（电路与系统专业论文）基于sep4020的gprs无线路由器设计.pdf

d e s i g no fag p r sw i r e l e s sr o u t e r b a s e do ns e p 4 0 2 0 at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n gz h a o f u s u p e r v i s e db y p r o f z h a n gm e n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y 2 0 1 0 啪舯l 3帅8ml6m 7 ii_胂y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名丑丝绫隰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：j l 髭幺窒导师签名： 期：2 盟幺 2 笸 摘要 摘要 g p r s 无线路由器具有适用范围广、支持快速无线接入等特点，因此在工业控制领域的应用 越来越广泛。但由于g p r s 网络自身的特点，现有的g p r s 无线路由器无法满足快速、实时传输的 需求。因此，有必要设计一种成本低廉、传输性能优异的g p r s 路由器，满足基于g p r s 网络的人 规模快速实时传输的需求。 论文的研究目标是基于s e p 4 0 2 0 嵌入式微处理器及其以太网m a c ，设计面向g p r s 网络的支 持3 个终端同时接入的无线接入路由器。根据m a c 的特点及算法，完成了多端口共享总线结构的 数据交换电路设计。结合a s i 】【o s 嵌入式操作系统，分别实现了g p r s 链路的p p p 协议、动态路由 协议r i p o s p f 、动态分配d 地址的d h c ps e r v e r 功能、网络间i p 地址转换( n a t ) 等基本功能。为 解决现有t c p 协议在g p r s 网络中性能无法满足需求的问题，利用网络仿真软件n s 2 对四种t c p 协议进行仿真对比，以延迟时间、丢包率、吞吐率作为性能评价指标，最终挑选在g p r s 网络中性 能最优的t c p w e s t w o o d 协议作为g p r s 路由器系统的t c p 协议。在确定了t c p 协议的基础上，针 对t c p 协议拥塞控制算法的局限，设计了一种缓冲区动态调节算法，对传统的拥塞控制机制进行改 进，进一步提高t c p 的传输性能。 最后对系统的性能进行了测试。测试结果表明，设计的g p r s 无线路由器能够可靠实现网内设 备间、网内设备与外网服务器间的通信，利用改进的算法所设计的无线路由器系统上行吞吐率达到 5 0 k b p s ，下行吞吐率达到8 3 k b p s ，较改进前分别提高了6 7 和5 1 ，实现了论文制定的设计目标， 可广泛应用于工业控制、户外监控等领域。 关键词：g p r s 网络无线路由器嵌入式操作系统t c p 协议吞吐率 a b s t r a c t t h eg p r sw i r e l e s sr o u t e ri su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h ea r e ao fi n d u s t r i a lc e n t r e lb e c a u s eo fi t s w i d ea p p l i c a b i l i t y , f a s tc o n n e c t i o na n ds oo n b u ti tc a l l tm e e tt h eq u i c ka n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o nd e m a n d f o rt h eg p r sn e t w o r k so w nc h a r a c t e r i s t i c a sar e s u l t i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nal o wc o s ta n dh i g h t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eg p r sr o u t e rt os a t i s f yt h el a r g e s c a l eq u i c kt r a n s m i s s i o nd e m a n d ag p r sr o u t e rw h i c hs u p p o r t st h r e