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基于v x w o r k s 的网桥设计与交换技术研究 摘要 接入网技术是当前通信技术中发展最快的领域之一。市场需求的 成长和集成电路技术的发展促进了成熟的交换路由技术在新一代接 入产品中的应用。高性能的嵌入通信处理器和实时操作系统的结合可 以快捷地将交换路由协议移植到新的接入硬件平台上。g s h d s l 远程网 桥正是将一种最新的面向企业网互联的d s l $ 3 e 7 j - - g s h d s l 的硬件平 台与二层交换技术相结合的工程。 本文在介绍接入技术、嵌入式操作系统v x w o r k s 以及网桥基本 原理的基础上，分析了i e e e 相关标准的要求并据此介绍了网桥整体 发计方案。接着，详细说明了开发g s h d s l 远程网桥工程的完整软件 开发流程( 包括b s p 、驱动程序、协议设计开发) 、测试方法以及以 此为基础的对于交换路由技术的深入研究和产品研发可行性探索。 该文不仅覆盖了整个远程网桥软件开发的过程，而且根据实际开 发过程中积累的经验，介绍了整个二层交换软件模块设计和开发过程 中应当重点考虑的问题、可能遭遇的困难和解决的思路。最后，作者 通过对交换路由技术的进一步研究，还提出了几种具有实践意义的交 换路由设计方案，对于今后的研发具有一定的指导意义。 关键宇嵌入式v x w o r k sm u x g s h d s l 网桥交换机虚拟局域网 t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to f r e mo t e b r i d g eb a s e do n v x w o r k s a b s t r a c t a c c e s sn e t w o r k t e c h n o l o g y i so n eo f t h e h i 曲l i g h t s o f c o n t e m p o r a r y t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h ei n t e g r a t i o n so fn e wg e n e r a t i o na c c e s sp r o d u c t s a n ds w i t c ha n dr o u t et e c h n o l o g i e sf o l l o wt h ef a s td e v e l o p m e n t so fm a r k e td e m a n d s a n dv l s l t h ep r e s e n t so fp o w e r f u lc o m m u n i c a t i o np r o c e s s o r sa n dt h ee m b e d d e d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m sm a k ei te a s i e rt h et r a n s m i s s i o no f s w i t c hp r o t o c o l st on e w a c c e s sn e t w o r k p l a t f o r m ，w h i c h r e s u l t s i nt h e e m e r g e n c e o f g s h d s l r e m o t e b r i d g e 心el a y e r2s w i t c ha i m i n gt ol a n i n t e r c o x m e c t i o n - - - o nn e wd s lh a r d w a r e p l a t f o r m a f t e ri n t r o d u c i n gt h er e l e v a n tb a c k g r o u n d so fd s lt e c h n o l o g y ，v x w o r k sa n d b r i d g e ，t h i sp a p e rg i v e saw h o l eb l u e p r i n to fr e m o t eb r i d g e s o f t w a r ea c c o r d i n gt o r e l e v a n ti e e es t a n d a r d a n dt h e n ，t h e a u t h o r g i v e s a i n t e g r a t e d f l o w c h a r to f d e v e l o p i n g a n d t e s t i n gi n c l u d i n gb s p , d r i v e r a n d p r o t o c o ld e s i g n s ， c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c e s i n r & d ，t h i sp a p e r f o c u s e sn o t o n l y t h e d e v e l o p i n gp r o c e s sb u ta l s oe m p h a s e sa n dp r o b l e m sw i t h r e f e r e n c e di d e a s a tl a s t ，i n 也ei n d e p t hr e s e a r c h e s ，m ea u t h o ra d v a n c e ss o l i i ee x p e r i e n c e dm e t h o d sa n dd e s i g n s i nf u t u r es w i t c ha n dr o u t e rd e v e l o p m e n t s k e y w o r d s e m b e d d e d ，v x w o r k s ，m u x ，g s h d s l ，m e d i a a c c e s sc o n t m l ( m a c ) b r i d g e s w i t c h ，v i r t u a ll a n 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 扬丝扬隼 日期： 2 0 0 4 2 2 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 2 q 盟：2 二2 1 期：2 留。； 基于v w or k s 的网桥设计与交换技术研究 第一章网桥原理与基于y x w o r k s 的交换系统设计 】1 基于v x w o r k s 的g s h d s i 网桥基本原理 1 1ld s l 及g s h d s 技术 x d s l ( 数字用户线d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 即铜线回路接入技术是一系列用 户数字线技术的总称。x d s l 技术利用现有的接入线路与网络进行连接，是过渡 阶段比较经济的接入方案之一。 现有的己经标准化或者正在进一步进行标准化的x d s l 技术主要包括以下 几种： a d s l ( 非对称数字用户线a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) r a d s l ( 速率自适应用户数字线r a t e a d a p t i v e d s l ) h d s l ( 高比特率数字用户线h i g h b i tr a t ed s l ) s d s l ( h d s l 的单线版本s i n g t e l i n ed s l ) h d s l 2 ( h d s l 的单线版本) g s h d s l ( h d s l 的单线版本) v d s l ( 甚高比特率用户数字线垤r yh i g hb i tr a m d s l ) g s h d s l ( g 9 9 1 2 ) 是i t u 推荐的新型对称传输用户数字线技术。它支持在 对铜线上传输速度为1 9 2 k b p s 到2 , 3 1 2 m b p s 数据。g s h d s l 具有以下几个特点： 和e t si s d s l 、a n s ih d s l 2 兼容 支持两线工作或四线工作方式 两线速率为1 9 2 k b p s 至2 3 1 2 m b p s ( n x 6 4 k b p s ) 透明传送a t m t d m 支持基于帧的接口( 例如i p ，帧中继) 支持多种时钟方式 北京邮电大学硕十例究生学位论文 可以进行同步准同步传输 概括来讲，g s h d s l 是最佳的d s l 技术因为它具有强大的功能，频谱兼容， 速率距离自适应。g s h d s l 技术包括了s d s l 技术的最佳优点即自适应性以及 h d s l 2 技术的最佳优点，即线路编码。最后很重要的优点是它的互操作性。作为 已经定义的标准，此技术容许不同厂商的设备能够相互工作。这些特点下符合企 业网接入的需求，因此成为一种成长中的企业网互联和接入选择方案。 1 1 2 嵌入式操作系统v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n dr i v e r 公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统 ( r t o s ) 。由于其性能卓越，可靠性高、可移植性强、功能强大，被广泛应用于 航空航天、通信，汽车等工业领域。 实时多任务操作系统是能在确定的时间内执行其功能，并对外部的异步事件 作出响应的计算机系统。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运 行，各任务有各自的线程和系统资源。v x w o r k s 系统提供多处理器间和任务间高 效的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接字。