（检测技术与自动化装置专业论文）基于tcpip协议与dsp的网络实时温度检测系统的分析与设计.pdf

摘要 基于t c p i p 协议与d s p 的网络实时 温度检测系统的分析与设计 专业 ：检测技术与自动化装置 硕士生 ：徐阅华 指导教师：姜孝华副教授 摘要 随着i n t e r n e t 的日益普及与嵌入式设备的广泛应用，它们之间的互联已成为 当今研究的热点，具有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。 通过对目前国内外此方向的一些实现方法的研究，以及对它们各自特点，关 键技术和优缺点的分析。本文提出了一种基于嵌入式t c m p 协议栈的m c u 直 接实现形式，它是用软件方法直接在嵌入式设备上实现t c p ，i p 协议，具有节省 空间，降低成本的优点，更重要的是可以随意配置甚至修改各种协议，且能通过 软件升级方式跟随未来的发展。 本课题设计了以d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和网络控制器r t l 8 0 1 9 a s 为核心硬件 的嵌入式系统，并结合当今流行的单总线温度传感器d s l 8 8 2 0 的应用，组成一 个基于e t h e m e t 的网络温度实时检测系统。 本文首先介绍了嵌入式t p i p 栈分析了协议栈所采用各层协议的功能及 封装。然后围绕本系统的硬件框图进行解释说明，介绍了各组成部分的功能以及 设计思想。在系统的软件设计方面，本文详细剖析了t c m p 协议栈各层协议的 实现以及网络控制器r t l 8 0 1 9 a s 的数据收发机制，并列出了各主要函数结构以 及程序流程图。 最后，通过对本系统的试验测试，检验了本文提出的方法和思路的可行性。 本系统不局限于温度采集，经一定扩展后可适用于智能网络家电，远程抄表，以 及生产过程远程监控等领域。 关键词：嵌入式系统t c m p 协议r t l 8 0 1 9 a s以太网d s l 8 8 2 0 a b 札r a c t a n a l y s i sa n dd e s i g n o far e a l - t i m en e t w o r k d e t e c t i o ns y s t e mf o rt e m p e r a t u r eb a s e do nd s p t cp ：，i pp r o t o c o l m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e n a m e：x u y u e h u a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i a n gx i a o h u a a b s t r a c t w i 山t h ei n c r e a s i n gp o p u l 撕z a t i o no fi n t e l e ta n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e de q u i p r n e n t ， t h e i rc o m m u n i c a t i o n sh a v e b e e nc o n s i d e r e da s g r e a t a p p i i c a t i o np r o s p e c t a c c o r d i n gt 0s o r n el a t e s tr e s e a r c h e so f 血ei m p i e m e n t a t i o nm e m o d sa r o u n dm e w o r 王d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e i rc h a r a c t e r s ，k e yt e c h n o i o g i e s ，a n dp r o p o s e s a r e l a t i v es i m p l er e a l i z a t i o nb a s e do nm c ua i l de m b e d d e dt c p 仃pp m t o c o is t a c k ， w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fs a v i n gr o o ma i l dc o s t ，e s p e c i a l l yo n ec a nc o n f i g u r eo r m o d i f yp r o t o c o l s a sn e e d e da n dk e e pu pw i t hf h t u r ed e v e l o p m e n td e p e n d i n go n s o f t w a r eu p g r a d i n g t h i ss u b j e c ti sd e s 塘n e da st h ee m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sm ek e y h a r d w a r e ，d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a i l dn e t w o r kc o n t r o l l e rr f l 8 0 1 9 a s ，a i s ot h ep o p u l a r 1 w i r eb u st e m p e r a t u r es e n s