（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式系统的tcpip协议栈的研究.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统的i n t e r n e t 网络化的研究与应用是近几年来嵌入式应用领 域的一个研究热点。嵌入式系统与人们的生产、生活关系最为密切并j 爿j 有 无尽的信息资源，通过嵌入式系统i n t e r n e t 网络化可以实现这些信息的共 享。嵌入式系统的i n t e r n e t 网络化的前提是在嵌入式系统中实现t c p i p 协 议栈。 本文针对应用广泛的a r m 7 系列的处理器为核心的嵌入式系统，设计 了一种适合该系统的轻型t c p i p 协议栈。开发平台采用了a r m 公司集编 辑、编译、仿真和调试于一体的的a d s1 2 软件。硬件平台主要由p h i l i p s 的l p c 2 1 1 4 组成。网络接口采用了l p c 2 1 1 4 的串口。 首先，在分析国内外嵌入式t c p i p 协议栈研究现状的基础上，指出 了嵌入式t c p i p 协议栈存在的主要问题。在深入研究了嵌入式系统和 t c p i p 协议栈基本原理后，对传统的t c p i p 协议栈进行剖析、改进，并 提出了一种基于嵌入式系统的t c p i p 协议栈方案。本方案提出了“零拷 贝”的存储器管理方法，对i p 封装、分用、重组进行基于嵌入式系统的优 化设计，提出了适合嵌入式系统的t c p 状态机的方法、确认和重传机制。 其次，本论文也从另外一个角度对嵌入式网页服务器进行了研究，通 过动态网页可以远程对嵌入式系统进行监控。 最后用a d s1 2 完成了嵌入式t c p i p 协议栈软件设计、数据结构描述， 并对其进行了测试验证。 本文的工作为t c p i p 协议栈引入了新的思路，研究的嵌入式t c p i p 协议栈具有广泛的应用前景。 关键词t c p f l p ：协议栈；嵌入式系统；a r m 7 ；网页服务器；串口 燕山大学上学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c ho nc o n n e c t i n ge m b e d d e ds y s t e mw i t hi n t e r n e t h a sb e c o m eo n eo f t h ef o c u s e si na p p l i c a t i o n so fe m b e d d e ds y s t e m e m b e d d e d s y s t e mi sc l o s e dt op r o d u c t i o na n dl i f eo fh u m a nb e i n ga n di to w n su n l i m i t e d i n f o r m a t i o nr e s o u r c e s t h ei n f o r m a t i o nc a nb es h a r e dt h r o u g he m b e d d e d s y s t e mw i t hi n t e r n e t t h ei m p l e m e n t a t i o n o ft c p i pp r o t o c o ls t a c ki n e m b e d d e ds y s t e mi st h ei m p l e m e n tp r e m i s eo fe m b e d d e di n t e r n e t t h i sp a p e rd e s i g n sal i g h tt c p i pp r o t o c o ls t a c kw i t ha r m 7s e r i e s m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) ，w h i c hi ss u i t a b l e f o re m b e d d e ds y s t e m i ta d o p t s a r ma d s1 2w h i c hi n t e g r a t e dw i t he d i t o r , c o m p i l e r , e m u l a t o ra n dd e b u g g e r a st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h eh a r d w a r ep l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e s l p c 2 11 4o f p h i l u sa n dt h en e ti n t e r f a c ea d o p t si t ss e r i a li n t e r f a c e f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep r e s e n ts t a t u so ft c p i pp r o t o c o l s t a c k ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h em a