实时系统的另一关键特性 是硬件中断处理。为了获得最快速可靠的中断响应，v x w o r k s 系统的中断服务程 序i s r 有自己的上下文。 v x w o r k s 实时操作系统由4 0 0 多个相对独立的、短小精炼的目标模块组成， 用户可根据需要选择适当模块来裁剪和配置系统，这有效地保证了系统的安全性 和可靠性。系统的链接器可按应用的需要自动链接一些目标模块。这样，通过目 标模块之问的按需组合，可得到许多满足功能需求的应用。 1 1 3 网桥基本原理 网桥是工作在数据链路层的交换设备。它将两个或者多个局域网连起来，根 据接收的数据帧m a c 地址进行转发。如下图所示，左侧是o s i 七层模型，右侧 是常见的三种网络连接设备一中继器( r e p e a t e r ) 、网桥( b r i d g e ) 以及路由器 ( r o u t e r ) 对应的o s i 逻辑层次。 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 图i - 1 连接设备与o s i 协议栈 中继器( r e p e a t e r ) 最常见的中继器是以太网集线器( h u b ) 。中继器工作在o s i 七层模型的物理 层上，没有存储转发功能，只进行物理信号的整形和线路的连接。 网桥( b r i d g e ) 刚桥也就是二层交换设备，逻辑上工作在数据链路层。根据设备的二层地址 ( 如m a c 地址) 进行数据的存储转发。对于以太网网桥，由于本身具有载波侦 听和冲突检测机制，所以可以在转发数据的同时，将相连接的两部分隔离成两个 独立的冲突域，也就是说，两个部分可以同时发送数据而不产生信号冲突。 路由器( r o u t e r ) 路由器是工作在网络层的连接设备。路由器支持一定的路由协议，彼此之间 通过交换带有设备网络层地址的消息获得网络拓扑情况，并通过一定的算法，对 到达的数据进行转发决策。 4 网桥的分类 不同的应用场合决定了多种网桥的实现方法。根据具体实现方法，网桥可以 分成以下几类： 北京邮电大学顾士研究生学位论文 透明网桥 生成树网桥 源路由选择网桥 远程网桥 透明网桥 透明网桥的以太网收发器以混杂方式工作。它接收与之连接的所有局域网传 送的每一帧。对于接收的每一个数据帧，网桥必须根据目的m a c 地址等条件决 定将其丢弃还是转发。如果要转发，则必须决定发往哪个端口。这需要通过查询 网桥中“m a c 地址和端口”大型散列表来决定。这个表是由网桥通过逆向学习法 自动学习到的。 生成树网桥 在有些网桥的应用中，为了连接多个局域网会使用多个透明网桥。有些情况 下，连接一个以太网会有多个网桥。这种配置会引发一些问题。因为数据链路层 并没有有效的避免回路和消除回路的措施，多个网桥连接的多个局域网的拓扑结 构中的回路，可能引发以太网数据帧在环路中的无限循环。从而较低系统性能， 甚至导致系统瘫痪。 生成树( s p a n n i n g t r e e ) 算法是解决上述问题的有效途径。根据生成捌算法制定 的生成树协议通过网桥间的相互通信，动态禁止和激活某些链路连接从而将复杂 的带有环路的图状拓扑结构裁减成不含回路的树状拓扑结构。 源路由选择网桥 源路由选择的核心思想是假定每个帧的发送者都知道接收者是否在同一局 域网上。当发送一帧到另外的局域网时，源机器将目的地址的高位设置成l 作为 标记并且在帧头加进此帧应走的实际路径。 源路由选择网桥只关心那些目的地址高位为1 的帧，当见到这样的帧时，它 扫描帧头中的路由，寻找发来此帧的那个局域网的编号。如果发来此帧的那个局 域网编号后跟的是本网桥的编号，则将此帧转发到路由表中自己后面的那个局域 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 网。如果该局域网编号后跟的不是本网桥，则不转发此帧。 源路由选择的前提是互联网中的每台机器都知道所有其他机器的最佳路径。 如伺得到这些路由是源路由选择算法的重要部分。获取路由算法的基本思想是： 如果不知道目的地地址的位置，源机器就发布一广播帧，询问它在哪里。每个网 桥都转发该查找帧( d i s c o v e r yf r a m e ) ，这样该帧就可到达互联网中的每一个局域 网。当答复回来时，途经的网桥将它们自己的标识记录在答复帧中，于是，广播 帧的发送者就可以得到确切的路由，并可从中选取最佳路由。 透明网桥一般用于连接以太网段，而源路由选择网桥则一般用于连接令牌环 网段。 远程网桥 远程网桥是在透明网桥和源路由网桥基础上发展起来的。远程网桥被用来连 接两个或多个相距较远的局域网。比如，某个公司分布在多个城市中，该公司在 每个城市中均有个本地的局域网，最理想的情况就是所有的局域网均连接起 来，整个系统就像一个大型的局域网一样。 远程网桥的具体实现方法是在每个局域网中均设置一个网桥，并且用点到点 的连接将它们连接起来。点到点连线可采用各种不同的协议。办法之一就是选用 某种标准的点到点数据链路协议，将完整的m a c 帧加到有效载荷中。如果所有 的局域网均相同，这种办法的效果最好，它的唯一问题就是必须将帧送到正确的 局域网中。