o rd s1 8 8 2 0 ，m a k i n gu pan e t w o r kd e t e c t i o ns y s t e mf o r t e m d e r a t u r e b a s e do ne t h e m e t t h i s m e s i si n t m d u c e se m b e d d e dt c p ，i pp r o t o c o ls t a c ka n da n a l y z e si t s i m p l e m e n t a t i o nb yl i s t i n gt h em a i nf u n c t i o n a ls t n l c m r ea n dp r o c e d u r en o wc h a f t so f e v c r ya d o p t e dp r o t o c o l i a y e r t h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u “a n dd e s i g nt h e o r ya r ea 工s o g i v e n i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e st h a tm em e t h o da r i di m p l e m e n t a t i o ni s r e m l b l ea 【i df c a s i b l e t h es y s t e me x p a n d e da l s oc a nb eu s e di n f i e l d so fi n t e i g e n t n e t w o r kh o m ea p p l i a n c e s ，r e m o t er e c o r d i n 吕r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o m n g ，e t c k e yw o r d s ： e m b e d d e ds y s t e mt c m pp r o t o c o lr t l 8 0 1 9 a se t h e m e t d s l 8 8 2 0 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景与意义 近几年来，i n t e r n e t 技术的飞速发展及其广泛的应用，掀起了新的技术浪 潮。今天，i n t e r n e t 给人们学习和生活带来了极大的方便，缩短了人与入之间 的距离它已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。人们希望通过网络来实现 方便的，实时的信息交流和对一些设备的智能测控：希望一些很普通的东西在成 本增加很少，操作十分简单，不影响原有功能的基础上实现与i n t e r n e t 的互连。 这些设想在某些领域已经开始变为现实，智能交通、信息家电、家政系统等方面 的应用前景将十分广阔。嵌入式系统的网络互联必将成为今后网络接入和嵌入式 应用领域的一个热点。 1 1 1 嵌入式系统的发展及特点 这里提到的信息家电以及其它许多应用系统大多采用的是单片机、d s p 等微 控制器系统一一通称嵌入式系统。它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。嵌入式系统麻雀虽小， 五脏俱全，软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件，硬件除 了c p u 外，还需有外围电路支持，微处理器、微控制器、d s p 已构成嵌入式系统 硬件的基础。 嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统，嵌入式系统的发展离不开应 用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善，各种高 性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性能价格比的一类应用系 统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求大多使用f l a s hm e m o r y 。 嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统嵌入式系统应用的广泛性， 第l 章绪论 要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统，使用它应如同使用家用电器一 样方便。 如今的嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活当中，从家用电器、移 动电话、信息终端、仪器仪表，到汽车、航空航天、军事装备、制造工业、过程 控常i 等方面，都可以发现它的踪影。 1 1 2 以太网技术的发展趋势 随着现代生产规模的扩大，要求对企业的各种信息( 如生产过程、销售、财 务以及重点设备实时监控信息) 进行及时全面的了解。这就要求把控制网络，信 息网络融为一体，构成一个统一的网络平台。另一方面，希望控制系统采用开放 性、标准化和流行的硬件、操作系统、网络技术，尽可能使用各种计算机技术， 有效地减少对专用产品的依赖，降低运行、维护成本。实现办公自动化与工业自 动化的无缝结合、形成管控一体化的全开放工业控制网络是现代企业提出的要求 【射。 传统的工业控制网络体系已经难以满足日益增长的技术需求。