i np r o b l e mo fe m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l s t a c k a f t e rad e e pr e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e ma n d t c p i pp r o t o c o ls t a c k , t h ep a p e ra n a l y s e sa n di m p r o v e st h et r a d i t i o n a l e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ka n dp r e s e n t st h es t r a t e g yo ft c p i pp r o t o c o l s t a c kb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t h i ss t r a t e g yb r i n g sf o r w a r d n i l - c o p y ” m e m o r i z e rm a n a g e m e n tm e t h o d ，o p t i m i z e si pe n c a p s u l a t i o n , d e m u l t i p l e x i n g a n dr e a s s e m b l yb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m , p r e s e n t st h em e t h o do ft c ps t a t u s m a c h i n eo ne m b e d d e ds y s t e m , c e r t i f i c a t i o na n dr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m s e c o n d l t h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri sa l s os t u d i e df r o ma n o t h e rp o i n to f v i e w i tc a nm o n i t o rl o n gd i s t a n c ee m b e d d e ds y s t e mt h r o u g hd y n a m i cw e b f i n a l l y , t h ep a p e ra c c o m p l i s h e dt h es o f t w a r ed e s i g na n dd a t as t r u c t u r e d e s c r i p t i o nw i t ha d s1 2a n dt h et e s tw a sa l s om a d e an e ww a yw a si n t r o d u c e dt ot h ef i e l d so ft c p i pp r o t o c o ls t a c ks y s t e m h a b s t r a c t t h r o u g ht h i sp a p e r t h ep r o p o s e de m b e d d e dt c p f l pp r o t o c o ls t a c kh a sg r e a t a p p l i c a t i o np o t e n t i a l k e y w o r d st c p i p ；p r o t o c o ls t a c k ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m 7 ；w e bs e r v e r ； s e r i a li n t e r f a c e m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于嵌入式系统的t c p p 协议栈的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字前基，爱 日期：工。箔年j 月扩日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于嵌入式系统的t c p i p 协议栈的研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：考汹强日期：。i 年月g 日 导师签名 川习日期捌6 年月7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着因特网应用的日益普及，信息技术迅猛发展，信息共享的程度不 断提高，人们已经进入了信息时代，i n t e r n e t 已经进入到于家万户，成为人 们工作和日常生活中不可缺少的重要组成部分。人们可以在网上浏览网页、 收发电子邮件、传输文件、视频会议等，这使得人们了解世界以及和外界 交换信息变的简单而又快捷 1 i 。与此同时，随着电子技术的发展，计算机 迈入了其另一个充满机遇的时代。后p c 时代。后p c 时代的到来，使得人 们开始越来越多地接触到一个新的概念嵌入式系统。