et e r m i n a l sa to n et i m ei sd e s i g n e db a s e do ns e p 4 0 2 0a n di t si n n e r m a cf m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ) t h em u l t i p o r ti n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h ea r i t h m e t i co ft h em a c t h es y s t e r nr e a l i z e st h eb a s i cf u n c t i o nr e s p e c t i v e l yi n c l u d i n gp o i n tt op o i n t p r o t o c o l ( p p p lf o rg p r sc o m m u n i c a t i o n d y n a m i cr o u t i n gp r o t o c o lr o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l ( r i p ) a n do p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ( o s p f ) ，d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) s e r v e ra n dn a t f n e t w o r ka d d r e s st r a n s f o r m ) i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl o wt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e n e t w o r k s i m u l a t i o ns o f t w a r en s 2i su s e dt os e l e c tah i g hp e r f o r m a n c et c pp r o t o c o ii ng p r sa c c o r d i n gt od e l a y t i m e p e r c e n t a g eo fp a c k e tl o s sa n dt h r o u g h p u t a f t e rs i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o n t h et c pw e s t w o o di s c h o s e nt ob et h es y s t e mt c pp r o t o c o if o ri t sb e s tp e r f o r m a n c e a f t e rd e t e r m i n i n gt h et c pp r o t o c 0 1 a r i t h m e t i co fa d j u s t i n gb u f f e rd y n a m i c a l l yw h i c ha d j u s t st h er e c e i v i n gb u f f e rt oi m p r o v et r a d i t i o n a l c o n g e s t i o nc o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e da i m e da tt h el i m i t a t i o no ft h et c pc o n g e s t i o na r i t h m e t i ca n di ti s u s e dt oi m p r o v et h et c pp e r f o r m a n c ef u l t h e r a tl a s t t h et e s tt ot h es y s t e mi sg i v e no u t t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ef u n c t i o no fc o m m u n i c ：a t i o n b e t w e e nt e r m i n a l si nt h es a m en e to rd i f f e r e n tn e t si sr e l i a b l e t h es y s t e ms e n d