由于多种现场 总线经过多年的纷争，依然没有达成统一的标准，它们采用的通信协议完全不同， 要实现这些总线的兼容和互操作是十分困难的。因此，专用设备的使用，开放程 度的不够给系统的维护、升级、管理带来了很大的不便 3 l 。 因特网的迅猛发展，使人们看到了以太网的巨大潜力，它采用的t c p i p 协 议也成为目前市场应用的主流协议。以太网协议最早由施乐公司创建的，后被开 发成为一个标准，并广泛地应用于各种计算机网络，如办公局域网、工业控制网 络等场合，并且还在不断地发展。基于以太网的新技术和联网设备不断出现，以 太网已经成为事实上最常用的网络标准之一。 据美国权威调查机构a r c 报告【4 1 指出：今后以太网不仅继续垄断商业计算机 网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也可能领导未来现场总线的发 展，并有可能取代目前各种现场总线成为唯一的工业控制网络标准。因此有理由 相信，在不远的将来，以太网将可以直接应用于工业现场控制，并将在工业现场 控制系统中起着非常重要的作用。 2 第1 章绪论 1 1 3 嵌入式系统的网络化 嵌入式终端应用设备的i n t e m e t 接入技术是目前以p c 为应用中心的网络技 术所未能完全覆盖的，还存在着及其广阔的空间待于发展。传统的i n t e m e t 应用 以p c 为中心，未来的i n t e m e t 应用将转向以嵌入式设备为中心。据网络专家预 测，将来在i n t e m e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来自于小型嵌入式系统 5 l 。 以太网具有以下应用于嵌入式场合的特点： ( 1 ) 实时性得到保证：由c s m c d 通信协议所带来的实时性较差的问题，正 随着百兆、千兆以太网的应用以及以太网交换技术的发展而得到解决。 ( 2 ) 稳定性大大提高：以太网传输介质可以是同轴电缆、双绞线或光纤，尤其 是光纤网络正在得到普及。由于光纤不受噪声干扰，因此稳定性得到很大的提高。 ( 3 ) 通用陛强：以太网是基于t c p i p 协议的，而t c p i p 最初出现时即是为了 实现异种网络互连，目前该协议已成为网络数据传输的事实标准。 以太网技术的成熟使其具备了向工业自动化、测控领域、智能家居等领域的 发展的坚实基础，嵌入式以太网技术应用的技术细节也随着以太网技术的成熟而 得到解决。 嵌入式t c p ，口协议的提出为嵌入式系统实现上网和网络的进一步普及提供 了一个新的思考方向，其应用方案和实现也将为嵌入式系统实现网络化提供很有 价值的参考。 1 2 课题研究现状 从上面的分析看出，嵌入式器件通过i n t e r n e t 及相关技术来管理我们的工 作和家庭环境已成为坚定不移的发展方向。过去提供实时多任务操作系统和专用 网络解决方案的公司，也正迅速在其产品线中增加i n t e r n e t 技术和嵌入式网络 服务器，以便实现更为开放和经济的嵌入式设备网络互连手段。 这一方案的技术难点是：如何利用微控制器本身有限的资源对信息进行加工 与处理，使之成为在i n t e r n e t 上传输的i p 数据包。综合业界各种解决方案，可 以归纳为以下五种【6 l ： 第1 章绪论 1 2 1 衬用p c 网关和专用网技术 采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把一小批智能设备连接在一 起，然后再将专用网络连接到一台p c 上。这台p c 起网关的作用，将专用网络上 的信息转换为i p 数据报，发到互联网上实现信息共享。这个方案可以连接多种单 片机，但存在以下缺点：它依赖p c 机作为网关进行协议转换，在多个单片机系 统分散的情况下，专用网络布线极为不便；使用的是专用网络，设备及软件也是 专用的，开放的程度不够，给系统的维护、升级、管理带来了很大的不便。 1 2 2 利用3 2 位m c u 和r t o s ( 实时操作系统) 技术 采用3 2 位高档m c u ，在r t o s 的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实 现t c p i p 协议。许多嵌入式操作系统( 诸如r t o sl i n u x ，w i n d o w sc e ) 本身都 包含了t c p i p 协议栈，它们向应用程序提供了标准s o c k e t 接口。从应用程序员 的角度看，将这些系统接入i n t e r n e t 所需要的工作和普通p c 机并没有什么区别， 绝大部分的工作集中于应用层的实现。但高性能微处理器和嵌入式操作系统一般 只适用于高端应用场合，否则将极大降低系统的性价比。适用的即是最好的，这 是嵌入式系统较之通用计算机系统的一个重要特征。因此，必须考虑不存在操作 系统的环境中，如何实现互联网的接入。 1 2 3 嵌入式t c p i p 硬件固化方式 硬件固化方式是指将t c p i p 协议栈用硬件方法予以实现，嵌入式系统直接 与内部固化t c p i p 协议的硬件芯片连接，由它实现协议的转换，从而使之与互 联网连接。现在市场上，像这种集成了t c p 、u d p 、i p 、i c m p 等协议的芯片有s c e n i x s e i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k ，s e i k o 公司的s 7 6 0 0 a 芯片以及w 3 1 0 0 a 芯片 等7 】嘲。虽然可以省去不少软件方面的工作，但这无疑增加了硬件成本，对一些 功能单一的嵌入式设备，连接一个完整的t c p i p 硬协议栈，是一个极大的浪费， 而且所增加的成本费用是难以接受的。