隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌放式系統(tǒng)如單片機(jī)、DSP等系統(tǒng)對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加，例如具有遠(yuǎn)程抄表功能的電表系統(tǒng)、楞以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的信息電系統(tǒng)等。本文采用TI公司的TMS320VC33 DSP芯片設(shè)計(jì)與Realtek公司的RTL8019網(wǎng)卡的硬件接口電路，并在DSP中用軟件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使DSP芯片具備上網(wǎng)功能，從而可以用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡與DSP電路板進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交換并對(duì)其進(jìn)行控制。

1 硬件設(shè)計(jì)

DSP與網(wǎng)卡的硬件接口電路圖如圖1所示。

    DSP的數(shù)據(jù)總線低16位接ISA網(wǎng)卡的16位數(shù)據(jù)線，ISA網(wǎng)卡的IOCS16線接高電平，設(shè)置網(wǎng)卡為16位的模式。

網(wǎng)卡共有20根地址線。將A7～A8、A10～A19接地，A0～A6和A9分別接DSP的A0～A7，用到的網(wǎng)卡地址為0240H～025FH，映射到DSP的Page3空間，地址映射為C000C0H～C000DFH。

DSP的Reset信號(hào)用于復(fù)位網(wǎng)卡，由于DSP的Reset信號(hào)低有效，而網(wǎng)卡的Reset信號(hào)高有效，故中間應(yīng)接非門。

DSP的Page3和R/W信號(hào)用于選能網(wǎng)卡的讀寫(xiě)信號(hào)IOR、IOW，實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系如圖2所示。

IORQ是網(wǎng)卡的中斷9，通過(guò)非門后接DSP的INT1引腳。

RTL8019網(wǎng)卡有三種工作方式：

第一種為跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定；

第二種為即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置plug and play；

第三種為免跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46里的內(nèi)容決定。

計(jì)算機(jī)上一是即插即用方式，為了降低軟件編程的復(fù)雜度，將網(wǎng)卡設(shè)置為跳線方式。

上述所有的譯碼邏輯都在EPM7129中實(shí)現(xiàn)。

74ALVC16425是總線驅(qū)動(dòng)芯片，可實(shí)現(xiàn)3.3V到5V的電平轉(zhuǎn)換。由于TMS320VC33和EPM7128是3.3V的器件，而ISA總線是5V的，所以信號(hào)線不能直接連接，需要通過(guò)74ALVC164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)卡硬件驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序主要包括以下幾部分：

（1）NIC的初始化

NIC是網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。為了能夠使NIC啟動(dòng)并處于準(zhǔn)備接收或準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，必須對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、ISR、IMR、PAR0～PAR5、MAR0～MAR7、CURR、TCP、RCR等。

（2）中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序一般完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是設(shè)置中斷標(biāo)志，以使相關(guān)程序能以此發(fā)現(xiàn)發(fā)生了中斷；二取得中斷狀態(tài)寄存器的值，并將引起中斷的具體原因提交給相應(yīng)的程序，這一過(guò)程也是通過(guò)設(shè)置中斷原因標(biāo)志完成的。需要注意 的，中斷服務(wù)程序開(kāi)始的時(shí)候要保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，待程序處理完成后要恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)；中斷服務(wù)程序應(yīng)盡可能短小，以便在盡可能短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完成，因此需要將一些不民要的工作交給其它程序來(lái)完成。

（3）幀發(fā)送程序

在網(wǎng)絡(luò)中，幀傳輸?shù)倪^(guò)程是：發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后通過(guò)網(wǎng)卡將幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上；接收方根據(jù)接收到的幀的目的地址研究是否將該幀提交給上層應(yīng)用程序。幀的發(fā)送是指將待發(fā)送的數(shù)據(jù)以幀的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸線上，因此，幀 的發(fā)送過(guò)程應(yīng)該包括以下幾個(gè)步驟：

①裝幀；

②將幀送入NIC的發(fā)送緩沖區(qū)；

③初始化發(fā)送控制寄存器；

④啟動(dòng)NIC將該幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸線上。

（4）幀接收程序

幀接收是指將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并緩存于網(wǎng)卡的接收緩沖環(huán)中，然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺嬗诮邮站彌_環(huán)的幀讀走并存入內(nèi)存中以備程序使用。從中可以看出，幀的接收過(guò)程分成兩卡；

①第一步由NIC通過(guò)本地DMA將幀存入接收緩沖環(huán)；

②第二卡是通過(guò)遠(yuǎn)程DMA并在主機(jī)的配合下將接收緩沖環(huán)中的幀讀入內(nèi)存。

2.2 TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 DSP中與PC機(jī)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議不同