在人们的生活中， 到处都充满着嵌入式系统，像手机、p d a 、车载g p s 系统、工业智能控制 等都采用了嵌入式系统【2 l 。不知不觉中，形式多样的嵌入式系统设备已经 开始继p c 机之后成为信息处理的一大工具，并且正在逐步形成一个充满 商机的巨大产业。因此，嵌入式i n t e r n e t 形成的范围将是巨大的，可以渗 透到世界的各个地方。同时，嵌入式i n t e r n e t 也将扩展i n t e r n e t 的应用范围， 使i n t e r n e t 遍布世界的各个角落而成为地球的“电子皮肤”。嵌入式i n t e r n e t 将会开启i n t e r n e t 时代的新纪元。 1 1 课题的背景和意义 i n t e r n e t 的兴起和迅猛发展，是上个世纪末期至今信息技术发展的最伟 大的成就之一。i n t e r n e t 技术实现了人们梦寐以求的全世界范围内大规模的 信息资源共享的宿愿。然而到目前为止，i n t e r n e t 上接入的计算机系统绝大 部分都是通用计算机系统，从而信息的共享也只是局限在这些数量有限的 计算机系统之间。 实际上在全球每年的c p u 产量中，9 5 以上都是嵌入式的微处理器， 可见嵌入式系统的应用比通用计算机系统广泛的多，比如一台通用计算机 的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，例如：键盘、鼠标、软 燕山大学工学硕士学位论文 驱、硬盘、显卡等均是由嵌入式微处理器控制的。嵌入式系统的应用更是 涉及制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、航天、消费电子等 各个领域。他们提供一定的控制、显示、检测功能l l 。 人们为了把这些微处理器连接起来，产生了各种各样的连接协议，如 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线协议等，但是这些信息共享只是在局部范围内， 只是在小范围内的信息交流，互联的距离很短，这些协议与i n t e r n e t 所使 用的协议不兼容，无法与i n t e r n e t 互连互通，无法与外界无法实现信息共 享。如何将这些电子设备与i n t e r n e t 连接起来，从而使人们能够在异地通 过网络获取这些嵌入式设备的信息，并对他们进行控制，将是i n t e r n e t 发 展的一个重要方向 7 1 。 嵌入式系统与i n t e r n e t 的互连在各行各业都有广泛的应用前景。美国 贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 的一批科学家对此做出了预测：嵌入式 i n t e r n e t 将会产生比p c 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服 务器。这些瘦服务器将与人们所能想到的各种物理信息、生物信息相联接， 通过i n t e r n e t 网自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的 对象嘲。 嵌入式i n t e r n e t 技术具有广阔的应用前景，其应用领域如下。 ( 1 ) 智能公路交通管理、车辆导航、流量控制、汽车服务一，l o 】。 ( 2 ) 植物工厂特种植物工场，如实现野生名贵药材的远程监控培养和 种植，无土栽培技术应用，智能种子工程等。 ( 3 ) 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 机器人交通警察、门卫、家用机器 人等。 ( 4 ) 信息家电冰箱、空调等的网络化 1 1 , 1 2 】。 ( 5 ) i 业制冷冷库、中央空调、超级市场冰柜。 ( 6 ) v r 库房粮库、油库、食品库等。 ( 7 ) v r 精品店客户可以在i n t e m e t 上实时地看到存货状况。 ( 8 ) v r 家政系统水、电、煤气表的自动抄表，防火、防盗系统【1 3 i 。 ( 9 ) 2 1 2 业自动化目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器在应 用中，网络化是提高生产效率、产品质量和减少人力资源的主要途径，如 第1 章绪论 制药工业过程控制、温度控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石 油化工系统 1 4 。 ( 1 0 ) p o s 网络及电子商务p o s 网络及电子商务包括公共交通无接触 智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r tc a r d ，c s c ) 发行系统，自动售货机等【i 5 】。 ( 1 1 ) 环境工程与自然水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、 堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网1 1 6 1 0 随着各种技术在全世界的推广，嵌入式微处理器的数量将会大量增加。 小型嵌入式系统将是i n t e r n e t 发展的新支点，将来i n t e r n e t 中流动的信息很 大部分来自小型嵌入式系统。