对于大量的低档嵌入式系统，用软件实现 嵌入式t c p i p 协议具有更大的意义。 4 第l 章绪论 1 2 4 基于m c u 和虚拟软件包的方案 第四种方案是美国u b i c o m 公司提出的，它是芯片技术迅速发展和计算机系 统设计水平不断进步、c p u 速度不断提高的结果。其代表性的产品是其公司的 s x i p 2 k 系列8 位超高速单片机。在这种模型里，使用网络处理器i p 2 0 2 2 【9 】为智能 终端互联网接入提供了一个软硬件平台。这是一款基于r i s c 指令集的单片机， 在4 5 m h z 晶振驱动下，利用其内部的锁相环( p l l ) 电路，c p u 工作频率可达到 1 2 0 m h z 。而且大部分指令都是单时钟周期，指令执行速度可达1 2 0 m i p s ，因此，该 单片机能实现虚拟外设功能，即通过软件对口进行灵活的配置，c p u 执行相应 的软件模块就可以驱动普通的i ，o 口来模拟外设的功能。上面模型包含了i p u a r t 、 i pe t h e m e t 、i p s 诅c k 三个软件模块，分别实现通用异步收发器( u a r t ) 、以太网驱 动器外设和t c p i p 网络协议栈功能，从而为协议转换功能提供了重要的技术手 段。 1 2 5 删i t 嵌入式微型i n t e r n e t 互连技术 e m w a r e 公司开发的e m i t 【l0 l 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为 网关，称为e m g a t e w a y 。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等轻量级总线与外设 联系起来，每个外设都配有微型网络服务器，只占用系统很小的内存( 1 k 字节) 资源和处理器资源，称为e i f l m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并 将结果反馈到e m g a t e w a y 中；同时e i i l m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设 备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网络协议是在e m g a t e w a y 上实现的， 应用系统m c u 只处理较简单的e m n e t 协议，进行网际连接。 最后两种方案虽然比较全面，在一些领域也得到了应用，但系统过于庞大， 成本过高，实现起来比较复杂，而且公司的系统都是采用专用设备，限制性太大。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题所要研究的系统是m c u 的直接实现形式。如图【一l 所示，通过简化标 准的t c p i p 通信协议来实现d s p 与网络的互联。它是用软件方法直接在嵌入式设 备上实现t c p i p 协议，具有节省空间，降低成本的优点，更重要的是可以随意配 第1 章绪论 置甚至修改各种协议，且能通过软件升级方式跟随未来的发展。 t 1 6 3 2 0 l f 2 4 0 7 i 吼 8 0 1 9 | ! i s 图l 一1 本系统实现框图 当今，温度的实时采集己成为工业自动化，智能住宅，科研探索等众多领域 必不可少的一部分。最近，在丁肇中教授主持的太空阿尔法磁谱仪项目中的子课 题微硅条轨迹探测器温度控制系统( a m ss i l i c o nt r a c k e rt h e r m a lc o n t r o l s y s t e m ) 中。就必须通过卫星及时获知所有电子元件、传感器、执行器( 如泵、 阀等) 的温度来保证控制系统的正常工作。 因此，本课题结合当今流行的单总线温度传感器d s l 8 8 2 0 的应用，与以d s p 1 s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的嵌入式系统及网络控制器r t l 8 0 1 9 a s ，组成一个基于 e t h e r n e t 的网络温度实时检测系统。该系统为嵌入式设备与网络的互联提出了 一种新方法，经扩展后可以适用于生产过程监控以及智能家电的开发，也可以为 研究网络控制系统的特性和控制算法提供实验平台。 6 第2 章嵌入式t c b 仰协议栈的分析 第2 章嵌入式t c p ip 协议栈的分析 2 1 嵌入式协议栈的概念1 1 1 1 1 1 2 2 1 1t c p i p 协议简述 t c p i p 起源于6 0 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目，到9 0 年 代已发展成为计算机之间最常应用的组网形式。t c p i p 是一组不同层次上的多个 协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，每一层分别负责不同的通信功能： 纛体 图2 一lt c p i p 协议族的分层结构 ( 1 ) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的 设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何 传输媒介) 的物理接口细节。 ( 2 ) 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的 选路。