摘要： 隨著Internet和PC時(shí)代的到來，嵌入式系統(tǒng)成為當(dāng)前IT產(chǎn)業(yè)的焦點(diǎn)之一。在這種形勢下，家用電器等嵌入式設(shè)備的Internet網(wǎng)絡(luò)化就成了目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向和必然結(jié)果。本文基于ARM核處理器的多嵌入式應(yīng)用綜合開發(fā)平臺(tái)，對(duì)嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的TCP／IP協(xié)議進(jìn)行了討論研究。 關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng) TFTP協(xié)議 ARM 1．引言 嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強(qiáng)、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，目前己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的研究與開發(fā)也有著越來越重要的實(shí)際意義。而ARM是業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC處理器技術(shù)提供商，占領(lǐng)了大約75％的市場。它可為一個(gè)完整系統(tǒng)的開發(fā)提供全面的技術(shù)支持，技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。ARM的微處理器核心正迅速地成為便攜式通信設(shè)備、手持計(jì)算、多媒體數(shù)字消費(fèi)和嵌入式解決方案市場中MSC批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。 在本項(xiàng)目中利用SAMSUNG公司的S3C44B0X與網(wǎng)絡(luò)控制芯片的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通過TFTP協(xié)議從PC機(jī)下載資源的功能。 2．TFTP協(xié)議介紹 a.TFTP與各種協(xié)議關(guān)系 TFTP（Trivial File Transfer Protocol,簡單文件傳輸協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議族中的一個(gè)用來在客戶機(jī)與服務(wù)器之間進(jìn)行簡單文件傳輸?shù)膮f(xié)議，提供不復(fù)雜、開銷不大的文件傳輸服務(wù)。TFTP承載在UDP上，提供不可靠的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，不提供存取授權(quán)與認(rèn)證機(jī)制，使用超時(shí)重傳方式來保證數(shù)據(jù)的到達(dá)。與FTP相比，TFTP協(xié)議要簡單得多。現(xiàn)在最普遍使用的是第二版TFTP（TFTP Version 2,RFC1350）使用UDP 的67端口。 因?yàn)門FTP使用UDP，而UDP又使用IP，IP可以還使用其它本地通信方法（一般為以太網(wǎng)）。因此一個(gè)TFTP包中會(huì)有以下幾段：本地媒介頭，IP頭，數(shù)據(jù)報(bào)頭，TFTP頭，剩下的就是TFTP數(shù)據(jù)了,具體見圖（1）。TFTP在IP頭中不指定任何數(shù)據(jù)，但是它使用UDP中的源和目標(biāo)端口以及包長度域。由TFTP使用的包標(biāo)記（TID）在這里被用做端口，因此TID必須介于0到65,535之間。TFTP頭中包括兩字節(jié)的操作碼，這個(gè)碼指出了包的類型下面我們看看大體上的TFTP包格式。 b. TFTP包介紹 TFTP支持五種類型的包，分別如下： 1 .Read request （RRQ） 2 .Write request （WRQ） 3 .Data （DATA） 4 .Acknowledgment （ACK） 5 .Error （ERROR） 圖（2）顯示了TFTP各種包在IP包中的位置： 3．硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)使用了RTL8019AS 10M ISA網(wǎng)卡芯片接入以太網(wǎng)。RTL8019AS是一款性價(jià)比很高的網(wǎng)卡芯片：NE2000兼容，軟件移植性好；接口簡單不用轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋；價(jià)格便宜、帶寬充裕、較長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)。