因此对嵌入式系统接入i n t e r n e t 的研究具有 重大的意义。 1 2 国内外研究现状 将嵌入式系统与i n t e r n e t 网络结合起来的思想很早以前就有了，主要 的困难在于：一方面，i n t e r n e t 网上的各种通讯协议对于计算机的存储器、 运算速度的要求比较高，而嵌入式系统以前大部分用的是8 位的微处理器， 如果要支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，或根本不可能实 现：另一方面，在嵌入式系统的应用上，微处理器的型号、种类非常多， 要在不同的微处理器上实现相应的网络功能，设计人员要先熟悉该型号微 处理器结构特点和相应的汇编语言，所以使得将嵌入式系统与i n t e r n e t 结 合起来存在一定的难度【1 7 1 。但是随着1 6 位和3 2 位m c u 速度增快，存储 器容量增大，尤其是3 2 位m c u 的出现，使嵌入式系统和i n t e r n e t 的结台 成为可能。 国内外许多研究机构和国际标准化组织都致力于嵌入式i n t e r n e t 的研 究，如s w e d i s hi n s t i t u t eo f c o m p u t e rs c i e n c e 、e m b e d d e ds y s t e m sc o n f e r e n c e 、 嵌入式i n t e r n e t 联盟、中国单片机公共实验室、全国嵌入式系统学术交流 会。嵌入式i n t e r n e t 基本上已发展成为具有一定规模和相应理论的研究领 域。国内外的著名的公司有e m w a r e ，北京英贝多嵌入式网络技术有限公 司，他们使嵌入式i n t e r n e t 达到了实用阶段。 燕山大学工学硕士学位论文 嵌入式系统的i n t e r n e t 接入技术有如下三种技术模型。 ( 1 ) 直接接入技术模型 实现嵌入式系统直接与i n t e r n e t 相互连接，主 要是通过在嵌入式系统本身添加网络接口硬件，增加相应的软件支持，并 采用响应的接1 2 i 方案而实现的1 8 0 1 。其结构如图1 1 所示。 图1 - 1 直接接入结构 f i g u r e1 - 1f r a m e w o r ko f d i r e c tc o n n e c t i o n 随着硬件技术的发展和制造成本的降低，嵌入式微处理器的速度越来 越快，所集成的资源越来越多。这使得它能够集成网络接i ；3 部件，并且具 有足够的速度和资源实现网络协议。大部分3 2 6 4 位单片机采用了这种直 接接入技术。这种i n t e r n e t 直接接入技术模型使嵌入式系统直接与i n t e r n e t 相连，具有很大的灵活性，但是占用的系统资源比较多，对微处理器的要 求也很高。 ( 2 ) 嵌入式网关技术模型对于大量在一起的嵌入式设备来说，对每个 嵌入式系统都实现i n t e r n e t 功能，将造成巨大的资源浪费，这时候可采用 一个嵌入式网关接入【2 l 】。其结构如图1 2 所示。 图1 - 2 嵌入式网关接入结构 f i g u r e1 - 2f r a m e w o r ko f e m b e d d e dg a t e w a yc o n n e c t i o n 首先嵌入式系统和嵌入式网关连接通信，连接方式采用传统的r s 2 3 2 、 r s 4 8 2 、r s 4 8 5 、i i c 、s p i 、u s b 、c a n 、l i n 总线等轻量级网络协议。再 由嵌入式网关负责实现t c p i p 协议，并与i n t e r n e t 连接，完成嵌入式系统 4 第1 章绪论 和i n t e r n e t 的信息交互。嵌入式网关向嵌入式系统提供i n t e r n e t 或i n t r a n e t 通信和管理服务。如防火墙、协议转换、监视嵌入式设备的运行状态、向 外界提供w e b 服务器等。这种技术需要一个专门的嵌入式网关，而且网关 和嵌入式系统之间通信也会受到轻量级网络协议的制约。对于过于分散的 嵌入式系统而言，采用这种接入技术模型，成本将会增加。 基于这种接入技术模型，e m w a r e 公司提出了嵌入式微因特网互连技术 f e m b e d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，e m i t ) ，通过给嵌入式系统增 加轻量级协议软硬件，得到了众多软硬件厂商的支持，是当前具有前景的 嵌入式系统的i n t e r n e t 接入技术。 ( 3 ) 嵌入式系统+ t c p f i p 协议芯片t c p f i p 协议通过硬件固化到网络芯 片上，通过标准的输入输出口，可与绝大多数单片机相连。目前市面上出 售的网络芯片主要有韩国w i z n e t 公司的i 2 c h i pw 3 1 0 0 a ，美国s e i k o i n s t m m e m s 公司的i c h i p $ 7 6 0 0 等。这类芯片具有速度快，使用方便的特点。 但增加了硬件成本。 实现上述模型的关键技术是嵌入式t c p d p 协议栈。随着国内外各大厂 商都相继推出了各自的嵌入式t c p f i p 协议栈产品。其中既有针对3 2 位、 6 4 位高档嵌入式系统应用的协议栈，也有适合于中低档嵌入式应用的轻便 型的t c p i p 协议栈产品。