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议 ( i n t e r n e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 ( 3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议 第2 章嵌入式t c m p 协议栈的分析 族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报 协议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程 序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发 送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因 此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，u d p 则为应用层提供一种非常简 单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保 证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输 层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。 ( 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p i p 实现都会 提供下面这些通用的应用程序：t e l n e t 远程登录，f t p 文件传输协议，s m t p 简 单邮件传送协议，s p 简单网络管理协议。 2 1 2 嵌入式t c p i p 协议的提出 从上面对t c p i p 协议族的介绍可看出，整个协议族内容复杂，协议种类繁 多。这样一个庞大的体系要想在系统资源有限的嵌入式设备上运行，几乎是不可 能的。通过对t c p i p 协议族的研究发现，许多协议在实际应用中是完全可以不 采用的。有一些协议的目的主要是为了确保数据安全的传输，而当数据就在同一 个局域网内传输时，或者当网络对数据传输速度的要求远高于对安全性的要求 时，这些协议完全可以省略；有些协议的目的是为了让t c p i p 协议可以适应诸 多的应用系统，而具体到某一应用系统中，这些协议完全没有存在的必要；还有 些协议的作用几乎是相同的，它们只不过是让t c p i p 协议提供更强大的功能， 而对嵌入式系统来讲，似乎没有这个必要。因此，针对具体应用，对标准t c p i p 协议进行一定的修改，制定出套适用于嵌入式系统的嵌入式t c p i p 协议是完 全必要且可行的。 嵌入式t c p i p 协议的出发点是采用简化的网络协议：在不影响网络基本功能 的原则上，以满足实用为目的，按照8 位和1 6 位等低端m c u 的性能要求，对完 整的t c p i p 协议进行一定程度的删节，量体裁衣。最终既要满足应用系统对数 据传输和控制等功能的实际需要，又要在对原有系统影响最小的基础上，实现联 网功能。 第2 章嵌入式代p ，i p 协议栈的分析 综合以上考虑，本系统对t c p i p 协议进行了一些必要的精简和优化改进， 提高传统t c p i p 协议的实时性，尽可能地做到代码精简、存储开销小，从而满 足嵌入式应用的要求。在此本人采用的协议如下【1 3 】： 链路层：a r p 协议： 网络层：i p 九c m p 协议； 传输层：u d p 协议。 2 2 地址解析协议一一a r p 2 2 1 协议概述 在某种程度上，互联网表现得像一个虚拟网络只通过分配的i p 地址来发 送和接受分组。但实际上，当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上 的另一台主机时，是根据4 8b i t 的以太网地址来确定目的接口的。设备驱动程序 从不检查i p 数据报中的目的i p 地址。a r p 协议就是为i p 地址到对应的硬件地址之 间提供动态映射。我们之所以用动态这个词是因为这个过程是自动完成的，一般 应用程序用户或系统管理员不必关心。 从功能上讲，a r p 被分成两部分。第一部分是在发送分组时把一个i p 地址映 射到一个物理地址上，第二部分是回答其他机器的请求。 发送分组的地址转化看似比较直接，但实现起来有些复杂。给定一个目的网 点的i p 地址，软件查询本地的舢婶高速缓存是否存有从该i p 地址到物理地址的映 射。若有，则提取该物理地址，把数据放到使用该物理地址的帧中，并把该帧发 送出去；若没有，则协议软件必须广播一个a r p 请求给以太网上的所有主机并等 待目的主机的a r p 回答。 a r p 协议的第二部分是处理来自网络的a r p 分组。当任何a r p 请求分组到达时 都要提取分组中包含的i p 地址物理地址对，检查本地a r p 高速缓存中是否存有相 应的记录，如果存在则覆盖原有记录，然后接受方再处理a r p 分组的其他部分。 接受方要处理两种到达的a r p 分组。如果到达的是一个请求分组，则接受方 要判断自身是否是请求的目标，如果是，就以本机的物理地址形成应答发送回请 求方。如果到达的分组是对本机之前所发送的请求的应答，则根据某一特定规则 9 第2 章嵌入式咖p 协议栈的分析 更新本地a r p 高速缓存。 在每个主机中都有一个a r p 高速缓存，里面存放了最近i n t e r n e t 地址到硬 件地址之间的映射记录。这是a r p 高效运行的关键。 然而针对嵌入式协议来讲，由于嵌入式系统的应用方案为直接和服务器或路 由器相连，而主机和路由器都是相对固定的，其地址也是嵌入式系统所默认的目 的i p 地址。