i n gt h r o u g h p u tr e a c h e s 5 0 k b p sa n dt h er e c e i v i n gt h r o u g h p u tr e a c h e s8 3 k b p sa r e rt h ei m p r o v e m e n t i ti n c r e a s e s6 7 a n d51 r e s p e c t i v e l yt h a nb e f o r e i tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dc a nb ew i d e l yu s e di nt h ea r e ao fi n d u s t r y c o n t r o la n dt h eo u t d o o rw a t c h k e y w o r d s ：g p r sn e t w o r k , w i r e l e s sr o u t e r , e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t c pp r o t o c o l , t h r o u g h p u t 目录 目录 摘要1 a b s t r a c t ii 目录l i i 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 论文的研究背景及意义1 1 3 论文的关键问题和研究内容2 1 4 论文的结构2 第二章g p r s 无线路由器开发平台4 2 1 路由器的硬件平台设计4 2 2 路由器的软件平台实现8 2 3 本章小结11 第三章g p r s 无线路由器基本功能的实现1 2 3 1g p r s 无线路由器系统协议总述1 2 3 2g p r s 网络通信链路的建立1 2 3 3 动态路由功能的实现1 5 3 4 动态口地址分配功能的实现2 4 3 5 网络间i p 地址转换功能的实现2 6 3 6g p r s 网络中t c p 数据传输的关键问题2 8 3 7 本章小结2 9 第四章g p r s 无线网络中t c p 协议的实现与优化3 0 4 1 现有t c p 协议在g p r s 嘲络中的性能分析3 0 4 2g p r s 网络中的t c p 性能仿真与比较。3 1 4 3 现有t c p 协议拥塞控制机制的缺陷3 4 4 4g p r s 网络中t c p 协议的实现与优化3 6 4 5 本章小结3 8 第五章g p r s 路由器系统测试与实验3 9 5 1 测试方法设计3 9 5 2 系统数据收发功能测试4 l 5 3 系统性能测试与仿真4 3 5 4 测试结果的分析4 4 5 5 本章小结4 5 总结与展望4 8 总结4 6 展! i 基4 6 致谢4 7 参考文献柏 附录 研究生阶段发表论文情况5 2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着网络技术的飞速发展和工业控制的自动化、智能化，控制系统由原来的单一、有线控制过 渡到现在的人规模、无线控制，控制终端通过无线网络最终接入到以太网。因此针对无线网络的特 点，如何实现无线环境中多点的快速无线接入和快速数据传输成为工业控制的关键技术，目前得到 了广泛研究和应用。在各种无线网络服务中，g p r s 由于起步早，技术成熟可靠，信号覆盖范围广 和数据传输带宽较大等突出优点，加上目前3 g 发展前景尚不明朗，升级至3 g 网络需要巨大的投入， 所以可以预见在未来较长时间内，g p r s 网络在国内仍将发挥重要作用，基于g p r s 网络的设备仍 将具有巨大的市场价值刊。 g p r s 无线路由器的实用范围是终端设备所在位置有g p r s 网络信号覆盖的所有区域，目前 g p r s 网络已基本达到全域覆盖。而基于w i f i 技术的无线局域网，在开放性区域，通讯距离可达3 0 5 米；在封闭性区域，通讯距离为7 6 米到1 2 2 米 2 1 1 4 5 1 。冈此g p r s 无线路由器的适用范围远远超出 了w i f i 无线路由器所能达到的极限，实用性更强。但是由于g p r s 无线网络的特点不同于传统的有 线网络，使得基于有线网络开发的传统t c p 协议已无法满足快速实时传输的应用需求，冈此必须选 用效率更高的、适合g p r s 网络环境的t c p 协议，提高面向g p r s 网络的设备整体传输性能。 1 2 论文的研究背景及意义 1 2 1 无线网络的发展现状 无线网络以无线电波作为载体传输数据，脱离了网线的束缚，对日常生活产生了深刻的变革。 