8019有3種配置模式：跳線方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。串行模式不與NE2000兼容，P&P模式用在PC機(jī)中，這里用不上。只剩下跳線配置模式可用。系統(tǒng)的MCU選擇的三星公司的S3C44B0X芯片，S3C44B0x是基于ARM7TDMI核的處理器，沒有MMU，可以源代碼級(jí)跟蹤調(diào)試。44B0與RTL8019的電路設(shè)計(jì)相對(duì)來說比較簡單,只需要連接數(shù)據(jù)線、地址選通、中斷等信號(hào)線。簡略電路圖如圖（3）: 4．軟件設(shè)計(jì) a.RTL8019驅(qū)動(dòng)程序 RTL8019驅(qū)動(dòng)程序主要包括3個(gè)函數(shù) ： i..RTL8019 初始化函數(shù)。要對(duì)網(wǎng)卡的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.以使網(wǎng)卡開始工作。 其主要工作包括：復(fù)位網(wǎng)絡(luò)芯片，設(shè)置MAC地址，設(shè)置組播地址，設(shè)置DMA傳輸參數(shù)等等。 ii.收包函數(shù)：從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。 iii.發(fā)包函數(shù)：從緩沖區(qū)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)。 b.協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn) TFTP的實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是根據(jù)各種協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)打包（當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)）和解包（當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)）。主函數(shù)主要部分如下 … eth_init（）;//其主要是清空ARP緩沖區(qū).其中調(diào)用了一個(gè)功能函數(shù)[2] arp_init（）;//清零 Mac_init（）;//設(shè)置MAC地址 ip_init（ip）; //主要功能：設(shè)置ip地址 udp_init（）; //初始化UDP協(xié)議 while （1） net_handle（）;//處理函數(shù) 前5個(gè)函數(shù)主要是初始化工作接下來的int net_handle（void）就要開始進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸了,這里就是協(xié)議棧的核心了: … skb = alloc_skb（ETH_FRAME_LEN）;//選擇一個(gè) SKB if （eth_rcv（skb） != -1） ｛ eth_hdr = （struct ethhdr ＊）（skb->data）; skb_pull（skb, ETH_HLEN）; if （ntohs（eth_hdr->h_proto） == ETH_P_ARP）//是否為ARP包 arp_rcv_packet（skb）; //是則進(jìn)行ARP包應(yīng)答 else if（ntohs（eth_hdr->h_proto） == ETH_P_IP） //是否為IP包 ip_rcv_packet（skb）;//是則進(jìn)行IP包處理 如果從MAC層收到一個(gè)以太網(wǎng)幀,先把收到的以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的幀結(jié)構(gòu)再去掉其以太網(wǎng)偵頭部, 其中skb_pop（skb, ETH_HLEN）把數(shù)據(jù)指針往后移動(dòng)ETH_HLEN個(gè)字節(jié),而且真正的數(shù)據(jù)長度也做相應(yīng)的變化..然后根據(jù)幀中的協(xié)議字段判斷其上層為什么協(xié)議.這里幀格式采用的是RFC894,如果其上層為arp協(xié)議,將去掉以太網(wǎng)頭部的數(shù)據(jù)交由ARP處理,同樣如果其上層協(xié)議為IP,也做類似的處理. arp_rcv_packet（skb）只處理的ARP請(qǐng)求消息,如果發(fā)現(xiàn)其為ARP請(qǐng)求,則發(fā)送ARP應(yīng)答. 接下來就是把這個(gè)ARP應(yīng)答包發(fā)出去,發(fā)送了ARP應(yīng)答后把剛才請(qǐng)求的者的MAC地址和其IP保存在本機(jī)中，其實(shí)現(xiàn)采用了簡單循環(huán)區(qū),利用數(shù)組.