基于PPP的TMS320C6x嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計
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關(guān)鍵詞：PPP 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò) TCP/IP TMS320C6x
隨著嵌入式應(yīng)用的普及，嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)問題日益引人關(guān)注。在信息化進(jìn)程中，如何實現(xiàn)資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設(shè)備必須回答的問題，嵌入式系統(tǒng)也不例外。
在傳統(tǒng)的工控領(lǐng)域，大量以單片機(jī)為代表的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備、過程控制設(shè)備等，面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。因為在工業(yè)化進(jìn)程中，信息化正在發(fā)揮越來越重要的作用，而網(wǎng)絡(luò)則是信息共享的基礎(chǔ)。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，由于應(yīng)用環(huán)境千差萬別，如何實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)也見仁見智，方案之間差異很大。由于近幾年電子技術(shù)的發(fā)展，以TCP/IP為代表的通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用日益增多，開始逐漸被人們接受。但是，TCP/IP協(xié)議的真正優(yōu)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(xiàn)場設(shè)備聯(lián)網(wǎng)并非TCP/IP所長，為了解決這個難題，人們想到了PPP（Point to Point Protocol）。
在TCP/IP協(xié)議族中，PPP本來是用來實現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)結(jié)的，其特點是適應(yīng)多種傳輸介質(zhì)和可靠性高。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，這是兩個被非?？粗氐膬?yōu)點，所以采用PPP作為嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注[1]。為了利用PPP的優(yōu)點，一些系統(tǒng)甚至在已經(jīng)具備以太網(wǎng)的環(huán)境中仍然采用PPP，這就是所謂的以太網(wǎng)承載PPP技術(shù)（PPPoE）[2]。
1 TMS320C6x網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境對PPP的支持
為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，TI結(jié)合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。該開發(fā)包采用緊湊的設(shè)計方法，實現(xiàn)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(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務(wù)，包括應(yīng)用層的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實現(xiàn)DSP上網(wǎng)的重要支撐工具。
與常規(guī)的TCP/IP應(yīng)用環(huán)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：
① UDP socket和RAW socket不使用發(fā)送或接收緩沖區(qū)；
?、?TCP socket使用發(fā)送緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)依配置文件而定；
?、?低層驅(qū)動程序與協(xié)議棧之間通過指針傳遞數(shù)據(jù)，不對包進(jìn)行復(fù)制拷貝；
④ 設(shè)置專門的線程清除存儲器中的碎片和檢查存儲器泄露。
要特別注意“低層驅(qū)動程序與協(xié)議棧之間的通信”。因為在嵌入式系統(tǒng)中，低層驅(qū)動程序和應(yīng)用程序一樣均需要開發(fā)者自行設(shè)計。也就是說，在以NDK為基礎(chǔ)的開發(fā)中，開發(fā)人員需要分別設(shè)計低層驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，這兩部分程序通過NDK提供的TCP/IP包發(fā)生關(guān)聯(lián)。程序的執(zhí)行過程是：應(yīng)用程序調(diào)用TCP/IP包，TCP/IP包再調(diào)用低層的驅(qū)動程序。
在NDK中，對低層驅(qū)動程序與TCP/IP包之間的接口作了明確規(guī)定。換言之，低層驅(qū)動程序必須符合接口約定，其要點是：
?、?由低層驅(qū)動程序調(diào)用TCP/IP包函數(shù)創(chuàng)建PPP連接實例，在連接實例中，以回調(diào)函數(shù)的形式將用于處理數(shù)據(jù)發(fā)送的函數(shù)名傳遞給TCP/IP包；
?、?當(dāng)TCP/IP包有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，直接調(diào)用PPP創(chuàng)建時由低層驅(qū)動程序傳遞來的函數(shù)名；
?、?當(dāng)?shù)蛯域?qū)動程序接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，調(diào)用TCP/IP包函數(shù)發(fā)送到IP層。
低層驅(qū)動程序直接面向硬件，為了適應(yīng)硬件的多樣性，在NDK中也提供了多種實現(xiàn)PPP的方法。
2 PPP低層驅(qū)動程序的任務(wù)和實現(xiàn)方案
PPP低層驅(qū)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：
?、?Flag標(biāo)志（7E），1字節(jié)；
?、?Address地址（FF），1字節(jié)；
?、?Control控制（03），1字節(jié)；
?、?Protocol協(xié)議，2字節(jié)；
⑤ Payload凈荷，小于1500字節(jié)；
⑥ CRC檢查和，2字節(jié)。
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(qū)動程序的任務(wù)可以歸納為：在硬件和TCP/IP包之間提供數(shù)據(jù)通道，在物理上實現(xiàn)鏈路層上的信息發(fā)送與接收，在邏輯上對PPP幀進(jìn)行處理和加工。