目前无线网络主要包括c d m a g p r s 、蓝牙技术和无线局域网( w i f il a n ) 等接入方式，最常用的 c d m a g p r s 无线上网卡、无线路由器、“迅驰”笔记本、蓝牙耳机等就是无线技术在生活中最直接 的体验【l _ 3 】。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础发展起来的数据传输 技术，可以认为是g s m 的升级技术【2 】【3 】。g p r s 不同于传统的连续在频道上传输的方式，它以封包 ( p a c k e t ) 为单位传输数据，因此使用时所负担的费用以实际传输的数据量计算，并非占用其整个频 道，资费更为便宜。它利用的是g s m 网络中未使用的t d m a 信道，其提供中速的数据传输业务。 g p r s 突破了g s m 只支持电路交换方式的局限，通过添加相应的功能实体和改造现有的基站系统来 实现分组交换，这种改造沿用现有的g s m 网络即可，因此投入相对来说并不大，但对数据速率的提 升却相当可观。从功能实现上来说，g s m 负责声音的传送，而数据的传送则由g p r s 承担，这样 g s m 网络的功能发生了质的飞跃。g p r s 的用途十分广泛，包括电子邮件的收发，浏览互联网资源 等。g p r s 的传输速率可提升至5 6 k b p s 甚至1 1 4 k b p s 俐i j j 。 目前3 g 网络发展迅速，各方呼声也很高，但3 g 使得设备制造商和运营商的成本投入巨大，加 上国内市场的消费特点，目前3 g 的市场前景并不明朗，对运营商来说，尽管3 g 是一个巨大的诱惑， 但这个诱惑过于遥远，他们更愿意先赢得眼前的收益。于是，许多运营商采取了同时推进2 5 g 与 3 g 的策略 3 1 1 5 j 。所以长时间内，国内市场还会是多种网络共存的局面。 1 2 2 路由器技术的发展现状 路由器是用于连接不同网络的设备，它根据网络的拓扑结构自动选择和更新路由，以最佳路径 将数据包从源端发送到目的主机，是网络间数据转发的枢纽。对路由技术的讨论早在4 0 多年前就 已经出现了，但直到上世纪7 0 年代末，路由技术才逐渐进入商业化的应用【1 】【3 】。在问世之初， 路由技术之所以没有得到广泛推广主要是因为8 0 年代之前的网络结构都比较简单，没有必要 东南大学硕士学位论文 使用路由技术。直到最近二十年，互联网络的规模迅速膨胀，给路由技术的应用和发展带来 了良好的平台和机遇【1 训。 路由器通过转发数据包来实现网络互联。虽然路由器可以支持多种路由协议( 例如 t c p i p 、i p x s p x 、a p p l e t a l k 等协议) ，但是在我国绝大多数路由器运行t c p i p 【4 j 。路由器 通常连接多个由i p 子网或点到点协议标识的逻辑端口，至少有一个端口拥有物理地址。路由 器根据收到的数据包中的网络层地址查找路由器内部维护的路由表决定输出的端口以及下一 跳地址，然后根据下一跳i p 地址重写链路层数据帧头实现数据包的转发。而路由器通常根据 路由协议动态的更新路由表来实时地反映当前的网络拓扑。路由器通过与网络上其他路由器 交换路由或链路信息来维护和实时地更新路由表p 巧j 。 目前路由器已经广泛应用于各行各业，随着互联网的普及、网络带宽的迅速增加、数据业务 的爆炸性增长以及用户对服务质量要求的不断提高，网络系统的规模、速度、种类和应用等都已经 发生了巨大变化，这些网络系统本身的变化导致作为网络核心的路由器体系结构也发生了巨大变化 【2 】【5 】。这种变化集中体现在路由器设计思路的变化上，对于中低端低成本的接入式路由器大多采用的 是单总线单c p u 结构，而高端的路由器大多是使用基于硬件f p g a a s i c 器件或者网络处理器硬件 交换的工作模式，数据变换速度快，效率高，但是结构复杂，成本昂贵，主要用于核心网络之间的 互联【4 l 【5 1 。 目前我国工业控制领域的接入级路由器发展迅速，尤其是广大中小企业，充分运用互联网这个 庞大、丰富、廉价的资源，全面开展了企业现代信息化的工作。随着企业信息化业务越来越成熟， 网络环境越来越复杂，接入路由器也不断通过技术更新适应新的要求。现在接入路由器已开启了“安 全时代”，与以前的产品相比，新一代产品更加稳定流畅，更加安全，在宽带网接入领域实现了根本 的技术变革，接入级路由器市场将会迎来新的较大发展，这也必将给我国的信息化发展进程带来深 刻影响【4 1 【5 1 。目前市场上出现的g p r s 无线路由器主要用于大规模的低成本丁业控制领域，产品功能 单一，传输性能较低，传输速度一般仅为5 0 - 7 0 k b p s ，只能满足基本的g p r s 无线数据传输。根据 实践的经验发现，对于面向g p r s 网络数据传输的应用场合，通常大约需要系统达到8 0 k b p s 以上才 能基本满足实时传输的要求，因此现有产品由于传输速度较低，实时性较差，无法满足快速实时传 输的需求。 