另一种办法是在源网桥中去掉m a c 的头部和尾部，并把剩下的部分 加到点到点协议的有效载荷中，然后在目的网桥中产生新的头部和尾部。它的缺 点是到达目的主机的校验和并非是源主机所计算的校验和，因此网桥存储器中某 位损坏所产生的错误可能不会被检测到。 在g s h d s l 远程网桥设计中，以太网数据帧被全部包含在h d l c ( 高级数据链 路控制协议) 的数据帧中。通过点对点的d s l 线路进行远程传输到对端，在经过 一个逆过程还原成以太网数据帧。 8 北京邮屯大学坝- 1 ：j i 究生学位论文 1 2g s h d s l 远程网桥设计 121gs h d s l 远程网桥应用背景 由于局域网特别是以太网技术在企业网中的广泛应用，企业接入的一个重要 任务是将地域上分布的多个企业局域网连接成为一个可以相互访问的有机整体。 同时，企业局域网的互联根据自身的特点对互连方案存在一些具体的要求，比如， 要求互连线路两端的局域网之间的带宽能够满足进行实时视频传输，要求操作管 理简单、要求对于某些主机的访问策略可配置。在甑往的应用中企业往往通过租 用专线的方式达到局域网互连的目标。但是专线服务存在着高价低速的缺点，并 且由于缺乏必要的过滤机制，带宽利用率很低。因此，企业需要一种具有过滤机 制的低成本宽带接入方法。 g , s h d s l 是一种新型的d s l 技术。它使用一对双绞线在5 公里范围内向用户 提供1 9 2 k b p s 到2 3 1 2 m b p s 的可变速率对称带宽数据传输线路。这种技术的特 点决定了它适于进行远程企业网互联，特别是企业局域网互联。 g s h d s l 远程网桥正是将企业局域网互联需求和新型的接入技术相结合产生 的宽带接入方案。它既利用了高速的d s l 线路，又利用网桥的二层地址自动学 习和过滤转发功能。具体来说，使用可配置得g s h d s l 远程网桥具有以下的优点： 可以将地理上分散的局域网连接成为逻辑上统一的局域网而无需考虑局域 网的距离限制； 将d s l 线路两端的局域网分隔成为两个冲突域，扩大了整个局域网带宽； 削减了两个局域网之间的不必要的流量，提高了租用线路利用塞： 可以处理i p 、i p x 等协议，还提供了将无路由协议的网络( 如n e t b e u i ) 分 段的功能； 可配置d s l 线路两端的局域网访问策略： 可记录访问日志，提供部分网络安全功能： 可配置广播转发策略，限制广播风暴的影响范围； d s l 线路带宽可以支持压缩视频实时传输，为企业视频会议提供了条件； d s l 线路的有效距离可以支持企业远程数据备份需求。 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 f 图是在点对点应用模式下通过g s h d s l 远程网桥进行企业局域网a 和b 的 互连示意图。 网 图】- 2 局域网通过g s h d s l 网桥互连示意图 2 2i e e e8 0 21 d 协议网桥模型 i e e e 8 0 2 1 d 协议定义了m a c 服务层以下的i e e e8 0 2 局域网互连架构并 且规定了网桥互联的操作和管理方法。下图是8 0 2 1 d 标准中规定的网桥架构： 图1 - 3i e e e8 0 2 局域网互连架构 按照8 0 2 1 d 协议的要求，8 0 2 1 d 网桥分为三个实体： m a c 实体：媒体访问方法相关的功能 北京邮电大学硕= l 研究生学位论义 m a c 中继实体：转发模块 高层实体：管理模块 从软件设计的角度来看，m a c 实体对应与以太网驱动程序；m a c 中继实体 对应网桥协议；高层实体对应网桥管理协议。 i 2 3c l s h d s l 远程网桥设计目标 g s h d s l 远程网桥是利用g s h d s l 点对点线路进行远程局域网互连的网络设 备。要求设备具有以下各项功能： g s h d s l 线路方面 1 支持4 公里内1 9 2 k 2 m 固定速率设置 2 。支持4 公里内1 9 2 k 2 m 速率距离自适应 3 支持自动断线重连 4 支持传输错误上报 网桥方面 1 支持全双工1 0 m 以太网接口 2 支持m a c 地址学习和老化 3 支持1 k 容量以太网m a c 地址表 4 支持二层数据包转发和广播 5 支持数据转发流量控制 可选功能 1 支持静态过滤规则设置 2 支持告警和流量统计 3 支持本地网管 1 2 4g s h d s l 远程网桥硬件总体设计 基于性能和成本综合考虑，本设计方案选择了m o t o r o l a 的p o w e r p c 作为核 心处理器，选择了m i n d s p e e dd s l 芯片组作为d s l 编码调制芯片。并且以此为 中心设计了g s h d s l 远程网桥单板。下图给出了g s h d s l 远程网桥的硬件基本架构。 