http://liuguo.net　　摘要 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)能完成ip協(xié)議功能的asic器件；討論器件的穩(wěn)定工作條件。任何數(shù)字化的工業(yè)設(shè)備都可以使用這個(gè)ip協(xié)議器件直接連接到基于ip的網(wǎng)絡(luò)中?！　￡P(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) ip asic引言　　為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息處理，嵌入式系統(tǒng)中必須具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)連接功能。嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接功能不僅需要傳輸信息，同時(shí)還必須具有相應(yīng)的信息識(shí)別能力，以提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性[1，2]。　　近年來在嵌入式系統(tǒng)和soc（片上系統(tǒng)）技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，嵌入ip協(xié)議的微處理器或單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)[3]，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但對于工業(yè)設(shè)備來說，特別是對于工業(yè)生產(chǎn)中使用的儀器儀表，采用軟件嵌入ip協(xié)議存在無法并行處理和成本過高的缺點(diǎn)。因此，采用硬件實(shí)現(xiàn)ip協(xié)議具有重要的意義。
圖1 ip協(xié)議報(bào)頭格式　　ip硬件電路設(shè)計(jì)有嵌入處理器和asic兩種方法。使用嵌入處理器的方法設(shè)計(jì)ip協(xié)議時(shí)，需要選擇相應(yīng)的處理器和附加電路，并根據(jù)所嵌入的處理器編制相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)ip協(xié)議。這種方法可以采用已有的ip協(xié)議軟件，軟件實(shí)現(xiàn)比較方便。使用asic技術(shù)設(shè)計(jì)ip協(xié)議屬于硬件實(shí)現(xiàn)ip方法，ip協(xié)議的執(zhí)行全部為硬件執(zhí)行。這種實(shí)現(xiàn)方法具有的優(yōu)點(diǎn)就是ip協(xié)議的執(zhí)行不受軟件干擾，具有一定的ip協(xié)議層抗干擾能力。asic實(shí)現(xiàn)ip協(xié)議實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)專用數(shù)字硬件電路，只需要通過相應(yīng)的控制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)ip協(xié)議的功能，具有比較高的性能價(jià)格比。　　針對工業(yè)設(shè)備對ip協(xié)議的需要，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能完成ip協(xié)議功能的asic器件。對于工業(yè)控制設(shè)備來說，這種器件就是一個(gè)實(shí)現(xiàn)ip功能的專用器件，只要把要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給該器件，就可以實(shí)現(xiàn)通信過程與控制系統(tǒng)并行操作。任何數(shù)字化的工業(yè)設(shè)備，都可以使用這個(gè)ip協(xié)議器件直接連接到基于ip的網(wǎng)絡(luò)。一、 協(xié)議分析與ip電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　　ip協(xié)議的功能，是對來自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包處理，通過數(shù)據(jù)報(bào)在一個(gè)個(gè)ip協(xié)議模塊間傳送，直到數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的模塊[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)主機(jī)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備上都有ip模塊，數(shù)據(jù)報(bào)在一個(gè)個(gè)模塊間通過路由處理網(wǎng)絡(luò)地址傳送到目的地址。ipv4的數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式如圖1所示。ip在提供網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)時(shí)，采用了統(tǒng)一的報(bào)頭，以使處于各子網(wǎng)中的ip都能根據(jù)報(bào)頭對數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理?！　p中使用以下4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)傳輸：（1） 服務(wù)類型(tos)。tos是一個(gè)參數(shù)集，代表internet能夠提供的服務(wù)，用于指定用戶所希望得到的服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)類型由網(wǎng)關(guān)使用，可用于特定的網(wǎng)絡(luò)或是用于下一個(gè)要經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)，也可用于下一個(gè)要對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行路由選擇的網(wǎng)關(guān)上選擇實(shí)際傳送的參數(shù)。（2） 生存時(shí)間(ttl)。生存時(shí)間是用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的保存時(shí)間。生存時(shí)間由發(fā)送者設(shè)置，由所經(jīng)過的路由處理。如果在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)之前生存時(shí)間已經(jīng)為零，則ip就會(huì)自動(dòng)拋棄此數(shù)據(jù)報(bào)。（3） 選項(xiàng)(options)。選項(xiàng)包括時(shí)間戳、安全和特殊路由要求等。對于控制函數(shù)來說選項(xiàng)是重要的，但對于通常的通信來說一般沒有必要。（4） 報(bào)頭校驗(yàn)碼(checksum)。設(shè)置報(bào)頭校驗(yàn)碼的目的，是保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。如果校驗(yàn)出錯(cuò)，ip將拋棄整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。必須注意，與一般工業(yè)控制系統(tǒng)使用的簡單通信協(xié)議不同，ip協(xié)議發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)碼出錯(cuò)后，并不立即通知發(fā)送端，而是放棄剛剛接收到的一段報(bào)文，把糾正報(bào)文出錯(cuò)的任務(wù)留給tcp協(xié)議完成。這種方式不僅提高了通信效率，還可以簡化傳輸質(zhì)量，保證程序。
圖2 asic實(shí)現(xiàn)ip協(xié)議的電路模塊結(jié)構(gòu)　　在設(shè)計(jì)ip協(xié)議asic硬件電路中，有幾個(gè)問題需要考慮：（1） 應(yīng)用系統(tǒng)的核心處理器，通過控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對ip協(xié)議器件的使用操作，因此，必須考慮如何通過硬件電路實(shí)現(xiàn)核心處理器與ip硬件電路之間的數(shù)據(jù)交換。（2） 如果ip硬件應(yīng)用于終端設(shè)備（例如工業(yè)控制系統(tǒng)的控制設(shè)備）而不是作為交換節(jié)點(diǎn)，ip協(xié)議中有關(guān)路由選擇處理的部分可以省略。（3） 為保證ip協(xié)議的健壯性，電路設(shè)計(jì)中必須十分注意電路并行協(xié)議操作中不同電路部分的延時(shí)不均勻問題。所有功能電路的延時(shí)不超過允許范圍，必要時(shí)要犧牲速度，保證協(xié)議操作的正確性。（4） 如果每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大（例如作為工業(yè)設(shè)備組成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)），可以不考慮ip協(xié)議中的報(bào)文分片處理。應(yīng)用系統(tǒng)只要使每次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度符合一個(gè)ip數(shù)據(jù)報(bào)的長度要求，就能正確無誤地利用ip網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。這樣不僅可以簡化硬件電路，還能節(jié)省緩沖存儲(chǔ)器的容量?！　「鶕?jù)以上討論，ip專用電路的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是通過計(jì)數(shù)器、寄存器、ram來實(shí)現(xiàn)外部握手和內(nèi)部流水線處理電路。由于接收與發(fā)