1 3 论文的关键问题和研究内容 论文的目标是基于s e p 4 0 2 0 嵌入式处理器的特点，设计面向g p r s 网络的支持多个终端同时接 入的工业级无线接入路由器。该系统支持r i p 、o s p f 两种路由协议，以便与其他路由器兼容；提供 d h c ps e r v e r 功能；支持n a t 功能。 t c p 协议作为互联网中的重要协议被广泛使用，它的传输性能直接影响着整个系统的通信性能。 g p r s 无线网络与有线网络相比，具有链路可靠性较差，传输延迟大，误码率高，有效带宽小等特 点，因此基于有线网络开发的主流传统t c p 协议在无线网络中性能大幅度降低，已无法满足快速、 实时传输的应用需求，必须选用适合g p r s 网络特点、性能更优的t c p 协议。 论文的主要研究内容包括： ( i ) 结合s e p 4 0 2 0 片内m a c 的特点，选择合适的p h y 芯片，设计低成本的多l a n 口数据交 换接口电路，以支持多个设备的同时接入。 ( 2 ) 根据系统各协议的基本原理，结合a s i xo s 网络协议栈，并参考现有开源操作系统中的实 现方法，设计和实现g p r s 无线路由器的基本功能。 ( 3 ) 根据g p r s 网络的特点，对现有的传统t c p 协议进行改进和优化，使在g p r s 网络中的 t c p 协议的传输性能满足应用需求。 1 4 论文的结构 论文共分为五章，具体篇幅安排如下： 第一章：绪论。介绍论文的背景和研究意义，论文的研究内容和关键问题及论文结构。 第二章：分析和实现论文的软硬件平台设计及改进。根据s e p 4 0 2 0 的特点，结合内部的m a c ， 设计硬件平台；完成缸政o s 嵌入式操作系统在s e p 4 0 2 0 上的移植； 2 第一章绪论 第三章：根据各协议和功能的基本原理，结合a s i xo s ，并参考现有开源操作系统的实现方法， 设计和实现g p r s 端口的p p p 协议，r i p o s p f 路由协议，d h c p 服务器功能，n a t 功能。 第四章：针对g p r s 无线网络中t c p 性能降低而无法满足应用需求的状况，根据g p r s 网络的 特点，选择现有的在g p r s 网络中性能最优的t c p 协议作为论文的t c p 协议，代替原有的传统t c p 。 并设计一种缓冲区动态调节算法，通过调整接收端实现t c p 拥塞控制的改进。 第五章：对设计的路由器系统的测试和实验，并对测试结果进行分析。 3 东南大学硕士学位论文 第二章g p r s 无线路由器开发平台 系统平台是系统设计的基础，它的可靠性和实时性直接影响着系统的性能。本章根据m a c 的 特点，完成多l a n 口硬件平台设计：深入分析论文选用的a s i xo s 软件平台的特点，并将其移植到 s e p 4 0 2 0 上。 2 1 路由器的硬件平台设计 2 1 1 路由器系统的硬件设计 论文的硬件平台是基于s e p 4 0 2 0 多功能嵌入式处理器及其内部的m a c 、u a r t 、t i m e r 、e m i 、 p m u 等控制模块而开发的。无线路由器系统的基本结构如图2 1 所示。综合考虑s e p 4 0 2 0 处理器的 性能以及网络负载对系统性能的影响等因素，设计的系统提供3 个l a n 口，分别连接一个p h y 控 制芯片，而这3 个l a n 口的p h y 采用的是单c p u 单总线的方式与片内m a c 的m t x d m r x d 连 接在一起。对于无线路由器系统的w a n 口，由g p r s 无线模块承担，该模块接在标准的2 * 1 0 h e a d e r 的串口( u a r t i ) 上。从模块的稳定性、数据传输能力以及供货情况等综合考虑，选用的是s i e m e n s m c 3 9 ig p r s 无线数据传输模块。它是德国两门子公司的原装g s m g p r s 终端，设计小巧，功耗低， 性能稳定可靠，提供r s 2 3 2 接口，支持短信收发、语音、传真、g p r s 上网、数据传输，支持永久 在线 图2 1系统的整体硬件结构 s e p 4 0 2 0 嵌入式微处理器是基于英国a r m 公司提供的a r m 7 2 0 t 的口核自主设计和研发的一 款s o c 。