因此嵌入式系统中不需要a r p 高速缓存，在和服务器或路由器第一 次建立通讯连接时，将目的端的i p 地址和以太网地址写死即可。 2 2 2a r p 的分组格式 f 6 以太网首部 646 2 8 字节a 髓请求应答 图2 2a r p 请求和应答分组的格式 以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全l 的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。 两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于a r p 请求或应答来说， 该字段的值为o x 0 8 0 6 。 硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为l 即表示以太网地址。协议类 型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为0 x 0 8 0 0 即表示i p 地址。 接下来的两个l 字节的字段，硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地 址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上i p 地址的a r p 请求或应答来 说，它们的值分别为6 和4 。 操作字段指出四种操作类型，它们是a r p 请求( 值为1 ) 、a r p 应答( 值为2 ) 、 r a r p 请求( 值为3 ) 和r a r p 应答( 值为4 ) 。 1 0 第2 章嵌入式i p ，m 协议栈的分析 2 3 网际协议一一i p 2 3 1i p 协议概述 i p 是1 m p 协议族中最为核心的协议。所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数 据都以i p 数据报格式传输。 i p 协议的功能。是对要发送的数据进行加i p 报头的处理，再把打好包的i p 数据报发送给姒c 层。通过数据报在一个个i p 协议模块间传送，直到数据报到达 目的模块。同时，i p 层接收由更低层( 链路层例如以太网设备驱动程序) 发来的i p 报，对接收到的数据报进行报头校验和拆报处理，并把数据发送到更高层。 i p 提供最好的传输服务，不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。如果发生 某种错误时，i p 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送i c m p 消息 报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p ) 。i p 层对每个数据 报的处理是相互独立的。这也说明，i p 数据报可以不按发送顺序接收。如果一信 源向相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a ，然后是b ) ，每个数据报都是独 立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此b 可能在a 到达之前先到达。 2 3 2i p 首部解析 01 51 63 l 4 位4 位首8 位服务类型1 6 位总长度( 字节数) 版本部长度 ( 罾0 s ) 1 6 位标识3 位1 3 位片偏移 标志 8 位生存时间8 位协议1 6 位首部检验和 ( t t l ) 3 2 位源i p 地址 3 2 位目的i p 地址 选项( 如果有) 数据 图2 3i p 数据报的格式 第2 章嵌入式t c 踟p 协议栈的分析 版本：目前i p 也称作i p v 4 ，所以协议版本号为4 i 首部长度：首部占3 2b i t 字的数目，包括任何选项。由于只是4 比特字段， 所以首部最长为6 0 个字节。 服务类型字段：由于只是一般服务，所以全部置o ： 总长度：指整个i p 数据报的长度。以字节为单位由于该字段长1 6 比特， 所以i p 数据报最长可达6 5 5 3 5 字节。 标识字段：难一标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文它的值 就会加l ； t t l ( t i m e t o l i v e ) 生存时闯字段：设置了数据报可以经过的最多路由器 数。t t l 初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减l 。 当该字段的值为0 时，数据报就被丢弃； 协议字段：用来识别不同的高层协议( t c p 、u d p 、i c m p 、i g m p 等) ，对它们 进行封装和分用。如1 表示i 伽p 协议，2 表示i g m p 协议，6 表示t c p 协议，1 7 表示u d p 协议； 检验和字段：是根据i p 首部计算的检验和码，它不对首部后面的数据进行 计算。 2 。4i n t e r n e t 控制报文协议一一i c m p 2 4 1i c m p 概述 i c m p 经常被认为是i p 层的一个组成部分，它传递差错报文以及其他需要 注意的信息。i c m p 报文通常被i p 层或更高层协议( t c p 或u d p ) 使用。i c m p 报 文还可以对某些网络问题进行诊断，本设计中实现的是i c m p 查询报文，主要是 为p i n g 程序服务的。p i n g 程序通过发送一份i c m p 回显请求报文给主机，并等 待返回i c m p 回显应答来确定另一台主机是否可达。而实际上这两种报文在系统 正常工作时是用不到的。