基于单片机ARM实现TCP/IP协议栈的设计

作者：廖日坤，纪越峰，黄小迅

随着计算机网络技术和电子信息技术的迅猛发展，Internet的使用越来越普及，信息家电和智能仪表等能够接入Iriternet的非PC设备越来越多，将各类电子设备接入Internet的需求也越来越大。

电子设备接入Internet。有多种解决方案：在51系列单片机上运行经过裁剪的TCP/IP协议栈；使用一些ASIC实现TCP/IP的芯片，如Analog Devices推出的Internet Modem；也可使用嵌入式操作系统自带的TCP/IP协议栈。在某些对网络速度要求不高的领域，可用单片机实现TCP/IP；在对性能要求高的场合，可选择后两种方案。

1 嵌入式TCP/IP的硬件结构

图1是嵌入式TCP／IP系统的硬件结构。其中CS8900A是Cirrus Logic的网络控制器，芯片内部已设置帧过滤器自动抛弃无效帧，减轻CPU负荷，提高CPU对网络的访问效率。CS8900A工作机制主要是通过设置好其内部各寄存器的值，然后就可以自动开始工作。在网络接口部分，由于是RJ45接口，所以须使用E2023传输线变压器对网络中的信号进行转换。

通常TCP／IP协议栈需要大量的RAM来存储需要被应答的TCP包。如果在规定时间内未被应答，则重发该TCP包；被应答以后释放。为了减小RAM的使用量，当数据包需要重新发送时，如果能够重新产生数据包所需的数据，则可不存储需要被应答的TCP包。

因为网络中数据非常多，如果把所有的数据都读到内存中再判断是否应丢弃帧，则显然效率不高。所以边读取数据边判断而没有一开始就把整个帧全部读到内存中。在程序里定义了帧中各部分的相对地址，可以方便地对帧的各字节寻址。这样的设计是基于提高访问速度考虑的。

在CPU中帧的存放方式，定义PacketRAM变量为存放帧的首地址。图2给出了CPU中TCP/IP的内存划分，以及内存中帧的各个字节的定义和相对位置。

2 嵌入式TCP／IP的优化设计

TCP／IP一般采用C语言或混合汇编。使用可重入函数和一般指针（gellerc pointer）使得程序代码增大，运行速度降低；使用函数指针时，需要手动重建调用树（calltree），或将函数指针调用的函数设置为可重入函数。

2．1 嵌入式TCP／IP输入输出流程

与PC机TCP／IP协议一样，嵌入式TCP/IP采用协议分层的结构：应用层、TCP层、IP层和网络设备接口层。图3描述了输入和输出数据包的流程以及需要调用的函数。

输出时，TCP层先查看unsend队列，发现非空，将数据包插入队列；发现为空，则查看对方窗口是否够大（能够接收这个数据包）。然后，填写TCP头部信息。IP层选择网络设备接口，目的IP和该接口的子网掩码相“与”是否等于子网掩码，然后调用这个接口的Output函数来发送。

输入时，Timer（）函数调用每个接口的Input函数。IP层判断IP版本、IP校验和，以及是否应转发数据包，然后根据IP头部的protocol字段将包传给相应的高层处理。TCP层，须判断TCP校验和，并在现有的套接字中查找，判断是否有套接字可接收这个数据包，判断TCP序号是否为希望的，然后更新这个连接的状态（包括释放被应答的数据包和TCP状态机的转化等），调用该套接字的回调函数recv。

2.2 嵌入式TCP／IP的程序结构

Tliner函数功能是调用TCPTimer处理TCP数据包的重发等功能，调用每个接口的Input函数接收到达的数据包。Timer函数必须在短时间（一般为20ms）内被调用一次，否则接收数据包和TCP定时等功能将停止。

如图4所示，程序主流程是一个大循环，在循环中处理发送数据包等应用层协议的同时，查询变量bTimeOut，在定时中断中将bTimerOut设置为真。应用层在程序流程中反复查询bTimerOut是否为真，若为真则调用Timer（），然后设置bTimerOut为假。

在使用嵌入式操作系统时，还要注意网络设备驱动函数被重入的问题。以NE2K的以太网卡为例，拷贝数据包到网卡缓存前要先设置寄存器（如起始地址）。如果设置完寄存器以后中断发生且放重入。则寄存器的设置被修改，中断返回以后拷贝将出错。