TCP/IP協(xié)議最先是在UNIX系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，后來(lái)在LINUX、DOS和WINDOWS系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP。但是，在UNIX上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的源代碼并不能直接移植到DSP上來(lái)，這是因?yàn)镻C機(jī)和DSP存在著巨大的差異。

PC機(jī)的運(yùn)算速度非?？?，一般都有一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可以多任務(wù)并行執(zhí)行，通過(guò)硬中斷與中斷、消息隊(duì)列和各種插口實(shí)現(xiàn)ATCP/IP各協(xié)議層之間的通信和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。而DSP運(yùn)行速度相對(duì)較慢，缺乏多任務(wù)操作系統(tǒng)的平臺(tái)，只能通過(guò)順序執(zhí)行加硬件中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且因其還要同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、串口中斷等任務(wù)，所以中斷程序應(yīng)盡量短，只完成設(shè)置各種狀態(tài)的標(biāo)志位，而將相對(duì)較慢的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理放在主程序中執(zhí)行，以減少各種任務(wù)之間的沖突。

PC機(jī)的內(nèi)存非常大，現(xiàn)在一般都可達(dá)到32～128M的存儲(chǔ)容量，可以動(dòng)態(tài)地分配和釋放內(nèi)存，很容易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器緩存mbuf、網(wǎng)絡(luò)控制塊ncb等鏈狀結(jié)構(gòu)，且可隨意增刪；同時(shí)能維護(hù)多條網(wǎng)絡(luò)連接，由于計(jì)算機(jī)處理速度快，幾乎不用考慮緩沖區(qū)溢出的問(wèn)題。而DSP內(nèi)部RAM一般只有十幾K，加上外部擴(kuò)展的RAM也只能達(dá)到幾十K的容量，一個(gè)最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就有1.5K左右，如果也按PC機(jī)的內(nèi)存管理方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用mbuf鏈，RAM肯定不夠用，因此只能在RAM中分配一個(gè)固定的1514字節(jié)的區(qū)段來(lái)存放接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，接收一包處理一包。

PC機(jī)中TCP/IP協(xié)議都是分層次實(shí)現(xiàn)的，相互之間都是通過(guò)參數(shù)傳遞進(jìn)行聯(lián)系，這樣有利于提高程序的模塊化和獨(dú)立性。而在DSP中，由于參數(shù)傳遞會(huì)占用過(guò)多的程序空間，且降低DSP的執(zhí)行速度，所以應(yīng)盡量減少參數(shù)傳遞，轉(zhuǎn)而使用全局變量和外部變量等來(lái)達(dá)到值的傳遞，因此各程序間的依賴程度大，往往會(huì)共享某一些變量和數(shù)據(jù)。

PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)了比較完整的TCP/IP協(xié)議。而在DSP中，由于運(yùn)算速度和內(nèi)存的限制，不可能支持所有的協(xié)議，一般只實(shí)現(xiàn)需要的部分，不需要的協(xié)議一概都不支持；而且即使需要的協(xié)議也不用像在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)那么復(fù)雜，可以根據(jù)硬件的具體情況和實(shí)現(xiàn)的需求進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議簇，包含了很多協(xié)議，在DSP上實(shí)現(xiàn)的所有協(xié)議如圖3所示，通常可分為四層（不包括物理層）。

根據(jù)DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在DSP中實(shí)現(xiàn)了ARP（地址解析協(xié)議）、IP（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP（Internet控制報(bào)文協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），并對(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議簇，包含了很多協(xié)議，在DSP上實(shí)現(xiàn)的所有協(xié)議如圖3所示，通常可分為四層（不包括物理層）。

根據(jù)DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所需要實(shí)現(xiàn)的功能，在DSP中實(shí)現(xiàn)了ARP（地址解析協(xié)議）、IP（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）、ICMP（Internet控制報(bào)文協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），并對(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

