基于IP核的PCI總線接口設計與實現

嵌入式internet是隨著嵌入式系統的廣泛應用和計算機網絡技術的發展而產生的一種新概念和技術，嵌入式系統以應用為中心，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網。通過為現有嵌入式系統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網絡協議棧，但由于internet上各種通信協議對計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，使得嵌入式系統協議棧的開發實現并不順利。

目前過兩個關鍵因素影響網絡協議棧的開發，一是性能和效率，二是開發調試方便。傳統的操作系統一般只能顧及其中的一個方面。例如在linux、freebsd中，網絡協議棧作為系統內核的一部分實現，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議及根據特殊需要對協議的實現細節調整，同時對協議代碼的維護、調試和開發也不方便，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議棧的復用率非常低。本文將構件技術引入網絡協議棧的開發，并在國產和欣操作系統上實現了一個構件化的網絡協議棧，很好地解決了開發與效率的問題。

1 和欣嵌入式操作系統的car構件技術

1.1 和欣嵌入式操作系統

和欣操作系統基于微內核，服務動態加載。內核包括硬件驅動（串口、usb、以太網卡、無線通信模塊）、內存管理等系統基本服務，如圖1所示。tcp/ip協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的設計與實現，系統實現本身就是構件模式，除內核中最底層控制部分外，所有系統功能都以構件接口形式提供。另外，操作系統對構件化軟件模型提供了必要的運行環境，來源不同的構件可以在該環境上實現互操作，系統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，即構件運行環境對用戶透明。構件化系統的實現，使得操作系統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而發明的。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范，它規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鏈接。

car構件技術通過二進制的封裝及動態鏈接技術解決軟件的動態升級和軟件的動態替換問題，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范。

2 和欣操作系統上的tcp/ip協議棧的特點與實現

2.1 和欣嵌入式操作系統上tcp/ip協議棧的特點

由于嵌入式系統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協議的嵌入式實現與其在通用操作系統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行，因此需要對龐大的復雜的tcp/ip協議棧進行裁剪，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行，從而保證協議的正確執行，具體來說，就是把tcp/ip協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查詢方式，在其他中斷任務的執行間隙處理tcp/ip協議，以犧牲系統的響應時間換取系統的可靠性，再者由于嵌入式的系統的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾kb字節的緩存區接收數據包，并且其存儲空間固定，不是動態分配的。因此，遇到大數據包時就會出現緩沖區溢出的錯誤。通常，嵌入式系統接收的數據包類型僅為系統狀態配置包、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。

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

2.2 和欣嵌入式操作系統tcp/ip的實現

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

2.2.1 地址轉化協議arp

arp協議為ip地址和以太網mac地址建立一個映射表。這個協議對于以太網的tcp/ip協議的操作是必不可少的。為了節省空間，一個ip地址的arp請求覆蓋即將發送的數據包，該arp請求就是因為要發送這個包而發送的。這種方法在假設上層會重發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協議棧中，記錄的有效時間為1秒。

2.2.2 網絡協議ip

在嵌入式tcp/ip中，ip協議執行兩項功能：（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，檢查數據包的協議字段，以判斷該數據包應該交給icmp協議還是tcp協議處理。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中為了減少代碼規模，未引入選路功能。

2.2.3 網際控制報文協議icmp

在嵌入式tcp/ip協議棧中，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"類型改變為"echo reply"類型。改變ip首部的ip地址，將數據包送回發送者。

2.2.4 傳輸控制協議tcp

tcp協議是面向連接的、端到端的可靠通信協議。它采用了許多機制保證傳輸可靠性，應用于嵌入式系統顯得過于復雜。在嵌入式tcp/ip協議棧中，為了減少存儲空間的占用，沒有進入發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，所以可以將標準tcp有線狀態機的主動創建連接的syn sent狀態、主動關閉連接的fin wait1、fin wait2、closing、time wait狀態裁剪。設計中還去掉了listening狀態，使它在closed狀態下就處于偵聽狀態，監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。每次連接在發送數據時，無法同時處理多于一個的tcp段，tcp協議的實現原理比較復雜，在嵌入式tcp/ip協議中，實現tcp協議是一個最關鍵的問題。

2.2.5 構件化的協議棧

采用構件化方法實現網絡協議棧的關鍵是：

（1）如何劃分構件的粒度。需要根據用戶的需要解決定，如果用戶是開發一個新的協議棧，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。一個高效的通信協議需要滿足：1）上下文切換和定時器的輕型完成；2）多個協議具有統一的使用界面；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，則整個網絡協議棧便可以作為一個用戶態進程對用戶進程提供服務，如果進程上下文切換比較復雜，則整個網絡協議棧可以作為動態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，從而使多個協議具有統一的使用界面。同時，在采用細粒度構件的網絡協議棧中，各層協議之間的接口也是精細構造的統一接口，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。網絡協議各層次間盡量以指針方式傳遞數據。

構件化的網絡協議棧具有以下優點：

（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調試新的協議。

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