其中比较有代表性的解决方案有下面几种。 ( 1 ) 风河公( w i n d r i v e r ) 的t c p f i p 协议栈风河公司是著名的嵌入系 统的开发商，以其v x w o r k s 嵌入式操作系统从而为人们所熟悉。该公司的 t c p i p 协议栈是v x w o r k s 嵌入式操作系统的一个部分，适合于工业、通讯 等高端应用。其协议栈以伯克利的4 4 版本的t c p f l p 协议栈为基础，并为 嵌入式环境的应用做了特殊的优化。在路由器、交换机等数据通信领域和 基站等无线通讯领域，应用比较广泛。 但商业的嵌入式t c p f i p 协议栈相当昂贵，并且很少提供源代码以供研 究。目前较为著名的免费t c p i p 协议栈有：l i n u x 系列t c p f i p 协议栈； i m p ( l i g h tw e i g h tt c p i ps t a n k ) ：g l p ( m i c r o i p ) 。 ( 2 ) l i n u x 系列t c m p 协议栈支持完全的t c p i p 协议，但是要花费大 约1 0 0k br o m ( r e a do n l ym e m o r y ) 署l l 数十千字节的r a m ( r a n d o ma c c e s s 燕山大学工学硕士学位论文 m e m o r y ) t 2 2 1 。这对于大部分嵌入式系统是无法承受的，只能用在高档的服 务器上。 ( 3 ) 1 w i p由瑞典计算机科学研究所开发。顾名思义，1 w i p 属于轻量级 的t c p h p 协议栈，1 w l p 主要聚焦于削减代码大小及内存消耗。为了削减 计算和内存消耗，1 w i p 裁减了a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi m e r f a c e ) 的数 据拷贝功能。这使1 w i p 尽管支持完整的t c p i p 协议，但是只需要大约4 0 k b 的r o m 和数万字节的r a m ，适合用于嵌入式系统中【2 3 。 ( 4 ) g l p ( m i c r o i p ) 系瑞典计算机科学研究所a d a md u n k e l s 开发1 2 4 1 。 “i p 适合用于8 1 6 位微控制器上的小型t c p ，i p 协议栈，简单易用，资源 占用少是它的设计特点。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能，而 保留网络通信所必要的协议机制。其设计重点放在i p 、i c m p 和t c p 协议 的实现上，将这三个模块合为一个有机的整体，而将u d p 和a r p 协议实 现作为可选模块。 l _ 3 课题研究内容及目标 本文在广泛调研和对大量中外文献分析的基础上，结合当前嵌入式系 统发展的前沿技术，对t c p i p 协议的基本原理和实现进行深入的分析，主 要完成以下几个方面的研究工作。 首先，通过学习嵌入式系统的基本原理和t c p i p 协议栈的相关协议， 提出了将它们相结合实现嵌入式系统的i n t e m e t 。本文采用p h i l i p s 的以 a r m 7 t d m i s 为内核的单片机l p c 2 1 1 4 ，重点研究其微处理器体系结构 和外设接口：研究分析t c p i p 协议栈的相关协议。 其次，对于嵌入式t c p h p 协议栈提出解决方案。其中重点解决了嵌入 式系统“零拷贝”的存储器管理方案，网络层基于嵌入式系统的协议优化 方法和重组算法，传输层基于嵌入式系统的状态机优化方案、确认和重发 机制。 然后，在深入研究h 1 v r p 协议的基础上，提出动态网页的设计方法。 并针对嵌入式系统的特点，提出了存储网页的虚拟文件系统方案。 6 星! 兰丝笙 最后，实现上述中的解决方案，并与普通的t c p i p 协议栈比较，充分 说明本设计方案的有效性。 1 4 论文结构 全文共分五章。 第1 章首先分析了课题的研究意义和研究背景，然后对嵌入式t c p i p 协议栈的国内外研究现状进行了综述，最后对本文的研究内容、研究目标 和预期研究结果进行了概述，多层次放映了本课题的研究意义和实用价值。 第2 章介绍了嵌入式系统的开发模式，协议栈的结构模型以及各个协 议层的相互关系，数据的封装和分用，t c p i p 协议栈在嵌入式系统上实现 的方法。 第3 章直击课题的核心问题，是本文研究的核心工作。在深入研究已 有的t c p i p 协议栈的基础上，针对嵌入式系统的特殊应用，提出了“零 拷贝”的存储器管理方案，网络层协议优化方法和重组算法，传输层状态 机优化方案、确认和重发机制。最后提出了虚拟文件系统的设计方案。 第4 章根据第3 章提出的解决方案，具体实现t c p f i p 协议栈各个功能。 第5 章通过各个测试模块，对t c p i p 协议栈的各个功能进行测试验证 和实验分析。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统与t c p i p 协议栈 2 1 嵌入式系统开发模式 由于嵌入式系统自身的特殊性，注定了它自身具有的资源和内存空间 都十分有限，不可能像开发p c 软件那样在其上运行所有的开发工具，所 以嵌入式开发平台由主机和目标机模式构成，使用交叉编译开发方式进行 开发l 。 