在鏈路層中實(shí)現(xiàn)了ARP。每種網(wǎng)絡(luò)都有自己的尋址機(jī)制，以太網(wǎng)通過(guò)以太網(wǎng)地址即通常所說(shuō)的網(wǎng)卡硬件地址MAX進(jìn)行尋址的，每個(gè)網(wǎng)卡出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的MAC地址。IP地址則僅僅是對(duì)于TCP/IP簇有意義的地址，是一種虛擬地址。當(dāng)賦予IP地址的IP包要在以太網(wǎng)中傳播時(shí)，必須將IP地址轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)地址才能進(jìn)行正確的傳輸。ARP協(xié)議就是將32位的IP地址動(dòng)態(tài)地映射為48位的以太網(wǎng)地址，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸。ARP協(xié)議由兩個(gè)文件arpin.c和arpout.c實(shí)現(xiàn)。arpin.c負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)上廣播的arp包，判斷arp包的類型是網(wǎng)絡(luò)上其它機(jī)子的請(qǐng)求包還是返回本機(jī)的響應(yīng)包，判斷其合法性并進(jìn)行相應(yīng)的處理；arpout.c負(fù)責(zé)主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)發(fā)送arp請(qǐng)求包以及被arpin.c調(diào)用響應(yīng)收到的arp請(qǐng)求包。

在網(wǎng)絡(luò)層中實(shí)現(xiàn)了IP和ICMP。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中最核心的協(xié)議，它提供無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)，所有上層協(xié)議都要以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸。IP協(xié)議由兩個(gè)文件ipin.c和ipout.c實(shí)現(xiàn)。Ipin.c負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)包，收到IP包后，首先判斷其版本號(hào)、

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、目的地址、檢驗(yàn)和是否正確，再根據(jù)ＩＰ首部的協(xié)議類型字段的值交給相應(yīng)的上層協(xié)議處理；ｉｐｏｕｔ．ｃ負(fù)責(zé)發(fā)送ＩＰ數(shù)據(jù)包，接收上層協(xié)議傳遞下來(lái)的數(shù)據(jù)，加上２０字節(jié)的ＩＰ首部，正確設(shè)置源ＩＰ地址和目的ＩＰ地址、協(xié)議類型，計(jì)算檢驗(yàn)和，交給下面的鏈路層發(fā)送。ＰＣ機(jī)上的ＩＰ數(shù)據(jù)包，當(dāng)它的長(zhǎng)度超過(guò)網(wǎng)絡(luò)的ＭＴＵ時(shí)，允許對(duì)它分段；在ＤＳＰ中，則不支持ＩＰ數(shù)據(jù)包分段，也不支持ＩＰ選項(xiàng)字段。ＩＣＭＰ協(xié)議負(fù)責(zé)傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其它需要注意的信息，且由ＩＣＭＰ首部８位的類型字段和８位的代碼字段決定信息的種類。在ＤＳＰ中只實(shí)現(xiàn)了對(duì)回顯請(qǐng)求（類型代碼為８０）報(bào)文的處理，從ＩＰ層收到ＩＣＭＰ包后，判斷其類型代碼段是否為８０。如果是，將這兩個(gè)字段設(shè)置為００（回顯應(yīng)答），計(jì)算檢驗(yàn)和，再交給ＩＰ層發(fā)送；如果不是，則予以丟棄。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)ｐｉｎｇ功能的支持。

