基于IP核的PCI總線接口設計與實現

嵌入式internet是隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網絡技術的發(fā)展而產生的一種新概念和技術，嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，現已贏得了巨大的市場。隨著internet的發(fā)展，各種設備都產生了連接性的需求，從冰箱到電表，似乎所有電器需要連入互聯(lián)網。通過為現有嵌入式系統(tǒng)增加因特網接入能力來擴展其功能，以internet為介質實現信息交互，從而產生了嵌入式internet技術，要實現嵌入式設備的網絡化，需要實現tcp/ip網絡協(xié)議棧，但由于internet上各種通信協(xié)議對計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，使得嵌入式系統(tǒng)協(xié)議棧的開發(fā)實現并不順利。

目前過兩個關鍵因素影響網絡協(xié)議棧的開發(fā)，一是性能和效率，二是開發(fā)調試方便。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)一般只能顧及其中的一個方面。例如在linux、freebsd中，網絡協(xié)議棧作為系統(tǒng)內核的一部分實現，通常具有較高的通信效率，但是不方便用戶添加實現新的用戶協(xié)議及根據特殊需要對協(xié)議的實現細節(jié)調整，同時對協(xié)議代碼的維護、調試和開發(fā)也不方便，這個缺點在嵌入式領域表現的尤為突出。

由于嵌入式設備的多樣性和通信需求的多樣性，嵌入式領域的網絡協(xié)議棧的復用率非常低。本文將構件技術引入網絡協(xié)議棧的開發(fā)，并在國產和欣操作系統(tǒng)上實現了一個構件化的網絡協(xié)議棧，很好地解決了開發(fā)與效率的問題。

1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)的car構件技術

1.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)

和欣操作系統(tǒng)基于微內核，服務動態(tài)加載。內核包括硬件驅動（串口、usb、以太網卡、無線通信模塊）、內存管理等系統(tǒng)基本服務，如圖1所示。tcp/ip協(xié)議棧完全由構件實現，是運行在構件平臺之上的一個服務構件，底層網卡、串口等設備得到數據之后將數據交上層服務構件處理。

和欣嵌入式操作系統(tǒng)是基于構件化軟件模型，構件化軟件設計思想貫穿了整個系統(tǒng)的設計與實現，系統(tǒng)實現本身就是構件模式，除內核中最底層控制部分外，所有系統(tǒng)功能都以構件接口形式提供。另外，操作系統(tǒng)對構件化軟件模型提供了必要的運行環(huán)境，來源不同的構件可以在該環(huán)境上實現互操作，系統(tǒng)提供了構件自動尋址/自動加載機制，用戶不必知道調用的構件程序是本地的還是來自于網上，即構件運行環(huán)境對用戶透明。構件化系統(tǒng)的實現，使得操作系統(tǒng)本身具有高度的靈活性和擴展性。和欣采用了car構件技術。

1.2 car構件技術

car構件技術是在總結面向對象編程、面向構件編程技術的發(fā)展歷史和經驗的基礎上，為更好地支持面向以web服務為代表的下一帶網絡應用軟件開發(fā)而發(fā)明的。car（component assembly runtime）構件技術定義了一套網絡編程時代的構件編程模型和編程規(guī)范，它規(guī)定了一組構件間相互調用的標準，使二進制構件可自描述并能夠在運行時動態(tài)鏈接。

car構件技術通過二進制的封裝及動態(tài)鏈接技術解決軟件的動態(tài)升級和軟件的動態(tài)替換問題，面向構件技術對一組類的組合進行封裝，并代表完成一個或多個功能的特定服務，同時為用戶提供多個接口。整個構件隱藏了具體的實現，只用接口提供服務。這樣，在不同層次上，構件均可以將底層多個邏輯組合成高層次上粒度更大的新構件，構件之間通過約定的接口進行數據交換和信息傳遞，構件的位置相互透明，可以在同一個或不同的用戶進程空間、不同的機器設置不同的構件上用不同的語言編寫，只要其符合事先約定的構件規(guī)范。