其中主机就是通常的p c 或工作站，嵌入式开发环境运行在主机上， 而目标机就是嵌入式系统，它们通过串口、以太网、仿真器或其它方式与 主机通信，下载主机中编译好的代码。开发环境运行在主机上，用户所有 的开发工作都是在主机开发环境中进行，包括编辑源代码、编译、连接、 下载和调试等。生成的可执行目标代码通过串口或以太网等下载到目标机， 主机可以通过开发环境提供的调试工具对代码进行调试 2 6 2 8 l 。 2 2 嵌入式系统硬件平台 本节首先介绍了嵌入式硬件平台所采用的单片机l p c 2 1 1 4 2 引，然后阐 述了j t a g 仿真接口和串口接口电路。 2 2 1l p c 2 1 1 4 硬件平台设计采用了p h i l i p s 公司单片机l p c 2 1 1 4 ，它具有零等待1 2 8 k 字节的片内f l a s h 、1 6 k 的s r a m 、u a r t 串口、j t a g 调试等众多外 围部件。 l p c 2 1 1 4 是一款性价比很高的以1 6 3 2 位a r m 7t d m i sr 3 0 3 3 1 内核的 单片机，具有6 4 脚封装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器、4 6 个g p i o 以 及多达9 个外部中断。芯片主要有以下几个特征。 第2 章嵌入式系统与t c p ，i p 协议栈 ( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7t d m i s 的内核： ( 2 ) 1 6k b 片内s r a m ，1 2 8k b 片内f l a s h 程序存储器； ( 3 ) 通过片内装载程序实现在线系统编程和在线应用编程。5 1 2 字节行 编程时间为1m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0m s ； ( 4 ) e m b e d d e di c e 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件 对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行； ( 5 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗； ( 6 ) 2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 串口、高速1 2 c 接1 5 1 ( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口； ( 7 ) 通过片内锁相环可实现最大为6 0m h z 的c p u 操作频率； ( 8 ) 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。 2 2 2j t a g 接口电路 j t a g 接口电路和l p c 2 1 1 4 连接如图2 1 所示。 图2 - 1j t a g 接口电路 f i g u r e2 - 1j t a gi n t e r f a c ee i r c u i t 采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真接i s 。j t a g 接口上的信 号n r s t 、n t r s t 与开发板的复位电路连接，形成线与的关系，达到共同 9 燕山大学工学硕士学位论文 控制系统复位的目的。 2 2 3 串口接口电路 由于系统是3 3 v 系统，所以使用了m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转化， m a x 3 2 3 2 是3 3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片。这里只使用了输入和输出 线，没有使用硬件流控制。串口接口电路如图2 2 所示。 u a r t 0 i v + c 1 【v - c 2 + g n dc 2 r 、一 揩 t 1 0 u tt 1 i n 。一 r 1 i nr 1 0 u t r 、一 t 2 0 u tt 2 吨 爿 r 2 d qr 2 0 u t 图2 - 2 串口接口电路 f i g u r e2 - 2s e r i a lp o r ti n t e r f a c ec i r c u i t 2 3 a r m 7 体系结构 a r m 7 体系结构完全承袭了r i s c 思想，其重要特征是采用l o a d s t o r e 正交指令集；固定3 2 位a r m 指令和固定1 6 位t h u m b 指令：3 操作数指 令；3 级流水线结构刚。 2 3 1 a r m 7 指令系统的逻辑结构 译码与控制机构是按照状态机的模型来设计的，负责对机器指令进行 译码，并根据译码结构发出控制信号，控制执行机构的工作。译码与控制 机构中还包含一些硬件逻辑，专门用于将1 6 位t h u m b 代码解码位对应的 3 2 位a r m 代码，这个过程不会耗费额外的时间。因此，a r m 7 可以用1 6 位的代码来实现3 2 位性能，从而实现对代码密度和系统性能的兼顾。 