一“- 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 以太同接口 t 剖1 - 4g s h d s l 远程网桥系统硬件示意图 从上图可以看出，通过充分利用p o w e r p c 的串行通信能力，即将两个s m c ( s e r i a l m a n a g e m e mc o n t r o l l e r 串行管理控制器) 和两个s c c ( s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r 串行通信控制器) 分别配制成外供网管接口( r s 2 3 2 串口) 、g s h d s l 芯片组控制接口( u a r t 通用异步收发器) 、以太网接口和h d l c 接口，就可以使用最少的外围设备进行完整的g s h d s l 远程网桥设计。在这样的 设计下，咀太网数据从以太网接口进入经由p o w e r p c 的以太网控制器进入处理 器存储器，在经过网桥软件过滤以后必要的数据帧通过p o w e r p c 的h d l c 控制 器通过p c m 总线传送给g s h d s l 专用芯片组进行编码调制；在对端经由相反路径 传送给对端以太网。这样的设训不仅节约了成本，而且降低了硬件布线复杂度， 减短了硬件调试周期。 1 2 5g s h d s l 远程网桥软件总体设计 g s h d s l 远程网桥软件系统是与硬件系统紧密相连的嵌入式软件系统。本软 件包括以下几个主要功能： 硬件环境初始化 网络设备驱动和数据收发 数据分析和转发协议 d s l 线路驱动和数据收发 网桥管理和设备配置、状态监测 北京邮电人学硕一l 一研究生学位论文 在以上功能的基础上，要求具有以下性能要求 支持d s l 满负荷( 2 m b p s ) 以太网数据全速转发 除了性能和功能的要求以外，按照软件工程的思想以及今后可能得软件升级 和扩展要求，软件模块设计还要保证各个软件模块( 特别是协议模块和驱动软件 模块之间) 的独立性。这样，不仅有利于软件模块的并行设计和调试，还可以保 证软件模块的重用性和可移植性。 在以上设计前提之下，选用了基于嵌入式实时多任务操作系统v x w o r k s 作 为软件的设计的核心。依据v x w o r k s 的通信软件设计规范和接口说明，设计了 g s h d s l 远程网桥软件系统。 在网络通信软件设计方面，v x w o r k s 提供了以m u x 为核心的驱动、协议栈 体系分层结构。基于v x w o r k s 的驱动一m u x 协议体系结构，g s h d s l 远程网桥软 件模块结构设计如下图所示。 网管接口 m a c 过滤功 学习功能流量控制 参数调整流量统训 b r i d g e 收发予崖 m i x 拿 e t h e r n e t 驱动 h d l c 骀动 图1 5 g s h d s l 远程网桥软件结构设计 c - s h d s l 远程网桥软件系统解析 如上图所示，g s h d s l 远程网桥软件系统分成三个层次 驱动软件层 m u x 层 协议软件层 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 驱动软件层 驱动软件层处于v x w o r k s 操作系统的最下层，是操作系统与网络硬件 设备之间的接口。对于不同的设备类型和种类，存在不同的驱动程序。驱动 程序对于底层硬件来说，负责硬件设备初始化、数据收发、状态和错误检测 等功能。驱动程序对于上层操作系统来说提供了一个完整的驱动程序状态数 据结构和一组包括初始化、数据收发和控制的回调函数接口。这样，对于不 同的硬件设备来说，将所有的硬件实现细节屏蔽在驱动层，而在操作系统中， 通过统一的调用接口可以实现不同设备的同类型操作。 在g s h d s l 远程网桥设计中，驱动程序，主要分为以太网和h d l c 两个 部分，其中以太网驱动程序负责本地的以太网收发工作，而h d l c 负责连 接g s h d s l 线路，将远端以太网介入到本地二层交换的以太网范围内。驱动 程序屏蔽了底层实现方法，对于上层软件来说，以太网和h d l c 可以看作 两种同类型接口进行数据收发。 m u x 层 m u x 层是v x w o r k s 操作系统自带的系统软件层。m u x 层设计的目的 是实现驱动软件和协议软件的动态绑定。m u x 对驱动层和协议软件层都提 供了统一的调用接1 3 ，同时，要求驱动软件和协议软件提供要求的互操作数 据结构和回调函数指针。这样，驱动程序可以动态的将自己注册到系统中， 而仂、议软件都可以在不知道驱动程序实现的情况下，通过设备名称实现完整 的收发操作。更灵活得是，在系统运行过程中，根据不同的需要，可以动态 的剥离和绑定不同的协议软件到同样的驱动程序上，甚至可以同时在个设 备驱动上绑定多种协议。 协议软件层 协议软件是动态绑定到个或者多个网络驱动上，利用硬件设备的数据 收发功能，对数据进行高层处理和转发决策的软件模块。在v x w o r k s 中， 协议软件位于m u x 层之上，不与驱动程序以及硬件设备进行直接交互。从 而实现了协议软件的独立性和可以执行。 北京邮电大学硕士硎究生学位论义 在g s h d s l 远程网桥设计中，由于网桥不仅具有m a c 地址过滤、m a c 地址学习、流量控制以及网管功能，还实现或保留了扩展树协议、多端口交 换和路由功能的扩展接口，在本设计中将网桥设计在m u x 层以上，作为一 个协议实现。