2 和欣操作系統(tǒng)上的tcp/ip協(xié)議棧的特點與實現

2.1 和欣嵌入式操作系統(tǒng)上tcp/ip協(xié)議棧的特點

由于嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得tcp/ip協(xié)議的嵌入式實現與其在通用操作系統(tǒng)中的實現有很大不同。首先，由于嵌入式處理器的時鐘頻率低，地址、數據總線窄，導致嵌入式系統(tǒng)對一個通用ip包的處理要花費更多的處理機時間，從而影響其他任務的執(zhí)行，因此需要對龐大的復雜的tcp/ip協(xié)議棧進行裁剪，使之具有簡單、高效的特點同時在設計嵌入式tcp/ip協(xié)議棧時要合理控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運行時候盡可能短；同時把那些無實時性要求和費時的工作移到主程序中執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行，具體來說，就是把tcp/ip協(xié)議的處理工作放到主程序中對網絡接口的控制芯片采用循環(huán)查詢方式，在其他中斷任務的執(zhí)行間隙處理tcp/ip協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應時間換取系統(tǒng)的可靠性，再者由于嵌入式的系統(tǒng)的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾kb字節(jié)的緩存區(qū)接收數據包，并且其存儲空間固定，不是動態(tài)分配的。因此，遇到大數據包時就會出現緩沖區(qū)溢出的錯誤。通常，嵌入式系統(tǒng)接收的數據包類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等，這些包容量較小，由實時數據或網頁向網絡發(fā)送的數據包比較長，但可以通過設計格式加以控制。

和欣操作系統(tǒng)是基于微內核的操作系統(tǒng)， 其上的tcp/ip協(xié)議棧既可以運行在用戶態(tài)，也可以運行在內核態(tài)度，具有通用接口和方便的框架，方便用戶開發(fā)適合自己領域或特殊需要的網絡協(xié)議棧，因為和欣操作系統(tǒng)提供了高效的進程上下文切換功能和進程間通信，所以整個網絡協(xié)議棧作為一個用戶態(tài)進程提供服務。使用前先創(chuàng)建網絡構件實例，然后向操作系統(tǒng)注冊服務。此后用戶就可以使用網絡編程接口了，如果用戶對網絡協(xié)議棧有更高的效率要求，則可以將該協(xié)議棧加載到內核態(tài)。

2.2 和欣嵌入式操作系統(tǒng)tcp/ip的實現

根據和欣嵌入式tcp/ip協(xié)議堆棧的特點，在實現嵌入式tcp/ip協(xié)議棧時只需要用到下述四個基本協(xié)議：tcp協(xié)議、icmp協(xié)議、ip協(xié)議、arp協(xié)議。其余的鏈路層協(xié)議如ppp協(xié)議需要在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧下面的設備驅動程序中實現；而像http、ftp這樣的應用層協(xié)議則要在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧上面的應用層中實現。

2.2.1 地址轉化協(xié)議arp

arp協(xié)議為ip地址和以太網mac地址建立一個映射表。這個協(xié)議對于以太網的tcp/ip協(xié)議的操作是必不可少的。為了節(jié)省空間，一個ip地址的arp請求覆蓋即將發(fā)送的數據包，該arp請求就是因為要發(fā)送這個包而發(fā)送的。這種方法在假設上層會重發(fā)被覆蓋的數據時采用。每隔十秒鐘，表就會刷新一次，舊的記錄被丟棄，在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，記錄的有效時間為1秒。

2.2.2 網絡協(xié)議ip

在嵌入式tcp/ip中，ip協(xié)議執(zhí)行兩項功能：（1）封裝來自上層的tcp數據包或icmp數據包，計算ip數據包的檢驗和；（2）解析ip緩存中的數據包，檢查數據包的協(xié)議字段，以判斷該數據包應該交給icmp協(xié)議還是tcp協(xié)議處理。基于嵌入式web服務器與客戶端通信的信息量很小，數據包的大小不會超過鏈路層的mtu（最大傳輸單元），嵌入式ip沒有引入數據包分片和重組功能，標準的ip協(xié)議有選路功能，可以選擇較短路徑傳送數據包，嵌入式ip中為了減少代碼規(guī)模，未引入選路功能。

2.2.3 網際控制報文協(xié)議icmp

在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，只處理一種icmp消息類型：icmp回送消息。icmp回復消息經常被用來調用ping程序測試對方主機是否在線。在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，icmp回送消息用一種十分簡單的方式實現，即將icmp類型的字段由"echo"類型改變?yōu)?echo reply"類型。改變ip首部的ip地址，將數據包送回發(fā)送者。