圖4

    在運(yùn)輸層實(shí)現(xiàn)了ＵＤＰ和ＴＣＰ。

ＵＤＰ協(xié)議是一種面向無(wú)連接的不可靠的協(xié)議，用兩個(gè)文件ｕｄｐｉｎ．ｃ和ｕｄｐｏｕｔ．ｃ來(lái)實(shí)現(xiàn)。ｕｄｐｉｎ．ｃ實(shí)現(xiàn)對(duì)ｕｄｐ包輸入的處理，判斷其端口號(hào)、檢驗(yàn)和是否正確，正確則將其數(shù)據(jù)交給相應(yīng)端口的應(yīng)用程序，不正確則丟棄；ｕｄｐｏｕｔ．ｃ實(shí)現(xiàn)對(duì)ｕｄｐ包輸出的處理，從應(yīng)用程序接收數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的源端口號(hào)和目的端口號(hào)，再交給ＩＰ層發(fā)送。值得注意的是，計(jì)算ＵＤＰ包的檢驗(yàn)和與計(jì)算ＩＰ包的檢驗(yàn)和是不一樣的，ＩＰ包的檢驗(yàn)和只覆蓋了ＩＰ包的首部，而ＵＤＰ包的檢驗(yàn)和則覆蓋了ＵＤＰ包的首部和所有的數(shù)據(jù)。ＵＤＰ包計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)還引入了一個(gè)１２字節(jié)的偽首部，包括４字節(jié)的源ＩＰ地址、４字節(jié)的目的ＩＰ地址、１字節(jié)的零段、１字節(jié)的協(xié)議段和兩字節(jié)的檢驗(yàn)和，其目的是讓ＵＤＰ兩次檢查數(shù)據(jù)是否正確地到達(dá)了目的地。 ＴＣＰ協(xié)議與ＵＤＰ協(xié)議雖然同是運(yùn)輸層協(xié)議，但是它提供一種面向連接的可靠的字節(jié)流服務(wù)。ＴＣＰ協(xié)議是所有協(xié)議中最復(fù)雜、也是最難實(shí)現(xiàn)的一塊，主要由ｔｃｐｉｎ．ｃ、ｔｃｐｏｕｔ．ｃ、ｔｃｐｔｉｍｅｒ．ｃ和ｔｃｐｓｔａｔｅｍ．ｃ四個(gè)文件分塊實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)具體應(yīng)用的需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。ＴＣＰ的控制塊ｔｃｂ用結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)ｔｃｂ包含一條ＴＣＰ連接的所有控制和狀態(tài)信息，全部的ｔｃｂ形成了一個(gè)雙向鏈表，有利于在所有ＴＣＰ連接中進(jìn)行搜索。ｔｃｐｔｉｍｅｒ．ｃ負(fù)責(zé)管理ＴＣＰ協(xié)議中的各種狀態(tài)信息，它內(nèi)含前向后向指針，使之形成定時(shí)器超時(shí)，ＰＣ機(jī)上的ＴＣＰ協(xié)議包含快慢兩個(gè)定時(shí)器，這里僅僅實(shí)現(xiàn)了一個(gè)５００ｍｓ的慢速定時(shí)器，因?yàn)闆](méi)有快速定時(shí)器，所以不支持ＡＣＫ報(bào)文延遲，收到一幀即立即發(fā)送ＡＣＫ；ｔｃｐｓｔａｔｅｍ．ｃ是ＴＣＰ的狀態(tài)機(jī)函數(shù)，根據(jù)ＴＣＰ連接所處的不同狀態(tài)以及發(fā)生的事件來(lái)決定ＴＣＰ連接的狀態(tài)變遷；ｔｃｐｏｕｔ．ｃ負(fù)責(zé)ｔｃｐ報(bào)文的發(fā)送，典型的發(fā)送過(guò)程是當(dāng)接收到上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送ＳＹＮ幀，與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三次握手建立連接，之后加上ＴＣＰ首部，交給下層ＩＰ模塊發(fā)送，并通過(guò)重傳定時(shí)器實(shí)現(xiàn)超時(shí)重發(fā)、持續(xù)定時(shí)器發(fā)送窗口探測(cè)幀等功能，待所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并得到確認(rèn)后發(fā)送ＦＩＮ幀，通過(guò)四次握手關(guān)閉連接，ｔｃｐｏｕｔ．ｃ還可在不同狀態(tài)和事件下被其它程序調(diào)用發(fā)送ＡＣＫ幀、ＲＳＴ幀等其它ＴＣＰ報(bào)文；ｔｃｐｉｎ．ｃ負(fù)責(zé)接收從下層ＩＰ模塊接收到的ＴＣＰ數(shù)據(jù)包，并根據(jù)ＴＣＰ連接的狀態(tài)信息以及ＴＣＰ首部的各個(gè)標(biāo)志位進(jìn)行分支處理，將數(shù)據(jù)交給對(duì)應(yīng)端口的上層應(yīng)用程序，并調(diào)用其它函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)ＴＣＰ包的響應(yīng)和狀態(tài)變遷。在ＰＣ機(jī)上往往可以同時(shí)維護(hù)多條ＴＣＰ連接；但在ＤＳＰ上，由于ＤＳＰ速度和ＲＡＭ容量的限制，只支持一條ＴＣＰ連接；這樣大大簡(jiǎn)化了程序的復(fù)雜度，同時(shí)也滿足了實(shí)際需要，如果今后有需要，還可以進(jìn)行擴(kuò)展。 綜上所述，ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的具體處理流程如圖４所示。

本文通過(guò)ＤＳＰ與網(wǎng)卡的硬件接口的設(shè)計(jì)及編程，使ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的ＴＣＰ／ＩＰ通信，從而使ＤＳＰ可以通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并可以實(shí)時(shí)地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，交換大量的數(shù)據(jù)和控制信息。本文所介紹的技術(shù)已經(jīng)在作者參加的國(guó)家"９７３"項(xiàng)目"復(fù)雜自然環(huán)境時(shí)空定量信息的獲取與融合處理的理論與應(yīng)?quot;的硬件設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并運(yùn)行良好。