2.3 嵌入式TCP／IP运行速度优化

TCP／IP发送过程中主要的运算量集中在3部分：应用程序将数据拷贝到RAM；计算TCP校验和；将RAM中的数据包拷贝到网络设备的发送缓冲区。对于每个字节数据，两次拷贝大致共使用12×2=24个指令周期；计算TCP校验和使用16个指令周期。采用12MHz晶振，最高网络传输速度为25KB/s。

为了提高速度可以采用快速CPU或提高晶振频率。另外，尽量避免使用Reentrant函数。Reentrant类型的函数比一般函数速度要慢很多，但某些时候为了程序结构的需要必须使用Reentrant，这就需要在速度和结构之间作一个选择。选择的方法有：使用“指定存储类型”的指针（memoryr-specific pointer）；精简协议栈去除运算量大但是用处不大的功能，目前TCP定时重发时间是固定的，也没有拥塞窗口控制和IP层路由；防止数据包不必要的拷贝；优化计算校验和与内存拷贝函数。

3 TCP／IP的嵌入式实现

TCP／IP协议实现一般以软件方式嵌人到ROM中，然后通过网络通信技术与专用嵌入式网关连接，运行TCP／IP协议，并提供TCP／IP到用户的轻型网络的连接和路由功能。

3.1 内存管理方法和无多余数据包拷贝的实现

嵌入式TCP/IP的内存管理可用链表方法，即根据数据包大小分配相应大小的内存块。如图5所示，链表将内存块链接起来，used字段表示该内存块是否正在使用，pStart和pEnd表示数据部分有效数据的开始地址和结束地址。

分配时，搜索内存链表找到一个没有分配的比所需空间大的内存块，截取所需的大小。该内存块被截取以后可能还有较多剩余，这时将剩余部分从原内存块中分离出来，成为一个新的内存块，并插入链表。释放时，将used置为假。如果pNext或pPre指向的链表单元也是空闲的，则将其与自己合并。以防止内存分片。在协议层之间传送数据包只要传送内存块的起始地址即可。这种内存管理方法空间浪费小，但运算量相对较大。

3.2 整序、重发与窗口控制的实现

使用队列缓存的方式来实现整序、重发和窗口控制。队列的一个元素指向一个数据包，队列的最大长度没有限制。

对于整序，使用ooSeq队列，如果发现接收的TCP包序号并不是希望的，但序号在接收窗口内，此时不能立刻接收这个包也不应丢弃，先将这个包放入ooSeq队列。当一个希望的TCP包被接收以后，再查看ooseq队列现在是否有TCP包成为了希望的数据包，如果有则将其取出并处理。

对于重发，使用unacked队列，每个需要被应答的TCP数据包发送以后都要放入unacked队列，直到被应答后才从队列中删除。TCP重发定时只针对unacked队列第一个TCP包。如果定时超出，则重新发送；如果重发次数超出规定值，则报错。

对于窗口控制，使用unsend队列，如果发现对方的窗口过小无法接收这个数据包，则只发送部分数据，将多余部分放入unsend队列，等待对方发来TCP包通知新的窗口大小时，再次判断是否可以发送。在unsend队列不为空的情况下，须发送的数据包都应插入unsend队列。

3.3 捎带应答的实现

捎带应答是指，当对方一个需要应答的TCP包到达时，不马上给予应答，而是等待一段较短的时间。如果在这段时间内有数据发送，则会捎带给予应答，从而减少了包的发送数量。

若暂时没有数据须发给对方或数据还未准备好，则等待一定的时间；如果在该时间内准备好了数据，则可使用捎带应答。使用捎带应答就不可能对每个帧都作确认，可用对某个帧的确认来代替对该帧之前所有帧的确认。

4 总 结

嵌入式系统中大量存在的是8/16位低速处理器，在进行Internet接入时，由于本身资源的限制，很难实现完整的TCP/IP协议。本文从既实现相应的功能又节省系统资源角度出发，对协议进行有针对性的模块化裁剪和优化设计，可以在单片机ARM上嵌入TCP/IP协议簇实现嵌入式Internet接入。

经过优化设计的嵌入式TCP/IP，支持套接字形式的多个TCP连接；支持多个网络设备；支持通过网关发送数据包和数据包转发功能，响应ping命令；支持TCP包的整序、重发和窗口控制流量控制。实践证明，这种设计方式灵活，能按用户需求实现很多复杂的功能。

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