2.2.4 傳輸控制協(xié)議tcp

tcp協(xié)議是面向連接的、端到端的可靠通信協(xié)議。它采用了許多機制保證傳輸可靠性，應用于嵌入式系統(tǒng)顯得過于復雜。在嵌入式tcp/ip協(xié)議棧中，為了減少存儲空間的占用，沒有進入發(fā)送和接收數據的可靠窗口機制；通常，嵌入式web服務器處于被動服務狀態(tài)，所以可以將標準tcp有線狀態(tài)機的主動創(chuàng)建連接的syn sent狀態(tài)、主動關閉連接的fin wait1、fin wait2、closing、time wait狀態(tài)裁剪。設計中還去掉了listening狀態(tài)，使它在closed狀態(tài)下就處于偵聽狀態(tài)，監(jiān)聽客戶端的鏈接請求，這樣避免了主動或被動打開及關閉的操作，使嵌入式tcp/ip協(xié)議棧更精簡，嵌入式tcp/ip中到達tcp段的數據不被緩存，應用程序必須立即處理它。當然，這并不阻止應用層緩存數據。每次連接在發(fā)送數據時，無法同時處理多于一個的tcp段，tcp協(xié)議的實現原理比較復雜，在嵌入式tcp/ip協(xié)議中，實現tcp協(xié)議是一個最關鍵的問題。

2.2.5 構件化的協(xié)議棧

采用構件化方法實現網絡協(xié)議棧的關鍵是：

（1）如何劃分構件的粒度。需要根據用戶的需要解決定，如果用戶是開發(fā)一個新的協(xié)議棧，可以采用大粒度的構件劃分方式（如圖2所示），即把整個網絡協(xié)議棧作為一個大的構件，繼承預先定義的構件。

（2）如何設計構件接口。要實現（1）所提到的構件的自由替換，必須設計良好的構件接口。所有的構件實現應該繼承該接口。設計接口的原則是盡量保持接口的通用性和簡潔性。當有新的功能添加時，可以通過繼承實現新的接口方便地加入原有的框架，從而實現軟件的無縫升級。

（3）提高網絡通信的效率。一個高效的通信協(xié)議需要滿足：1）上下文切換和定時器的輕型完成；2）多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面；3）在網絡設備，核心層和用戶層之間有高效的緩沖機制，避免不必要的拷貝。

如果操作系統(tǒng)提供了快捷的上下文切換及高效的進程間的通信，則整個網絡協(xié)議棧便可以作為一個用戶態(tài)進程對用戶進程提供服務，如果進程上下文切換比較復雜，則整個網絡協(xié)議?？梢宰鳛閯討B(tài)鏈接庫鏈入用戶進程地址空間，但需要對多進程共享的數據加鎖，進行同步訪問控制。另外一種選擇是將網絡協(xié)議棧裝入內核空間，也可以避免頻繁的進程上下文切換帶來的系統(tǒng)開銷。

因為采用了通用的socket編程接口作為最終提供給用戶使用的接口，從而使多個協(xié)議具有統(tǒng)一的使用界面。同時，在采用細粒度構件的網絡協(xié)議棧中，各層協(xié)議之間的接口也是精細構造的統(tǒng)一接口，為了避免大量數據的拷貝，需要設計良好的數據結構，同時采取"共享內存"的方法。網絡協(xié)議各層次間盡量以指針方式傳遞數據。

構件化的網絡協(xié)議棧具有以下優(yōu)點：

（1）針對不同網絡應用的需求，能最大限度地利用領域相關知識進行調整，提高了性能。

（2）底層構件可以在不影響頂層使用的情況下進行修改。

（3）方便用戶添加及開發(fā)調試新的協(xié)議。

該文采用上海科泰公司的car構件技術在和欣操作系統(tǒng)上實現了一個構件化的網絡協(xié)議棧，該網絡協(xié)議構件既可以加載在內核態(tài)，也可以加載到用戶態(tài)，方便開發(fā)調試，有利于開發(fā)新網絡協(xié)議棧，其他開發(fā)者采用構件的方法開發(fā)出了高效或者針對某特定領域的網絡協(xié)議棧，可以方便地替換和欣操作系統(tǒng)上原有的網絡協(xié)議棧。使用構件化的方法開發(fā)網絡協(xié)議棧也可以推廣到其他支持構件的操作系統(tǒng)上。