这样整个软件设计就被划分成两个相对独立的模块：m u x 层 以下的以太网h d l c 驱动设计和m u x 层以上的网桥协议设计。 驱动程序和协议的交互和调用 下图是v x w o r k s 网络驱动、协议栈体系分层结构的示意图。 硬件无关软件屋网络协议 中间层m u x 硬件相关软件层设备驱动程序 i硬件层同络控制器 图1 6v x w o r k s 网络驱动、协议栈体系分层结构 m u x 作为v x w o r k s 提供的届于数据链路层和网络层之间的连接多种网络驱 动程序和网络协议的v x w o r k s 网络协议栈底层接口。从概念上来讲，m u x 层位 于驱动层之上，协议层之下。这样的设计将驱动程序和协议软件隔离开，不仅有 利于驱动程序的独立开发、增强了协议软件的可移植性，而且容易实现多种网络 协议和驱动程序的动态交叉连接。同时，这样的设计也要求下层的驱动程序和上 层的协议程序必须按照统一的接口进行编写，这样才能保证三者之间通信的正确 性和有效性。m u x 和驱动层和协议层的控制通道和数掘通道使通过回调函数和 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 公用数据结构实现的。因此，搞清楚三者之间的调用关系是编写驱动程序和协议 程序的首要步骤。下圈给出了m u x 层与驱动程守以及协议之间的主要交五? 关系。 s t a c k r c v r t n () s t a c k e r r o r r t n ( ) s t a c k r e s t a r t r t n ( ) j 巫堑卫亟匝 协议 e n d l o a d ( ) c n d u n l o a d ( ) e n d s t a r t ( ) e n d s t o p ( ) e n d r e c v ( ) e n d s e n d ( ) e n d i o c t ( ) 驱动 圈】7m u x 层与驱动程序以及协议之问的交互关系 从概念上，可以将上图所示的协议m u x 驱动之间的交互关系分成以下几个 部分： 1 初始化结束功能： 驱动程序载入卸载 m u x d e v l o a d o - e n d l o a d ( ym u x d e v u n l o a d e n d u n l o a d ( ) 驱动程序启动停止 m u x d e v s t a r t ( ) - e n d s t a r t ( ) m u x d e v s t o p ( ) - e n d s t o p ( ) 协议软件绑定解除绑定 m u x b i n d ( ) ，s t a c k s h u t d o w n r t l l ( ) 一m u x u n b i n d ( ) 2 控制通道： 协议对驱动的控制通道 m u x l o c t l ( ) 一e n d l o c t l ( ) 驱动对协议的控铝4 通道 m u x t x r e s t a r t ( ) - s t a c k r e s t a r t r t n ( ) 设备错误上报通道 m u x e r r o r ) - s t a c k e r r o r r t n ( ) 北京邮电大学顺| 升究生学位论义 3 数据通道： 数据输出通道 m u x s e n d ( ) 一e n d s e n d ( ) 数据输入通道 e n d r e c v ( ) - m u x r e c e i v e ( ) 一s t a c k r c v r t n ( ) 从以上分析可以看出，v x w o r k s 通过提供m u x 层规范了驱动和协议编程 接口，从而为实现高效的数据通信处理打下了良好的基础。协议和驱动模块接l 7 函数的具体名称可以由程序员自己制定，只要在初始化的时候将具体名称通知 m u x 层即可。 1 2 6g , s h d s l 远程网桥软件实现方法与步骤 g s h d s l 远程网桥软件是运行在实时操作系统v x w o r k s 之上系统软件模块。 它的实现即包括与硬件紧密相关的b s p ( 板级支持包) 和网络设备驱动程序，也包 括高层的网络协议软件的编写和验证，还包括作为操作系统任务的d s l 芯片配 置管理程序。而且，还包括部分的网络软件功能、性能测试。下面，就我在工程 中承担的任务，按照先后顺序简单的介绍一下工作的步骤内容： 1 b s p 修改调试：进行v x w o r k s 操作系统运行硬件环境的初始化和系统的引导。 2 网络驱动程序设计：编写调试远程网桥以太网收发器和h d l c 收发器驱动程 序。 3协议程序：编写网桥协议协议 4 网络驱动与协议的功能和性能测试 除此之外，我还进行了相关的二层交换方案的优化扩展研究。在已有的工程 的基础上，研究了其他二层交换机的设计方法并论证了一部分设计的可行性。 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 第二章远程网桥系统b s p 设计 b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k e t ) 是为统一的嵌入式操作系统运行于多种类型的硬 件平台所设计的中间层软件。