之所以仍然使用这两种报文，主要是为了使系统便于调 试。一般来讲，如果p i n g 不到某台主机，就可以说与这台主机不能进行通讯： 反过来，如果能p i n g 通，而不能t e l n e t 到某台主机。就说明可能是应用层的程 序有问题。 第2 章嵌入式i p ，口协议栈的分析 2 4 2i c m p 封装及报文格式 尽管与i p 协议处于同一层次，但i c m p 报文却是封装在i p 数据包的数据段 部分进行传送的，具体如图所示： 卜一叫嘴报叫 卜一i 瞅文一 1 4 字节2 0 字节8 字节 图2 4i c m p 报文的封装格式 i c m p 回显请求和回显应答报文格式如下： 0781 51 63 1 类型( o 或8 )代码( o )检验和 标识符序列号 选项数据 图2 5i c m p 回显请求和回显应答报文格式 类型字段中对于回显应答为0 ，对于回显请求就为8 ； 在这里代码字段都为o ； 检验和字段覆盖整个i c m p 报文，是必需的； 标识符字段用于发送端应用程序存入一个唯一的数值，以区别于其他进程的 应答； 序列号字段使得客户程序可以在应答和请求之间进行匹配。 1 3 第2 章嵌入式1 p ，【p 协议栈的分析 2 5 用户数据报协议一一u d p 2 5 1 u d p 协议概述 u d p 是个简单的面向数据报的运输层协议。进程的每个输出操作都正好产 生一个u d p 数据报，并组装成一份待发送的i p 数据报。这与面向流字符的协议不 同( 如t c p ) ，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个i p 数据报可能没有什 么联系。 u d p 不提供可靠性。它把应用程序传给i p 层的数据发送出去，但是并不保证 它们能到达目的地。在传送过程中若发生问题，u d p 并不具有确认、重传等机制， 而是必须依赖应用层的协议来处理这些问题。 但是正是由于u d p 没有保证可靠性的机制，没有其他的关卡机制，u d p 才得 以实现全速地发送( 即充分发挥物理通信设备的速度) 。如果使用低速的处理器， 因u d p 的开销很小，会导致其传输率比t c p 高出很多。因此，u d p 适合于微处理 器能力有限、实时要求较高且可靠性要求不高的嵌入式应用。 2 5 2u d p 首部解析 o1 51 63 l 1 6 位源端口号1 6 位目的端口号 1 6 位u d p 长度1 6 位u d p 检验和 数据( 如果有) 图2 6u d p 首部格式 u d p 采用1 6 位的端口号来识别应用程序，根据目的端口号来分用来自i p 层 的u d p 数据报。其中源端口字段是可选的，若选用，则字段值应该是回送报文的 目的端口，若不选时其值为零。 u d p 长度字段指的是u d p 首部和u d p 数据的总字节长度。该字段的最小值为8 字节，即首部的长度。 4 第2 章嵌入式t c p n p 协议栈的分析 2 5 3u d p 检验和及伪首部 u d p 校验和覆盖的内容超出了u d p 数据报本身的范围。为了计算校验和，u d p 把伪首部引入到数据报之中，伪首部并不随着u 卿数据报一起传送，也不计算在 数据报长度之内。 使用伪首部的目的是检验u d p 数据报己到达正确的目的地。理解伪首部的关 键在于认识到：正确的目的地包括了正确的主机和主机上的特定端口号。u d p 报 文的首部仅仅指定了协议端口号，因此为了确保报文能够正确到达目的地，发送 u d p 数据报的主机在计算校验和时，把目的主机的i p 地址和其他有关数据也计 算在内。在最终的接收端，u d p 协议软件对校验和进行校验时要用到携带u d p 报 文的i p 报文的首部中的相关信息。 在u d p 校验和的计算过程中用到的伪首部长度为1 2 字节，其结构如图所示： o 1 51 6 3 1 3 2 位源i p 地址 3 2 位目的i p 地址 08 位协议1 6 位u d p 长度 1 6 位源端口号t 6 位目的端口号 1 6 位u d p 长度1 6 位u d p 检验和 数据 i 肼首部 图2 7u d p 检验和计算过程中使用的各个字段 伪首部的源i p 地址字段和目标i p 地址字段记录了发送u d p 报文是所用的源 i p 地址和目的i p 地址：协议字段指明了所使用的协议类型代码( u d p 为1 7 ) ；u d p 长度字段是u d p 数据报的长度( 伪首部的长度不计算在内) 。接收方进行正确性校 验时，必须把这些字段的信息从i p 报文的首部中抽取出来，以伪首部的格式进 行装配，然后再计算校验和。 豁：| 皿伪吲 、lrj 第3 章系统硬件的分析及设计 第3 章系统硬件的分析及设计 3 1 系统的框图 a os a 0 a 4 s a 4 d 0垃s d 0 l f 2 4 0 71 i r t l 8 0 1 9 a s d 7s d 7 v c c x 附t 1t 0 i o p a 7 s t r b| 苫 1 0 r b 璐 r d ) w b w e i o p a 6r s t d r v 图3 1 硬件总体框图 由上图可知，该系统主要由微处理器d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，数字温度传感器 d s l 8 b z o 与网络控制器r t l 8 0 1 9 a s 组成。d s p 负责对网络控制器的初始化，数据 的发送和接收，传感器的数据读取；d s l 8 8 2 0 负责温度的采集；r t l 8 0 1 9 a s 负责 数据包和电信号之间的转换，即把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输， 将收到的物理信号还原成数据按指定格式存放在芯片r 栅中以便主机程序取用。 