。

２ 前端設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議擴(kuò)展到工業(yè)控制級(jí)，將企業(yè)內(nèi)部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的發(fā)布和顯示，通過(guò)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視。下面是筆者在某公司一分布式監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例?；冢裕茫校桑袇f(xié)議的前端設(shè)備系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖３。前端嵌入式設(shè)備處理器是Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｃ４５１０Ｂ（ＡＲＭ核）。該芯片是用在基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的高性價(jià)比、高性能的１６／３２位ＲＩＳＣ微控制器。通信部分采用ＢＮＣ接口方式，信號(hào)輸出經(jīng)耦合隔離變壓器由ＲＪ４５接頭聯(lián)入集線器，此外還設(shè)計(jì)了液晶顯示和鍵盤(pán)輸入當(dāng)?shù)亟涌诠δ堋?/P>

在ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議中多處用到超時(shí)和重發(fā)機(jī)制。這種機(jī)制對(duì)于確保兩個(gè)或多個(gè)彼此獨(dú)立的通信結(jié)點(diǎn)從通信錯(cuò)誤或故障狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)是非常有效的，但也增加了軟件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因?yàn)閷?duì)超時(shí)的處理通常獨(dú)立于正常程序流程，也就是與正常的程序流程異步。要實(shí)現(xiàn)的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議軟件中有四處要用到定時(shí)器：第一是在ＡＲＰ高速緩存的維護(hù)中，被添加到ＡＲＰ高速緩存中的表項(xiàng)在一段時(shí)間后要置為無(wú)效；第二是在等待對(duì)發(fā)出的ＡＲＰ請(qǐng)求返回響應(yīng)時(shí)，可能會(huì)在指定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)還未收到返回的響應(yīng)；第三是在ＩＰ組裝收到分片時(shí)，由于部分分片在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到而丟棄整個(gè)ＩＰ包；第四是在ＴＣＰ等待接收方對(duì)數(shù)據(jù)段的確認(rèn)時(shí)。如果在指定時(shí)間內(nèi)還未收到對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)段的確認(rèn)，需重新發(fā)送。從上述可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)的定時(shí)器具備以下特點(diǎn)：

·對(duì)定時(shí)的精度要求都不是很高，基本都是秒級(jí)的精度。這樣，完全可以稍滯后一些來(lái)處理定時(shí)器超時(shí)，不把超時(shí)處理放在時(shí)鐘中斷處理程序中。

·對(duì)同一類超時(shí)處理可以由同一處理程序來(lái)完成，只是傳入到相應(yīng)的處理程序中的參數(shù)不同而已。例如一個(gè)ＡＲＰ高速緩存中的表項(xiàng)超時(shí)時(shí)，需要將其置為無(wú)效，可以統(tǒng)一用一個(gè)處理程序，參數(shù)中放入相應(yīng)的表項(xiàng)地址即可。

首先，定義一定時(shí)器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖４所示。每一類超時(shí)都是由一個(gè)超時(shí)控制塊和其所屬的一個(gè)由超時(shí)事件項(xiàng)組成的鏈表管理。整個(gè)鏈表按超時(shí)事件將要發(fā)生的時(shí)間順序排列，先發(fā)生的超時(shí)事件排列在前。超時(shí)控制塊中的ｈｅａｄ＿ｐｔｒ用以指向一個(gè)超時(shí)事件項(xiàng)鏈表的首項(xiàng)；ｔｉｍｅｏｕｔ＿ｐｒｏｃｅｓｓ是超時(shí)事件發(fā)生時(shí)處理程序的入口地址。在每個(gè)超時(shí)事件項(xiàng)中，ｎｅｘｔ＿ｐｔｒ指向鏈表中的下一項(xiàng)；ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｔｉｍｅ是本表項(xiàng)的超時(shí)事件相對(duì)于上一表項(xiàng)的超時(shí)事件發(fā)生的相對(duì)時(shí)間。所以某個(gè)表項(xiàng)表示的超時(shí)事件距離當(dāng)前的時(shí)間是它以前所有表項(xiàng)（包括自身）中的ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｔｉｍｅ的和。ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｔｉｍｅ的基本單位是ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ。

定時(shí)器任務(wù)使用一個(gè)信號(hào)量作同步。信號(hào)量有兩個(gè)變量：ｃｏｕｎｔ和ｗａｉｔｉｎｇ＿ｔａｓｋ。ｃｏｕｎｔ對(duì)事件計(jì)數(shù)，當(dāng)ｃｏｕｎｔ大于０時(shí)，表示有ｃｏｕｎｔ個(gè)事件發(fā)生并等待處理；當(dāng)ｃｏｕｎｔ小于０時(shí)，表示有某個(gè)任務(wù)在等待事件的發(fā)生，此時(shí)ｗａｉｔｉｎｔ＿ｔａｓｋ保存相應(yīng)任務(wù)控制塊的地址。信號(hào)量有兩個(gè)操作：ｓｅｍ＿ｕｐ和ｓｅｍ＿ｄｏｗｎ。ｓｅｍ＿ｕｐ首先使ｃｏｕｎｔ加１，然后看ｃｏｕｎｔ是否為０，若為０表示有任務(wù)在等待，通過(guò)ｗａｉｔｉｎｇ＿ｔａｓｋ中記錄的任務(wù)控制塊的地址把等待任務(wù)的狀態(tài)設(shè)為就緒，否則返回。ｓｅｍ＿ｄｏｗｎ首先使ｃｏｕｎｔ減１然后看ｃｏｕｎｔ是否小于０，若小于０會(huì)使當(dāng)前任務(wù)成為等待狀態(tài)并引發(fā)任務(wù)管理器對(duì)任務(wù)的調(diào)度，否則返回。

每當(dāng)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序計(jì)數(shù)到ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ個(gè)時(shí)鐘中斷，給定時(shí)器任務(wù)使用的信號(hào)燈作ｓｅｍ＿ｕｐ操作。當(dāng)定時(shí)器任務(wù)被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，它遍歷每一個(gè)超時(shí)控制塊，對(duì)每一個(gè)超時(shí)控制塊作如圖５所示的處理，最后對(duì)信號(hào)燈調(diào)用ｓｅｍ＿ｄｏｗｎ。