首先檢查緩沖區(qū)中有無此項(xiàng),如果有則直接用該項(xiàng)的索引,如果沒有則重新分配索引, 把傳進(jìn)來的MAC 和IP 賦給新分配的索引 i,。 如果MAC層發(fā)現(xiàn)收到的包上層協(xié)議為IP,則執(zhí)行[1]: if（ntohs（eth_hdr->h_proto） == ETH_P_IP） ip_rcv_packet（skb）; 首先檢查接受者是不是本機(jī)IP,通過檢查后,去掉IP頭部,再檢查其上層協(xié)議類型,如果為UDP,則將包轉(zhuǎn)交給上層的UDP協(xié)議處理其中udp_rcv_packet（skb）先去掉UDP頭部,再檢查其對(duì)應(yīng)的上層協(xié)議,這里只實(shí)現(xiàn)了TFTP協(xié)議,對(duì)應(yīng)語句為skb_pop（skb, sizeof（struct udphdr））; if （ntohs（udp_hdr->dest） == TFTP） tftp_rcv_packet（skb）; 其中tftp_rcv_packet（skb）根據(jù)TFTP頭部中操作類型而采取不同的動(dòng)作.對(duì)應(yīng)代碼為: switch （ntohs（tftp_hdr->th_opcode）） ｛ /＊ 只處理寫請(qǐng)求和DATA ＊/ case WRQ: tftp_rcv_wrq（skb）; break; case DATA: tftp_rcv_data（skb）; break; …｝ 其中tftp_rcv_wrq（skb）先得到請(qǐng)求者的IP和PORT,再發(fā)送塊編號(hào)為0的ACK包.然后為數(shù)據(jù)傳輸做些初始化工作,具體為設(shè)置接受緩沖區(qū)和接受數(shù)據(jù)長度 。:因?yàn)門FTP是包裝在UDP里面的,所以首先欲留出UDP頭部的空間，這里要注意的是在UDP層除了為自己留空間外其又會(huì)欲留出IP頭的空間,而在IP層除了為自己留空間外其又會(huì)欲留出MAC頭的空間.如此便留出了整個(gè)協(xié)議棧所要求的頭部空間.調(diào)用關(guān)系為 udp_skb_reserve（skb）—ip_skb_reserve（skb）—eth_skb_reserve（skb）; 然后該函數(shù)按照ACK包的格式（在160）賦相應(yīng)的值.最后將此包交由下層的UDP協(xié)議處理.那么此時(shí)UDP層是怎么處理的呢?udp_send（skb, client_ip, TFTP, client_port）;和TFTP層處理有些類似,先加入自己的頭部信息并賦相應(yīng)的值.然后再交由下層處理, 在IP層其處理的思路也大致差不多,其中ip_send（skb, ip, UDP）定義在ip/_ip.c.其先查看ARP緩沖區(qū)中有無此項(xiàng),如無則返回錯(cuò)誤.對(duì)應(yīng)代碼為，然后先加入自己的頭部信息并賦相應(yīng)的值.然后再交由下層處理。 tftp_rcv_data（skb）首先判斷接受到的包的目的IP和PORT是不是本機(jī)的TFTP協(xié)議,通過判斷后,再看接受到的包的確認(rèn)序列號(hào)是不是和本機(jī)TFTP要求的一致,即看是不是發(fā)生了丟包.如果沒有則當(dāng)前接受到的包有效,存入緩沖區(qū),并發(fā)送確認(rèn)序號(hào)對(duì)應(yīng)代碼為: if （client_block == ntohs（tftp_hdr->th_block）） ｛ /＊ 接受一個(gè)數(shù)據(jù)分組 ＊/ len = skb->len - sizeof（struct tftphdr）; memcpy（buf + data_len, tftp_hdr->th_data, len）; data_len += len; tftp_send_ack（tftp_hdr, client_block）; client_block++; … 如果當(dāng)前接受到的數(shù)據(jù)小于512字節(jié),則說明傳送完畢,但是當(dāng)發(fā)生丟包時(shí),就要求對(duì)方重傳.采用的機(jī)制很簡單,就是要求重傳確認(rèn)序號(hào)小的分組。 5.結(jié)束語 本文對(duì)S3C44B0X+RTL8019開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)通信，充分滿足嵌入式小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信需要，改善了了一般嵌入式系統(tǒng)通過串口通信速度慢、可靠性低的弊端。并且適當(dāng)調(diào)整程序，可實(shí)現(xiàn)基于UDP的其它上層協(xié)議。