网卡变压器2 0 f 一0 l 与网络控制器配套使用，用于隔离发送和接收的信号。关于 各器件的连接及整个系统框图的形成原理，下面将详细叙述1 6 】【1 7 】。 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介及其外围电路2 2 1 f 2 3 3 2 1 芯片特点 - i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是美国德州仪器( t e x a si 【l s t m l e n t s ) 公司基于c 2 0 0 0 平台的2 4 x 系列的1 6 位定点d s p 。该系列d s p 体系结构专为实时信号处理而设 1 6 第3 章系统硬件的分析及设计 计，将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理 想的解决方案。有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，供电电压3 3 v ，减小了控制器的功耗； 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而提高了控制器的实时控制能 力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 i j 2 4 0 7 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 兼容。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据，程序r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d a 】l a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 具有两个功能强大的事件管理器模块e 、a ，e v b 。每个模块包括有两个 1 6 位通用定时器，8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。事件管理器模块适用于控 制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器 等。 可扩展共1 9 2 k 字外部存储器空间，其中6 4 k 字程序存储器空间，6 4 k 字数据存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间。 可编程看门狗定时器模块，提高系统的可靠性。 内置1 6 通道输入a d 转换器，最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事 件管理器来触发。 集成了串行通信接口( s c i ) 模块和1 6 位串行外设( s p i ) 接口模块。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护中断、复位和两个可屏蔽中断) 。 3 2 2 芯片内存管理 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的设计是基于增强的哈佛结构，它通过三组并行总线访问多 个存储空间：程序地址总线( p a b ，p r o g r a ma d d r e s sb u s ) ，数据读地址总线( d 融墟， d a t a - r e a da d d r c s sb u s ) ，数据写地址总线( d w a b ，d a t a 。w r i t ea d d r e s s b u s ) 。在d s p 运算的不同阶段，这三个总线操作不同的内存地址空间。因为这些总线的工作是 相互独立的，所有可以同时访问程序和数据空间。在一个给定的机器周期内， c a l u 可以执行多达3 次的并行存储器操作。 1 7 第3 章系统硬件的分析及设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 包含的片内存储器有：5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) ，2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 和3 2 k 字的f l a s h 程序存储器。其中d a r a m 分 为2 5 6 字的b o ，b i 和3 2 字的b 2 。当片内r a m 配置控制位( c n f ) 被设置为 0 时，b 0 块被映射到数据存储空间，否则，被映射到程序存储空间；块b 1 和 b 2 分别映射到地址为0 3 0 0 h 0 3 f f l l 和0 0 6 0 h 0 0 7 f h 的数据存储空间。s a r a m 则即可用于程序存储，又可用于数据存储空间，由d o n 位和p o n 位来决定。 3 2 字的f l a s h 主要由m p m i c 位来决定使用权，当m p m c = 0 时，器件设置为 微控制器方式，f l a s h 映射到片内0 0 0 0 h 7 f f r l 地址空间，当m p ，m c = l 时， 则禁用片内f l a s h 空间。 另外，芯片还可扩展6 4 k 字程序存储器空间，6 4 k 字数据存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间。 3 2 3l f 2 4 0 7 部分外围电路框图 1 珊_ i y 7 卜 l f 2 4 0 7