在NDK中，通過TCP/IP 協(xié)議棧提供了三套實現(xiàn)PPP的函數(shù)。即低層 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低層PPP API 只能從內(nèi)核層調(diào)用，用戶應(yīng)該非常熟悉內(nèi)核的操作，如llEnter()/ llExit() 函數(shù)對等，對軟件開發(fā)的限制較大，但應(yīng)用范圍寬廣。HDLC API 可在用戶程序中調(diào)用，由TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)，配合HAL層的串行驅(qū)動程序llSerial，提供在常規(guī)串口上的PPP能力，應(yīng)用范圍有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太網(wǎng)的PPP接口，對硬件端的要求更加嚴(yán)格。
為了使開發(fā)的PPP低層驅(qū)動程序具有較寬的適應(yīng)能力，我們選擇低層 PPP API作為開發(fā)的基礎(chǔ)。低層 PPP API的函數(shù)包括：
pppNew() 創(chuàng)建一個PPP會話連接；
pppFree() 釋放一個PPP會話連接；
pppTimer() 1s的定時器函數(shù)；
pppInput() 發(fā)送已接收到的PPP 輸入緩沖區(qū)。
在低層 PPP API中最重要的是創(chuàng)建函數(shù)。通過對pppNew()的深入研究，我們可以把握住PPP低層驅(qū)動程序設(shè)計的關(guān)鍵之處。pppNew()的接口為：
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 ));
pppNew包含有許多參數(shù)，重要的有：hSI 供回調(diào)函數(shù)使用的句柄、pppFlags 連接選項標(biāo)志、mru 最大接收單元數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)掩碼、用戶名稱和口令等。其中，最重要的參數(shù)是回調(diào)函數(shù)的指針：pfnSICtrl 。當(dāng)TCP/IP包需要通過PPP發(fā)送數(shù)據(jù)時，將使用該指針提供的函數(shù)。
回調(diào)函數(shù)由PPP低層驅(qū)動程序的開發(fā)人員負(fù)責(zé)編寫，但它的接口是由pppNew的參數(shù)決定的。回調(diào)函數(shù)的接口界面為：
void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)
參數(shù)的含義為：hSI與特定PPP連接會話（由pppNew創(chuàng)建）相聯(lián)系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代碼，Data關(guān)于消息代碼的附加信息。hPkt是最重要的，當(dāng)消息代碼為SI_MSG_ SENDPACKET時，表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的句柄。
PPP 通常在三類情況下調(diào)用該回調(diào)函數(shù)，即：
?、?SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的連接狀態(tài)已經(jīng)改變；
?、?SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在請求一將數(shù)據(jù)幀編碼和傳輸；
?、?SI_MSG_PEERCMAP LCP 已經(jīng)收到對等的 32 位異步字符映射。
3 編程舉例
下面給出兩段代碼，說明在PPP低層驅(qū)動程序中如何接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
接收數(shù)據(jù)通過pppInput函數(shù)實現(xiàn)，核心代碼如下：
HANDLE hPkt;
HANDLE hFrag;
uint Offset,ValidSize;
UINT8 *pb;
// 生成1500字節(jié)payload包
if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );
hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存儲器碎片
pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包頭指針
Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );
if( Offset <= 2 ) Offset = 0;
else Offset-=2;
pb += Offset; // 置pb指針到寫數(shù)據(jù)開始處
// 利用指針“pb”向數(shù)據(jù)包中填充數(shù)據(jù)；hFrag是向PPP傳
//遞的句柄
FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );
return( hPkt );
發(fā)送數(shù)據(jù)的情況要復(fù)雜一些，需要使用回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：
void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )
{…switch( Msg )
{
case SI_MSG_CALLSTATUS:
if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )
{ // Close PPP
if( hSI→hPPP )
{
hTmp = hSI→hPPP;
hSI→hPPP = 0;
pppFree( hTmp );
}
break;
case SI_MSG_PEERCMAP:
break;
case SI_MSG_SENDPACKET:
// 確認(rèn)數(shù)據(jù)包有效
// 取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)參數(shù)
// 計算“凈荷”（payload）的起始地址
// 發(fā)送數(shù)據(jù)
// 釋放數(shù)據(jù)包
break;
}
}
結(jié) 語
自1994年P(guān)RECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP開發(fā)包以來，如何在以DSP為硬件環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)中支持TCP/IP就一直引人關(guān)注。隨著硬件水平的提高和應(yīng)用的深入，基于DSP的TCP/IP應(yīng)用日漸增多。由于嵌入式系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境，它的鏈路層情況非常復(fù)雜,所以開發(fā)方法與常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)方式有稍許不同，NDK自身已體現(xiàn)出了這種差異。目前，將PPP應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)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(rèn)為，在操作系統(tǒng)層面開發(fā)基于PPP的應(yīng)用時，應(yīng)該采用低層 PPP API，這樣可以適應(yīng)更多的應(yīng)用需求和嵌入式應(yīng)用環(huán)境。
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