基于PPP的TMS320C6x嵌入式網絡接口設計
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作 者： ■ 重慶大學 顧誠 羅建</P><P> 摘要：PPP是TCP/IP協議族中的重要協議之一，它能適應多種傳輸介質，安全性好，適合在嵌入式系統中使用。本文結合TMS320C6x的網絡開發包，研究基于PPP的嵌入式網絡接口設計方案，介紹一種以低層PPP API為基礎的設計方法。</P><P> 關鍵詞：PPP 嵌入式系統 網絡 TCP/IP TMS320C6x</P><P> <BR> 引 言：<BR> 隨著嵌入式應用的普及，嵌入式系統的聯網問題日益引人關注。在信息化進程中，如何實現資源共享已經是幾乎所有電氣設備必須回答的問題，嵌入式系統也不例外。</P><P> 在傳統的工控領域，大量以單片機為代表的嵌入式設備，如儀器儀表、數據采集和顯示設備、過程控制設備等，面臨更緊迫的聯網需求。因為在工業化進程中，信息化正在發揮越來越重要的作用，而網絡則是信息共享的基礎。在工業自動化領域，由于應用環境千差萬別，如何實現設備聯網也見仁見智，方案之間差異很大。由于近幾年電子技術的發展，以TCP/IP為代表的通用網絡技術和標準在工業環境和生產現場的應用日益增多，開始逐漸被人們接受。但是，TCP/IP協議的真正優勢在上層，它適合于大范圍的信息共享。如何將品種繁多的現場設備聯網并非TCP/IP所長，為了解決這個難題，人們想到了PPP（Point to Point Protocol）。</P><P> 在TCP/IP協議族中，PPP本來是用來實現遠程聯結的，其特點是適應多種傳輸介質和可靠性高。在工業生產現場，這是兩個被非常看重的優點，所以采用PPP作為嵌入式系統的聯網協議已經引起廣泛的關注[1]。為了利用PPP的優點，一些系統甚至在已經具備以太網的環境中仍然采用PPP，這就是所謂的以太網承載PPP技術（PPPoE）[2]。</P><P> 1 TMS320C6x網絡開發環境對PPP的支持</P><P> 為了加速其高檔DSP的網絡化進程，TI結合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。該開發包采用緊湊的設計方法，實現了用較少的資源耗費支持TCP/IP。從實用效果看，NDK僅用200~250K程序空間和95K數據空間即可支持常規的TCP/IP服務，包括應用層的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統的硬件環境，是實現DSP上網的重要支撐工具。</P><P> 與常規的TCP/IP應用環境不同，為了最大限度地減少資源消耗，TI為其NDK采用了許多特殊技巧，重要的有：</P><P> ① UDP socket和RAW socket不使用發送或接收緩沖區；<BR> ② TCP socket使用發送緩沖區，接收緩沖區依配置文件而定；<BR> ③ 低層驅動程序與協議棧之間通過指針傳遞數據，不對包進行復制拷貝；<BR> ④ 設置專門的線程清除存儲器中的碎片和檢查存儲器泄露。</P><P> 要特別注意“低層驅動程序與協議棧之間的通信”。因為在嵌入式系統中，低層驅動程序和應用程序一樣均需要開發者自行設計。也就是說，在以NDK為基礎的開發中，開發人員需要分別設計低層驅動程序和應用程序，這兩部分程序通過NDK提供的TCP/IP包發生關聯。程序的執行過程是：應用程序調用TCP/IP包，TCP/IP包再調用低層的驅動程序。</P><P> 在NDK中，對低層驅動程序與TCP/IP包之間的接口作了明確規定。換言之，低層驅動程序必須符合接口約定，其要點是： </P><P> ① 由低層驅動程序調用TCP/IP包函數創建PPP連接實例，在連接實例中，以回調函數的形式將用于處理數據發送的函數名傳遞給TCP/IP包；<BR> ② 當TCP/IP包有數據需要發送時，直接調用PPP創建時由低層驅動程序傳遞來的函數名；<BR> ③ 當低層驅動程序接收到網絡數據時，調用TCP/IP包函數發送到IP層。<BR> 低層驅動程序直接面向硬件，為了適應硬件的多樣性，在NDK中也提供了多種實現PPP的方法。</P><P> 2 PPP低層驅動程序的任務和實現方案</P><P> PPP低層驅動程序在硬件和TCP/IP包之間傳遞PPP幀；但是，面向硬件和TCP/IP包的PPP幀是不同的。面向硬件的PPP幀由六個字段組成：</P><P> ① Flag標志（7E），1字節；<BR> ② Address地址（FF），1字節；<BR> ③ Control控制（03），1字節；<BR> ④ Protocol協議，2字節；<BR> ⑤ Payload凈荷，小于1500字節；<BR> ⑥ CRC檢查和，2字節。</P><P> 而面向TCP/IP包的PPP幀則只有④和⑤兩個字段。所以，PPP低層驅動程序的任務可以歸納為：在硬件和TCP/IP包之間提供數據通道，在物理上實現鏈路層上的信息發送與接收，在邏輯上對PPP幀進行處理和加工。</P><P> 在NDK中，通過TCP/IP 協議棧提供了三套實現PPP的函數。即低層 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低層PPP API 只能從內核層調用，用戶應該非常熟悉內核的操作，如llEnter()/ llExit() 函數對等，對軟件開發的限制較大，但應用范圍寬廣。HDLC API 可在用戶程序中調用，由TCP/IP 協議棧實現，配合HAL層的串行驅動程序llSerial，提供在常規串口上的PPP能力，應用范圍有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太網的PPP接口，對硬件端的要求更加嚴格。</P><P> 為了使開發的PPP低層驅動程序具有較寬的適應能力，我們選擇低層 PPP API作為開發的基礎。低層 PPP API的函數包括：<BR> pppNew() 創建一個PPP會話連接；<BR> pppFree() 釋放一個PPP會話連接；<BR> pppTimer() 1s的定時器函數；<BR> pppInput() 發送已接收到的PPP 輸入緩沖區。</P><P> 在低層 PPP API中最重要的是創建函數。通過對pppNew()的深入研究，我們可以把握住PPP低層驅動程序設計的關鍵之處。