它的基本功能包括初始化基本的软、硬件环境，引 导操作系统以及提供必要的调试接口。对于v x w o r k s 操作系统来说，b s p 是将 高效的操作系统内核和硬件环境相关联的必要步骤。它的正确性和稳定性将直接 影响到运行于操作系统之上的用户软件的正确性和稳定性。同时，由于编写调试 b s p 时，硬件环境的多样性、不稳定性甚至错误，都会增加b s p 设计和调试的 难度。在下文中，就g s h d s l 远程网桥工程，介绍一下b s p 的设计和调试。 2 1b s p 组织结构 2 1 1b s p 组件 在硬件环境之上的v x w o r k s 软件包括硬件相关软件和硬件独立软件两个层 次。如下图所示，b s p 和一部分驱动程序包含在硬件相关软件层中。操作系统的 主要部分和应用软件部分属于硬件独立软件层。硬件相关的软件不仅负责系统启 动阶段的硬件初始化，而且在系统运行期间，还负责对上层应用程序屏蔽硬件实 现细节，对上层的硬件相关操作提供具体的实现方法。这样，通过调用统的系 统接口，上层软件就可以实现和下层硬件的独立性，从而提高应用软件系统的可 移植性。 1 8 北京邮电大学硕= 卜研究生学位论文 21 2 b s p 文件组织 h a 坩w j r 巾l n d d o n ts o n w a r 自 l ! 竺。：竺! 竺竺竺：【 图2 - tb s p 与v x w o r k s 组织结构 对于一个特定的b s p 来说，非系统的部分一般集中在v x w o r k s 开发系统 t o r n a d o 安装目录的子目录( t o r n a d 0 2 2 t a r g e t c o n f i g ) 下。除此 之外，t o r n a d o 还提供一部分b s p 共享的文件，这些文件一般集中 在一t o r n a d 0 2 2 t a r g e t c o n f i g a l l 目录下。系统文件的设置可以通过自定义的文件 中的宏进行重新配置而不需要对系统文件直接进行修改。 b s p 的源文件包括头文件( h ) ，c 语言文件( c ) ，汇编语言文件( s ) 和 m a k e f i l e 。下表给出了主要b s p 主要文件目录的组成及主要文件的作用。 主要b s p 主要文件目录的组成及主要文件的作用 目录t a r g e t c o n f i g a l l 这个目录下的文件是所有b s p 文件共享的，不是特别需要不要更改里面的任何文 件 c o n f i g a l l h 缺省定义了所有v x w o r k s 的设置如果不用缺省的设置，可在 b s p 目录下的c o n f i g h 文件中) 羽# d e f i n e 或# u n d e f 方式来更改设 置 b o o t l n i t c在r o m l n i t s 后，完成b o o tr o m 的第二步初始化程序从 r o m i n i t s 中的r o m l n i t ( ) n h 至f j 这个文件中的r o m s t a r t 0 来执行必 要的鳃压和r o m i m a g e 的放置 b o o t c o n f i gc完成b o o tr o mi m a g e 的初始化和控制 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 u s r c o n f i p _ c v x w o r k si m a g e 的初始化代码 目录t a r g e t c o n f i g c o m p s s r c 涉及系统核心的c o m p o n e n t s ，主要由t a r g e t c o n f i g a l l 中u s r c o n f i g c 中函 数调用 目录t a r g e t c o n f i g b s p n a m e 包含系统或硬件相关的b s p 文件 m a k e f i l e 一些控制i m a g e s 的生成命令行 r e a d m e b s p 发布纪录，版本，总的文档 c o n f i g h 包括所有涉及c p u 主板的设置及定义 c o n f i g n e t h 网络驱动的主要设置文件主要对e n d 驱动设置 r o m l n i t sv x w o r k s b o o t r o m 和r o m b a s e d i m a g e 的入口汇编语言文件 s y s a l i b s汇编语言文件，程序员可以把自己的汇编函数放在这个文件里： 在上层调用v x w o r k si m a g e 的入口点一s y s i n i t 在这个文件里，是 在r a m 中执行的第一个函数 s y s l i b c 包含一些系统相关的函数例程，提供了一个b o a r d l e v e l 的接口，v x w o r k s 和应用程序可以以s y s t e