1 0 第2 章嵌入式系统与t c p ，i p 协议栈 执行机构主要由地址寄存器、地址增值器、寄存器堆、乘法器、桶式 移位器和算术逻辑单元( a r i t h m e t i cl o g i cu n i t ，a l u ) 五部分组成。地址寄 存器放当前正在取指的指令地址或者正在访问的数据的地址，这个地址的 副本同时保存在地址增值器和寄存器堆中的程序计数器( p r o g r a mc o u n t e r ， p c ) 中，当需要读取下一条指令时，地址增值器会将当前地址加1 ，然后写 入地址寄存器和p c 中，当需要进行跳转时，a l u 计算跳转地址，并存入 p c 中，同时写入地址寄存器和地址增值器中。寄存器堆包含3 7 个工作寄 存器，包括堆栈指针s p 、链接寄存器l r 、程序计数器p c 、当前状态寄存 器c p s r 和备份状态寄存器。乘法器是专门设计的硬件单元，用于完成乘 法运算。为了保证包含多位移位的指令也能在单周期内完成，专门设计了 桶式移位器来实现这个功能。而a l u 作为算法逻辑运算单元，执行基本 的加、减、逻辑运算，但不能执行乘法和除法运算。 2 3 2a r m 7 指令系统的3 级流水线结构 a r m 7 指令系统采用3 级流水线结构。第一周期是取指令。第二个周 期完成两个工作，首先完成译码，然后根据译码结果从寄存器中读取源操 作数到a l u 或乘法器，需要注意的是a r m 7 的所有算术和逻辑运算全部 在寄存器中进行。第三个周期要完成三个工作，首先是将来自源寄存器的 操作数进行桶式移位，移位完成后送入a l u 或者乘法器进行算术或逻辑 运算，最后将结果写入目的寄存器，这些过程都在一个周期内完成。 2 4 t c p i p 参考模型 关于协议参考模型，其中有两种模型思想占据了该领域的主导地位。 一个是基于国际标准化组织i s o 早期所做的工作，称为i s o 的开放系统互 联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nm o d e l ，o s i ) 3 5 , 3 6 ：另一个就是 t c p i p 参考模型。 t c p f i p 协议 3 7 3 9 1 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。t c p i p 协议通常被认为是一个四层协议系统，每一层分别负责 燕山大学上学硕士学位论文 不同的通信功能。 ( 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 其它任何传输媒介) 的物理接口细节。 ( 2 1 网络层有时也称为互联网层，处理分组在网络中的活动。在 t c p i p 协议族中，网络层协议包括网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 4 0 , 4 1 ， 互联网控制报文协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，i c m p ) m 】，以及互 联网组管理协i r ( i m e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i g m p ) 【4 3 a 4 1 o ( 3 ) 传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 p 协议中，有两个互不相同的传输协议：传输控制协议 4 5 1 ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 并i j 用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 。 其中t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。而u d p 则为应用层提供 一种非常简单的不可靠的数据通信。 ( 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。 2 5 各层协议的相互关系 在t c p i p 协议族中，有很多协议，其中网络层i p 提供的是一种不可 靠的服务，也就是说，它尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是 并不提供任何可靠性服务，同时被t c p 和u d p 使用。 t c p 在不可靠的i p 层上提供了一个可靠的运输层。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，确认接受到 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的细节。 u d p 为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到 接收方的一个信息单元。但与t c p 不同的是，u d p 是不可靠的，它不能 保证数据报能安全无误地到达最终目的。任何必需的可靠性必须由应用层 来提供。 i c m p 是i p 协议的附属协议。i p 层用它来与其它主机和路由器交换错 第2 覃嵌入式系统与t c p 1 p 协议栈 误报文和其它重要信息。尽管i c m p 主要被i p 层使用，但应用程序也有可 能访问它。i g m p 协议是l m e r m t 组管理协议。它是用来把一个u d p 数据 报发送到多个主机，它可以向多个目的地址传送数据，适用于多个接收者 ( 如视频会议) 传送信息的应用。