s e p 4 0 2 0 的硬件结构如图2 2 所示，它的微内核是3 2 位的r i s c 内核，采用的是冯诺依曼 结构，最高工作频率1 0 0 m h z ，内核内部带8 k b 的c a c h e 和全功能的m m u l o j ，片内集成了多种外 部常用模块的控制器，包括n a n d f l a s h 控制器，n o r f l a s h s d r a m 接口，1 0 1 0 0 m 自适应 m a c ，6 4 k 的片上e s r a m ，u s b ，r t c ，l c d ，1 2 s ，m m c s d ，1 0 个t i m e r ，4 个u a r t 控制 器，2 通道的s s i 等，支持多达9 7 个g p i o 和3 0 个中断源( 内部模块控制器的中断源1 9 个，外部 中断源11 个) ，支持d m a ，片上d p l l 提供多种不同功耗的工作模式i l 引。 4 第二章g p r s 无线路由器开发平台 图2 2s e p 4 0 2 0 硬件架构示意图 在本设计中，一大特点正是利用该处理器内部封装的专门用于支持网络产品开发的m a c 模块， 这也使得s e p 4 0 2 0 处理器的应用范围更广，适用性更强，更适合开发低成本的网络设备。片内的 m a c 控制器需要外接一个用于电平转换和控制的p h y 芯片，以组成完整的以太网应用方案l l3 | 。 s e p 4 0 2 0 内部的m a c 主要功能有1 1 3 j ： 兼容8 0 2 3 、8 0 2 3 u 以及以太网协议 支持1 0 m 1 0 0 m b p s 传输速率 支持全双工、半双工工作模式 支持硬件流控 支持超短帧丢弃，超长帧自动截断 支持地址过滤和载波监听、冲突检测c s m c d 仅支持r m i i 接口 a h bm a s t e r 接口和a h bs l a v e 接口 独立的接收和发送3 2 * 8b ”ef i f o 2 1 2 多ta n 口接口电路设计 2 1 2 1 路由器常见的数据交换结构介绍 数据交换技术作为宽带交换领域的一项核心技术，原理是将来自于若干不同输入端口的数据包 根据路由转发表发送到相应的输出端口，硬件接口设计的关键是如何既要协调好几个端口的异步工 作，又要满足实时性要求。因此，如何设计满足要求的数据交换结构，成为路由器硬件设计的关键。 可以将路由器分为软件转发路由器和硬件转发路由器 s i 。 1 ) 软件转发路由器 ( 1 ) 单c p u 单总线路由器 这种单总线单c p u 结构的主要局限是处理速度较慢，端口之间的冲突严重，从而限制了系统的 吞吐量。另外，系统容错性也不好，c p u 若出现故障容易导致系统完全瘫痪，所以必须有高效的算 法及冲突处理机制来保证多端口高效地共享总线，但该结构的突出优点是结构简单，系统成本低， 适合一般的性能需求【5 1 。随着该结构的应用和研究越来越广泛，出现了高效的支持共享总线结构的 算法，如最常见的载波监听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 协议，使得该结构得到了广泛使用。目前 接入式路由器基本上都是这种结构。 ( 2 ) 单c p u 双总线路由器 为了解决总线瓶颈，最简单的办法是增加总线。路由器可以采用双总线结构，将双向的数据分 布到两个总线上【5 】。如果c p u 不是瓶颈的话，采用双总线结构的路由器可以将吞吐量增加一倍。 ( 3 ) 多c p u 双总线路由器 5 东南大学硕士学位论文 在单c p u 系统中，中央c p u 完成除物理接口以外的其他所有功能，包括数据的收发、处理， 路由等，因此在双总线结构中，随着数据量的增大，c p u 成为系统性能提高的瓶颈。c p u 的瓶颈问 题可以通过增加c p u 方式解决。主c p u 运行协议软件，更新和维护保存在系统内存中的路由表p j 。 接口卡上的从c p u 进行转发处理，在每个接口上都有本地缓存，缓存少量的路由信息或者全部的路 由表，从c p u 根据数据包以及缓存的路由信息转发数据，所有的信息仍可以在共享总线上传递。 2 ) 硬件转发路由器 随着互联网路由表的规模日益膨胀以及接口速率日益提高，路由表查找工作过于繁重，通用c p u 已无法胜任软件转发工作。上述的三种结构都是软件转发，显然当系统传输的数据量较大时，对数 据传输的实时性要求高时，基于软件转发的路由器就无法满足要求。于是出现了专用硬件来处理一 些单一的数据转发工作，通用c p u 只处理比较复杂的路由计算工作。最典型的专用硬件是网络处理 器。 硬件转发主要用于高速的核心网路由器中，结构复杂，设备成本昂贵。硬件转发的实质是一种 对分组转发的分布式处理【4 】【5 1 。显然共享总线结构不能满足高速系统转发能力的要求。 2 1 2 2 数据交换接u 电路的设计 基于s e p 4 0 2 0 内部的m a c 控制器，外接p h y ，可以实现完整的以太网功能，而无线路由器系 统设计提供3 个l a n 口，因此需要外接3 个p h y 来满足设计要求。