m i n d e p e n t 的 方式生成这个文件还能包含目录t a 玛e t c o n 矗g c o m p s s r c 的驱动 s y s s c s i c可选文件用于s c s i 设备设置和初始化 s y s s e r i a l c可选文件用于所有的串口设置和初始化 b o o t r o m h e x a s i c 文件包含v x w o r k sb o o tr o m 代码 v x w o r k s运行在目标机上，完整的，连结后的v x w o r k s 二进制文件 v x w o r k s s y m完全的，连结后带有符号表的v x w o r k s 二进制文件 v x w o r k s s t 完全的，连结后，s t a n d a l o n e ，带有符号表的v x w o r k s 二进制文件 文件编译以后，将得到一系列目标文件。其中最重要的文件是b o o t r o m 和 北京邮电大学硕士研究生学位论文 v x w o r k s 文件。 b o o h o m 一般烧写到系统的e 2 p r o m 或者f l a s h 中，进行系统启动以后的硬 件环境初始化，并且引导一个最小系统进行用户操作系统目标文件的下载和运 行。v x w o r k s 在调试阶段是供b o o t r o m 下载运行的，包括应用软件模块的操作系 统。在整个软件系统完成测试以后，还可以编译出将以上两者结合的 v x w o r k st o m 直接烧写到e 2 p r o m 或f l a s h 中，省略b o o t r o m 下载步骤，直接启 动添加应用软件的系统。 2 2b s p 设计的准备工作 2 , 2 1 处理器架构 编写b s p 的首要任务是了解核心通信处理器的架构。只有在了解了核心处 理器的基本架构启动方式的基础上，才。能编写操作系统运行的基础软件，即板级 支持包。下面简单的介绍了在修改g s h d s l 远程网桥工程b s p 的准备工作中需要 了解的核心通信处理器即m o t o r o l a 公司的m p c 8 5 0 集成通信处理器的基本架 构。 m p c 8 5 0p o w e r q u l c c ( q u a di n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 内部集 成了微处理器和些控制领域的常用外围组件，特别适用于通信产品包括器件 的适应性，扩展能力和集成度等m p c 8 5 0p o w e r q u i c c 集成了两个处理块一 个处理块是嵌入的p o w e r p c 核，另一个是通信处理模块fc p m ，c o m m u n i c a t i o n s p r o c e s s o r m o d u l e ) ，通信处理模块支持两个串行通信控制器f s c c ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc o n t m l l e 0 ，实际上它有六个串行通道：两个s c c 两个串行管理 控制器( s m c ，s e r i a lm a n a g e m e n tc h a n n e l s ) ，一个串行外围接口电路( s p i ， s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 和一个1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 接口由于c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要低于 传统的体系结构的处理器。 基于v x w or k s 的网桥设计与交换技术研究 斟2 - 2p o w e r p c 处理器的架构示意图 上面是p o w e r p c 处理器的架构示意图。从结构上来讲，p o w e r p c 处理器可 以分为三部分： 嵌入p o w e r p c 核心 系统接口单元 通信处理模块 下面是选用的处理器的系统架构的具体介绍和分析。 m p c 8 5 0 微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用 外围组件，可用于各种控制领域。它是m p c 8 6 0 应用于通信系统的低成本实现， 提供的了更高信价比，并在通信方面有所增强，比如通用串行总线( u s b ) 的支 持。m p c 8 5 0 集成了嵌入式p o w e r p c 核和一个为通信使用的专门的r i s c 的通信 处理器模块( c p m ) 。m p c 8 5 0 的c p m 支持6 个串行通道：一个串行通信控制 器( s c c ) ，一个通用串行总线通道( u s b ) ，两个串行管理控制器( s m s ) ，一 个1 2 c ( i n t e r i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 接口，和一个串行外围接口电路( s p i ) 。 m p c 8