地址解析协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ， a r p ) 和逆地址解析协议( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，r a r p ) 是某些 网络接口( 如以太网和令牌环网) 使用的特殊协议。其中地址解析协议是已 知i p 地址请求物理地址，逆地址解析协议是己知物理地址请求i p 地址的。 各层的协议以及相互关系如图2 。3 所示。 用户用户 用户用户 进程进程 进程 f 进程 】j |年乒 臣，嚣卜恒 应用层 运输层 网络层 链路层 图2 - 3t c p i p 协议族中不同层次的协议 f i g u r e2 - 3v a r i o u sp r o t o c o l sa td i f f e r e ml a y e r si nt c p i pp r o t o c o is u i t e 由于嵌入式系统资源的稀缺性，整个t c p i p 协议栈不可能在嵌入式中 全部实现。协议功能的选择将在第3 章中详细描述。 2 6 封装 当应用程序用t c p 传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过 每一层直到被当作一串比特流送入网络，其中每一层对收到的数据都要增 燕山大学工学硕十学位论文 加一些首部信息( 有时还要增加尾部信息) ，t c p 传给i p 的数据单元称作 t c p 报文段。i p 传给网络接口的数据单元称作i p 数据报。 t c p 传给i p 的数据单元称作t c p 报文段或简称为t c p 段( t c ps e g m e m ) 。i p 传给网络接口层的数据单元称作i p 数据报( i p d a t a g r a m ) 。通过以 太网传输的比特流称作帧。u d p 数据与t c p 数据基本一致，唯一不同的 是u d p 传给i p 的信息单元称作u d p 数据报( u d pd a t a g r a m ) ，并且u d p 数据报的首部长度为8 字节，而t c p 首部长度至少2 0 字节。数据进入协 议栈时的封装过程如图2 4 所示。 l 莩靠i 用户数据 【皇塑l 匝亘 至叵二 卜i 。勰1 5 0 0 韩帧_ 二= r 叫 卜一s + i 应用程序 + t c p i p + 以太网驱动程序 以太网 f i g u r e2 - 4e n c a p s u l a t i o no f d a t aa sg o i n gd o w nt h ep r o t o c o ls t a c k 由于t c p 、u d p 、i c m p 和i g m p 都要向i p 传送数据，因此i p 必须 在生成的i p 首部中加入标识，以表示数据属于哪一协议。为此，i p 在首 部设置了一个长度为8b i t 的数值，称作协议域。其中1 表示为i c m p 协议， 2 表示为i g m p 协议，6 表示为t c p 协议，1 7 表示u d p 协议。 类似地，许多应用程序都可以用t c p 或u d p 来传送数据，传输层协 议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。t c p 和u d p 都用一 个1 6b i t 的端1 2 1 号来表示不同的应用程序。t c p 和u d p 把源端口号和目的 端口号分别存入报文首部中。 1 4 第2 章嵌入式系统与t c p i p 协议栈 网络接口分别要发送和接收i p 、a r p 和r a r p 数据，因此以太网的帧 首部设置1 6b i t 的帧类型域，以指明生成的数据的协议类型。其中0 8 0 0 表 示i p 数据报。 2 7 分用 当目的主机接收到一个以太网的数据帧时，数据就开始从协议栈中由 底部向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议检查报文首部 中的协议标识字段，以确认接收数据的上层协议。这个过程称作分用 ( d e m u l t i p l e x i n g ) 。把协议i c m p 和i g m p 与i p 放在同一层上，那是因为事 实上它们是i p 的附属协议。但是在这里，人们又把它们放在i p 层的上面， 这是因为1 c m p 和i g m p 报文都被封装在i p 数据报中。对于a r p 和r a r p ， 同样把它们放在以太网设备驱动程序的上方，这是因为它们和i p 数据报一 样，都有各自的以太网数据帧类型。 2 8h t t p 协议 万维暖 ( w o r l dw i d ew e b ，w w w ) 服务器可以提供包括文本、图形、声 音和视频等在内的多媒体信息的浏览。万维网服务使用超文本传输协议 ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 。h t t p 是一个可理解统一资源定位 器( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ，u r l ) 地址格式的小型化、适合超文本的、多 媒体环境的通信协议。使用多用途互联网邮件扩充( m u l t i p u r p o s ei n t e r n e t m a i