嵌入式網絡終端報文收發機制研究與實現

1、 引言
計算機網絡技術迅猛發展，幾乎延伸到各個領域，已經成為很多嵌入式系統的重要功能組件[1]，并且衍生出新型終端，如IP電話、IPTV等。在嵌入式網絡終端系統中，網絡報文的收發依靠協議棧完成，其功能集中在傳輸層、網絡層和鏈路層。通常的報文接收機制是在鏈路層以上建立接收任務，通過查詢物理層的通信狀態或者由物理層中斷觸發[2]，來接收網絡數據。這兩種方式都有一定的缺陷。查詢方式，就是接收任務按照某種規則檢查底層是否收到新數據，簡單可靠，但由于網絡通信是一種隨機的離散事件，查詢方式可能對處理器資源造成嚴重浪費，加大通信延時。中斷方式相對靈活，延時固定，但在程序中引入了更多的上下文切換，在復雜度和可靠性上略有不足。本文提出一種中斷與查詢結合使用的方法，通過實踐，表明這套收發機制具有高效、穩定、可靠的優點。
2、 收發機制
本文的目標是充分利用嵌入式系統的處理器和存儲器資源，保證網絡終端報文收發的實時性和吞吐量。本系統按圖1的基本架構實現網絡通信，由三層功能模塊和兩級緩存構成一條接收通道和一條發送通道。上層是系統應用程序。底層負責物理鏈路上的數據收發。中層由協議棧和網絡接口適配器驅動負責上層和底層的數據交互。有兩級緩存，上層與中層之間的二級緩存用于網絡報文的封裝和解析；中層與底層之間的一級緩存分為接收緩存和發送緩存，采用環行結構，作用是解決終端與網絡之間異步問題。接收過程分為三個階段，主要工作在RX2階段；發送過程分為兩個階段，上層和中層屬于同一階段(TX2)。原因是發送過程是主動過程，由高層發起并控制低層完成，而接收過程中低層先得到數據，但只能等待而不能控制高層的響應。通常物理層、媒體訪問控制(MAC)和一級緩存可以使用網絡接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 實現，NIC能獨立完成物理鏈路上的報文收發。

2、1接收流程

本系統中，網絡報文接收過程RX2階段如圖2。初始狀態下，打開接收中斷A和一級緩沖溢出中斷B。若物理層收到一幀或多幀數據，就存入一級接收緩存，并向處理器發出中斷請求。系統將會執行相應中斷程序，檢查一級接收緩存是否溢出。如果溢出，就對其復位,并回到初始狀態。否則，關閉中斷A、B，向協議棧的接收任務發出一次接收通知。接收任務每次收到該通知，就從一級緩存取出一幀數據，保存到二級緩存，并按照網絡協議進行處理后轉交上層，之后，檢查一級緩存內是否仍有新數據。如果沒有，就清除中斷A的有效狀態，然后重新打開中斷A、B。如果有，就直接進入下輪接收過程。如此，一次突發過程中如果網絡中有多幀數據到達終端，能夠直接由上層一一接收，而不需一次次中斷。
2、2發送流程
本系統報文發送過程TX2階段如圖3，實現方式與接收不同，無專門任務負責發送功能，而是由協議棧提供一套統一接口，上層應用程序借此發送數據。首先在二級緩存中形成網絡報文，然后檢查一級緩存中發送緩存，待其可用，將數據從二級緩存復制到一級緩存，啟動發送。之后，NIC通常能夠自動完成余下的物理層發送工作。此刻，系統主動查詢接收通道的工作狀態。如果發生中斷A或B，就觸發軟中斷。于是，構成一種多點隨機查詢機制。