嵌入式TCPIP设计分析.pdfVIP

嵌入式TCP/IP 来源：微计算机应用 1 引言 嵌入式Internet 是近几年随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的发展而兴起的一项新兴概念和技术。单片机或微控制器 (MCU,Micro ControllerUnit)被广泛应用在家庭和工业的各个领域,通称嵌入式系统。嵌入式系统具有以应用为中心、以计算机技术为 基础、软件硬件可裁剪等 特点,赢得了巨大的市场,在应用数量上远远超过了各种通用计算机。随着Internet/Intranet 的发展,各种 家用电器,从空调到微波炉,都产生 了连入互联网的要求。 如何通过Internet 共享嵌入式设备的信息,实现设备的远程访问、控制和管理,对接入到网络上各个节点的设备实时监控,这就是 设备接入互联网需要解决的问题。TCP/IP 协议是标准的网络协议,如果能把TCP/IP 协议嵌入到设备的MCU 中,就可以通过它在设备和 Internet 之间建立通信链路,这样就解决了设备与网络互联的关键技术。 2 Simplified TCP/IP 协议栈的特点 和嵌入式系统面向特定的应用一样,分析嵌入式TCP/IP 协议栈的特点和对传统的TCP/IP 协议栈进行简化也要针对特定的系统环境 和应用背景。离开了特定的系统环境和应用背景来讨论嵌入式TCP/IP 协议栈的特点和对TCP/IP 协议栈进行简化是没有意义的。这里 所讨论的嵌入式TCP/IP 协议栈是针对那些低档的8 位/16 位嵌入式系统能支持嵌入式Internet 直连体系结构而提出的。 嵌入式系统有限的处理能力以及存储资源相对缺乏,因此在嵌入式Internet 环境里使用标准TCP/IP 协议栈是不合适的。把 TCP/IP 协议栈从普通的PC 机移植到MCU,内存和内存管理成了瓶颈。为了既实现相应的网络功能又节省系统资源,需要对协议栈进行有 针对的模块化裁减。针对家电系统中的8 位/16 位MCU 结构设计了一个TCP/IP 协议簇的子集,称之为Simplified TCP/IP 协议栈。其 中包括IP、UDP、ARP 和ICMP 等协议的全部或部分功能,对协议进行了有选择的实现,尽最大可能保持协议功能和机制上的完整。 Simplified TCP/IP 协议栈按照网络体系分层思想设计,如图1 所示。其中每一层都被设计成一个功能相对独立的模块,负责处理 各自的数据，通过函数调用把控制权交给上层或下层模块 低档嵌入式系统中一般没有实时多任务操作系统支持,所以Simplified TCP/IP 协议栈直接面对硬件。MCU 中的程序结构一般是顺 序执行和硬件中断相配合的方式。嵌入式处理器的时钟频率低,地址、数据总线窄,所以一个IP 包的处理要花很多的时间。如果采用 中断处理方式,势必影响其他中断和任务的执行。当系统中有实时数据采集、串口通信中断、键盘中断等实时任务时,则会造成 冲突。 设计时需要合理划分中断处理程序,将无实时要求和费时的Simplified TCP/IP 协议栈处理放在主程序顺序循环中。对网络接口控制芯 片采用 查询式,即在其他中断任务的执行间隙处理Simplified TCP/IP 协议栈,以牺牲响应速度换取系统可靠性,如图2 所示。 3 TCP/IP 协议栈的裁减 普通操作系统可支持完整的TCP/IP 协议族,但嵌入式系统中大多很难做到,也不需做到。嵌入式系统中实现的协议要根据各个系统 的特点及功能来进行设计。 TCP/IP 协议族中,只实现与实际需要有关的部分,而不使用的协议则一概不支持。Simplified TCP/IP 协议 栈中支持的协议。 3. 1 地址转换协议—ARP 协议 ARP 协议是某些网络接口(如以太网和令牌环网)使用的特殊协议,ARP 的地址解析功能是为IP 地址和数据链路层使用的硬件地址提 供动态地址映 射。通用计算机系统中,ARP 高速缓存一般设计成双向数据链的形式,这样整个缓存可以方便地动态增减。但是这种非线 性存储的链表式缓存结构,在进行表项匹 配查找时比较费时,不适用于嵌入式系统。因此ARP 的地址缓存采用了线性数组形式的结构。 它在内存中是连续线性存储的,查找速度快。嵌入式应用中节点不是 很多,即ARP 缓存容量不需要很大,因此将ARP 高速缓存设计成固 定大小。被动的嵌入式服务器主要是接收来自客户的服务请求,为客户提供服务,即嵌入式服 务器不会主动向某一主机发数据帧。既然 如此始终处于被动状态的服务器