设计该接l 电路的关键是如何 解决多个p h y 端口与m a c 之间同时、异步的通信问题，实现各端口的以太网设备异步实时的数据 收发。 片内的m a c 控制器支持半双工、全双工模式，支持地址过滤和网络监听。全双工操作，即允 许终端设备间使用点对点的连接同时实现数据收发。因为没有对传输介质的争夺，因而相对于半双 工模式，没有延迟传输，没有载波检测，没有接受反馈。但是实现全双工必须满足以下条件：1 物 理介质必须要支持没有冲突的同时发送和接收；2 有且仅有两个设备以点对点的方式连接；3 两个设 备能够确认在使用全双工的操作。因此采用全双工模式的设备硬件要求比较高，设备结构复杂，成 本相比要昂贵的多，主要用于网络设备中连接桥端1 ：i 和独立网络设备的中心桥( 如交换机) l i 川。而 半双工，即在同一时刻，设备只能发送或者接收，不能同时进行。这意味着冲突是很可能出现的。 对于共享广播网络的多个设备而言，半双工模式成了唯一可取的工作模式，如何高效的处理冲突成 为设计的关键。而c s m m c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制的诞生，使得高效 便捷地使用共享网络成为现实，从而也使得共享物理链路结构在低成本的局域网组网时得到广泛应 用【4 】【5 1 。 c s m a c d 技术是保证共享网络上的端口有效地避免冲突，防止多个设备同时抢占共享线路资 源的重要手段。它原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站地位平等，不需要集中控制，不 提供优先级，工作在数据链路层。c s m a c d 机制概括为侦听、发送、检测、冲突处理等阶段，具 体的工作过程是： ( 1 ) 设备若试图发送数据，则首先检测共享线路的状态，如果线路空闲，则由c s m a 算法决定 是立即发送数据还是等待一段时间后发送；如果线路繁忙，则等待。 ( 2 ) 如果同时出现了另一个设备也在发送数据，两个设备发送的数据必然发生冲突，导致线路上 的信号不稳定。则后发送数据的设备首先发现冲突，发送干扰码来强化冲突，为一串连续单一的电 信号【1 3 1 。 ( 3 ) 当冲突信号到达主机设备时，若数据包还没有发送完，则立即中止数据发送，等待一段时间 后重新发送；反之，若整个数据包已全部发送完，那么该主机设备就无法知道发生了冲突，则发送 的数据会出错【1 3 】。显然后一种情形是必须避免的，因此以太网协议对以太网帧长做了规定( 必须大 于“字节) ，以保证c s m a c d 算法的正确性。 ( 4 ) 因冲突而需要重传数据包的设备，则再次侦听链路，以待重新发送。若发现线路继续忙，则 等待一个延时后再次侦听，一直等到物理链路空闲可以发送数据包为止。每次延时的时间不一定， 由c s m m c d 机制自身的退避算法决定。 s e p 4 0 2 0 嵌入式处理器内部的m a c 支持c s m a c d 机制，支持半双工模式，且主流终端设备 的以太网接口通常都支持c s m a c d 机制，因此采用共享总线的结构，将3 个p h y 的i o 口与m a c 的数据i o 总线连接在一起形成共享结构，由c s m a c d 算法支持，实现了3 个l a n 口可同时、异 步的数据输入。本系统的l a n 口数据交换接口电路结构如图2 3 ，图2 _ 4 所示。图2 3 只给出s e p 4 0 2 0 中e x t i n t 7 ( r m i i 中断管脚所连接的 芯片接口，其余的个 除了中断管脚分别连i n t 7 ) p h y 2p h y 接e x 珈n t 8 、e x t i n t 9 以外，其他同名管脚都并接在一起。 6 第二章g p r s 无线路由器开发平台 1 西d 习甲 l d d v 肼。 雪， e 皿w 圈皿如d e d 如d 辨 娶【c u 0 加b 匹e 譬 d 1 8蚴鞘。- 蠹 嘲妨h 】脚伍 d d r d l o l m 盯 d 刚 d 珊d c i p h m 哪 d d frnih-1。 差 a o p ，! i p l o 谭 旺帅盯 d 刚 7 l 毋 8 嘲秘 珏 谯瑚眦 础 m 。# 研 bl d 2 ，o p 2 口】l m 埘_ m ) o p 2 ul 功i t 0 p i 1s p 匝d l 西，0 p l l l l 西0 ，0 p o 瞪d 婴； 5 * -时i d x c o u 功舢 d d ； 值邮mt 1 f， ft 监 i 脚。