pppNew()的接口為：<BR> HANDLE pppNew(HANDLE hSI ， uint pppFlags ，uint mru ， IPN IPServer ， IPN IPMask ， IPN IPClient, char *Username, char *Password, UINT32 cmap, void (*pfnSICtrl)(HANDLE， uint ， UINT32, HANDLE ));</P><P> pppNew包含有許多參數，重要的有：hSI 供回調函數使用的句柄、pppFlags 連接選項標志、mru 最大接收單元數以及網絡地址和子網掩碼、用戶名稱和口令等。其中，最重要的參數是回調函數的指針：pfnSICtrl 。當TCP/IP包需要通過PPP發送數據時，將使用該指針提供的函數。<BR> <BR> 回調函數由PPP低層驅動程序的開發人員負責編寫，但它的接口是由pppNew的參數決定的。回調函數的接口界面為：</P><P> void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)</P><P> 參數的含義為：hSI與特定PPP連接會話（由pppNew創建）相聯系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代碼，Data關于消息代碼的附加信息。hPkt是最重要的，當消息代碼為SI_MSG_ SENDPACKET時，表示發送數據包的句柄。</P><P> PPP 通常在三類情況下調用該回調函數，即：<BR> ① SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的連接狀態已經改變；<BR> ② SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在請求一將數據幀編碼和傳輸；<BR> ③ SI_MSG_PEERCMAP LCP 已經收到對等的 32 位異步字符映射。</P><P> 3 編程舉例</P><P> 下面給出兩段代碼，說明在PPP低層驅動程序中如何接收和發送數據。<BR> 接收數據通過pppInput函數實現，核心代碼如下：<BR> HANDLE hPkt;<BR> HANDLE hFrag;<BR> uint Offset,ValidSize;<BR> UINT8 *pb;<BR> // 生成1500字節payload包<BR> if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );<BR> hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存儲器碎片 <BR> pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包頭指針<BR> Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );<BR> if( Offset <= 2 ) Offset = 0;<BR> else Offset-=2;<BR> pb += Offset; // 置pb指針到寫數據開始處<BR> // 利用指針“pb”向數據包中填充數據；hFrag是向PPP傳<BR> //遞的句柄<BR> FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );<BR> return( hPkt );</P><P> 發送數據的情況要復雜一些，需要使用回調函數。回調函數的結構如下：</P><P> void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )<BR> {…switch( Msg )<BR> {<BR> case SI_MSG_CALLSTATUS:<BR> if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )<BR> { // Close PPP<BR> if( hSI→hPPP )<BR> {<BR> hTmp = hSI→hPPP;<BR> hSI→hPPP = 0;<BR> pppFree( hTmp );<BR> }<BR> break;<BR> case SI_MSG_PEERCMAP:<BR> break;<BR> case SI_MSG_SENDPACKET:<BR> // 確認數據包有效<BR> // 取數據緩沖區參數<BR> // 計算“凈荷”（payload）的起始地址<BR> // 發送數據<BR> // 釋放數據包<BR> break;<BR> }<BR> }</P><P> 結 語</P><P> 自1994年PRECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP開發包以來，如何在以DSP為硬件環境的嵌入式系統中支持TCP/IP就一直引人關注。隨著硬件水平的提高和應用的深入，基于DSP的TCP/IP應用日漸增多。由于嵌入式系統的特殊應用環境，它的鏈路層情況非常復雜,所以開發方法與常規的網絡開發方式有稍許不同，NDK自身已體現出了這種差異。目前，將PPP應用在嵌入式系統中仍是一種新的、積極的嘗試。在NDK中，提供了多種方式支持PPP通信。我們認為，在操作系統層面開發基于PPP的應用時，應該采用低層 PPP API，這樣可以適應更多的應用需求和嵌入式應用環境。</P><P> 參考文獻<BR> 1 關宇東，陳學泉，朱繼明. 嵌入式單片機PPP協議的應用研究，電子技術應用，2003（2）: 18~21<BR> 2 Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000 TCP/IP Network Developer’s Kit (NDK) Programmer’s Reference Guide，2001(10)<BR> 3 Forouzan Behrouz A. TCP/IP Protocol Suite. The McGraw-Hill, 2000</P><P>
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