基于ARM9的UDP協(xié)議棧的設計與實現

　　隨著嵌入式技術和網絡技術的迅速發(fā)展，以太網接口在嵌入式系統(tǒng)中的應用越來越廣泛.以太網通信速度快.通用，可直接與Internet 相連接，提供更大范圍的遠程訪問.目前在工控嵌入式領域，網絡通信通常采用UDP 和TCP 協(xié)議.UDP 與TCP 相比，UDP 使用非連接的.不可靠的通信方式，因此網絡傳輸速度快，實時性相對較好.文中設計實用S3C2440.以太網控制器DM9000和經過自行裁剪的TCP / IP 協(xié)議棧，構成嵌入式系統(tǒng)的以太網接口，實現UDP 通信.

　　1 系統(tǒng)的硬件介紹該系統(tǒng)采用優(yōu)龍科技公司YLP2440 作為開發(fā)的硬件系統(tǒng)，YLP2440 采用三星S3C2440A作為CPU,最高主頻400MHz,帶有64MB SDRAM 和64MB NANDFlash 的外部存儲器，有兩個五線異步串行口，波特率高達115200bps,一個10M / 100M DM900AEP 網絡接口卡，帶有連接和傳輸指示燈.DM9000A 是一個全集成.功能強大.性價比高的快速以太網MAC 控制器，它帶有一個通用處理接口.EEPROM 接口.10/ 100MPHY 和SRAM,采用單電源供電，可兼容3. 3V.5V 的IO 接口電平.DM9000A 同樣支持MII （Media IndependentInterface,介質無關接口），它包含一系列可被訪問控制的狀態(tài)寄存器，這些寄存器是字節(jié)對齊的，在硬件或者軟件復位時被設置成初始化.

　　硬件框圖如圖1 所示.

　　2 以太網軟件的設計

　　2. 1 以太網卡控制器的初始化

　　首先DM9000A 自檢，讀取DM9000 的生產廠家ID和設備ID 與已經設定好的ID 進行比對，判斷DM9000網卡是否存在，初始化DM9000A,它的過程就是適當配置DM9000A 寄存器的過程，具體過程分為以下幾個步驟：

　　（1）啟動DM9000A,設置CPCR[REG_1E] = 0×1,使DM9000 的GPIO3 為輸出，GPR[REG_1F] =0×0,使DM9000 的GPIO3 輸出為低以激活內部PHY.延時2ms 以上以等待PHY 上電.

　?。?）進行兩次軟復位，設置DM9000 為正常工作模式，根據芯片設計要求，要想使芯片在上電之后工作正常就要進行兩次軟復位，設置為NCR[REG_00] =0×01,NCR[REG_00] =0×00,這兩步操作進行兩次.

（3） 清除各種狀態(tài)標志位和中斷標志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

　　（4）設置接收和發(fā)送控制寄存器，并且設置FIFO的大小，RCR[REG_05] =0×39.TCR[REG_02] =0×00.FCTR[REG_09] =0×38.

　　（5）設置板子自身的MAC 地址.

　?。?）再一次清除各種狀態(tài)標志位和中斷標志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

　?。?）設置中斷屏蔽寄存器，打開接收中斷，IMR[REG_FF] =0×81.

　　當進行了以上步驟的設置之后，DM9000A 芯片就處于正常工作狀態(tài)了.在以后進行通信的過程中，如果發(fā)生異常引起芯片重啟，則再一次進行同樣的設置.

　　2. 2 以太網卡數據的發(fā)送和接收

　　DM9000A 發(fā)送數據采用的是循環(huán)查詢模式，接收數據采用的是中斷模式，DM9000 內部有0x3FF 大小的SRAM 用于接收和發(fā)送數據緩存.在發(fā)送或接收數據包之前，數據是暫存在這個SRAM 中的.當需要連續(xù)發(fā)送或接收數據時，需要分別把DM9000 寄存器MWCMD 或MRCMD 賦予數據端口，這樣就指定了SRAM 中的某個地址，并且在傳輸完一個數據后，指針會指向SRAM 中的下一個地址，從而完成了連續(xù)訪問數據的目的.但當發(fā)送或接收一個數據后， 指向SRAM 的數據指針不需要變化時，則要把MWCMDX 或MRCMDX 賦予數據端口 .

　　發(fā)送數據比較簡單，接收數據就略顯復雜，因為它是有一定格式要求的.在接收到的一包數據中的首字節(jié)如果為0×01,則表示這是一個可以接收的數據包；如果為0×0,則表示沒有可接收的數據包.因此在讀取其他字節(jié)時，一定要先判斷首字節(jié)是否為0×01.數據包的第二個字節(jié)為數據包的一些信息，它的高字節(jié)的格式與DM9000 的寄存器RSR 完全一致.第三個和第四個字節(jié)為數據包的長度.后面的數據就是真正要接收的數據了.

　　2. 2. 1 UDP 協(xié)議棧的裁剪實現

　　在系統(tǒng)中主要使用UDP 通信，只需要實現ARP協(xié)議.IP 協(xié)議，對TCP/ IP 協(xié)議進行部分的實現.UDP協(xié)議通信（即用戶數據報協(xié)議）與TCP 一樣都是屬于傳輸層協(xié)議，位于IP（網際協(xié)議）協(xié)議的頂層.UDP 相對于TCP 是一種簡單協(xié)議，提供的是最少的服務，編寫的代碼量也小，所需的程序和內存空間少，運行速度快.ARP 為IP 地址對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射，發(fā)送終端把以太網數據幀發(fā)送到位于同一局域網上的另一臺主機時，是根據48bit 的以太網地址來確定目的接口的.設備驅動程序從不檢查IP 數據報中的目的IP 地址.IP 協(xié)議是TCP/ IP 協(xié)議中最為核心的協(xié)議，它提供不可靠.無連接的數據報傳送服務 .

　　2. 2. 2 數據的發(fā)送過程

　　數據發(fā)送過程如圖2 所示.發(fā)送終端在第一次發(fā)送數據的時候，要知道接收端的IP 地址和端口號，還要得到對方的物理MAC 地址，因為兩個終端最后通信是通過尋找對方的MAC 地址來進行的，因此首先得通過ARP 協(xié)議，把對方的IP 地址轉換為MAC 地址，得到了物理地址之后才能通信.如果長時間不能得到這個物理地址，則只能說明請求失敗，需要重新發(fā)送ARP 請求，ARP 的封裝過程如圖3（b）所示.

　　2. 2. 3 數據包的封裝過程

　　UDP 協(xié)議數據包的封裝在運輸層進行，打好包的UDP 數據將送往網絡層進行IP 協(xié)議的打包，UDP 要完成進程到進程的通信，把報文交付給正確的進程.當進程有報文要通過UDP 發(fā)送時，它就把這個報文連同一對套接字地址以及數據長度傳遞給UDP.UDP 收到數據后就加上UDP 首部，也就是UDP 數據包的封裝如圖3（c）所示.然后UDP 就把該用戶數據包連同IP 加上自己首部，在協(xié)議字段使用值17,指出該數據是從UDP 協(xié)議來的，這個過程就是IP 數據包的封裝過程如圖3（a）所示.這個IP 數據包再傳遞給數據鏈路層.數據鏈路層收到IP 數據包之后，加上自己的首部（可能還有尾部），再傳遞給物理層.物理層把這些位編碼為電信號或者光信號，然后把它發(fā)送到遠程的機器.