1 0 x 弱 勰 c o u 衄b 啸蓝 盯“i 肋c“口0n b 髓b 6 珀 船i c 6 印 _ l 墟一 p w 助硼射跚 j 种 l o i o 蚴d = c b l e 匹j l 瞰醛匹 o n d i 卫m 7 2 强咖础霄 强 bdio l d i n 册嘣 娜姗 柏 吐髓d 兰引| j d 帅 d 麟 i：卜 m m玳毒 ，址， 图2 - 3p h y 控制芯片d m 9 1 6 1 e 的接口电路图 上 = r e s e t1 l w 鱼k e u p1 2 s c a ne n a b l e1 3 g y s e t u p 21 4 s y ss e t u p l1 5 s y ss e t u p 01 6 g n d1 7 订r s t1 8 t d i1 9 t d o2 0 t c k2 l t m s2 2 r m i ii n t 92 3 r m i ii n t 82 4 v c o r e2 5 r m i i j n t 7 2 6 p w m 02 7 v c c 32 8 n r e s e r w a k e u p s c a n e n s y ss e t u p 2 s y ss e t u p l s y ss e t u p 0 v s s l 0 7 n t r s t t d i t d o t c 匿 t m s p w m 3 j g p a 9 厄x n n t 9 p w m 2 _ i f | g p a 8 i e x t i n t 8 v d d c o r e l p w m l l i g p a 7 厄x t i n t 7 p w m 0 l i | g p a 6 厄x t i n t 6 v d d i o l 图2 4s e p 4 0 2 0 中m a c 提供的部分外接控制管脚 7 东南大学硕士学位论文 网络接 jp h y 使用的是d a v i c o m 公司的d m 9 1 6 1 e 芯片，它是一款高性能的用丁二电平转换和 电信号控制，工作在物理层但没有逻辑控制能力的网络收发器，采用r m i i 标准接口，结合s e p 4 0 2 0 内部的m a c 控制器实现完整的1 0 m 1 0 0 m b p s 自适应以太网接口，需要的主时钟由外部的5 0 m h z 的晶振提供【6 】。 片内m a c 控制器的中断属于内部中断，处理器分配给m a c 的中断号为2 8 ，但各p h y 芯片也 有自己的中断请求信号，所以在编写代码时，只设计并注册m a c 中断服务程序i s r ，该i s r 负责无 线路由器所有l a n 端口触发的中断的处理，而各个p h y 自身同时触发的外部中断 e x t i n t 7 e x t i n t 8 e x t n 盯9 软件上不进行处理，因此尽管硬件上会产生有效的p h y 中断，但是忽 略这些p h y 中断，而交由m a c 中断来统一处理端口的数据收发。 2 2 路由器的软件平台实现 2 2 1a s i x0 8 操作系统分析及实现 1 ) 嵌入式操作系统a s i xo s 分析 a s i xo s 是一个遵循u i t r o n 3 0 规范的兼容性内核，适用于1 6 3 2 位g a r f i e l d 微处理器家族，而 s e p 4 0 2 0 正是其中之一。u l t r o n 是一个实时多任务操作系统，它主要是由t r o n 联合会的i t r o n 技术委员会作为 i r o n 项目的一个部分开发出来的【9 j 。它是以a p i 的形式提供给用户的，这样就保 证了内核的可裁剪性，方便用户根据自己的需求来调用内核函数。 a s i xo s 支持2 5 6 个优先级，最多可运行2 5 5 个不同优先级的t a s k 。它支持相同优先级任务且同 优先级任务的个数没有限制，相同优先级的任务之间可以通过自动放弃或时间片轮转相互切换。因 此，理论上只要系统的内存资源允许，该操作系统可支持无穷多个任务。 如图2 - 5 所示，这是论文中使用到的内核组件的结构关系。a s i xo s 提供的常用模块包括：任务 调度、任务间同步和通信、时钟管理、中断管理、内存管理、f o 驱动、系统诊断、文件系统等。 厂+ r 一 一厂丁一 豳囱囱豳囱应 厂一”r 一 厂丁厂j 豳semaphore囱eventg r o u p 囱s i g n a l 国m a i l b o x 圆q u e u e 豳p i p e 豳豳 l 信号量il 事件组 il 信号|l 邮箱if 队列il 管道il 士由育l 。士；l iliijlil 。4i ”1l l_-。-。_，-_-一l-_-_-_。-_一-_-_。-_-_。 图2 5 a s i xo s 内核组件的结构 其中用于任务同步的组件有信号量s e m a p h o r e 、事件组e v e n tg r o u p 、信号s i g n a l ；用于任务间 通信的组件有邮箱m a i l b o x 、队列q u e u e 、管道l i p e ；内存管理包括常用的分区内