為了滿足以太網(wǎng)通信過程中大數(shù)據(jù)量的快速傳輸?shù)男枨?，往往可以犧牲一些可靠性換來高速的數(shù)據(jù)傳輸.根據(jù)方案，文中設(shè)計了一套基于YLP2440 的UDP 通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡單實(shí)用的UDP 通信協(xié)議.首先介紹了系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)，然后完成了以太網(wǎng)通信系統(tǒng)軟件設(shè)計，以DM9000A 以太網(wǎng)卡驅(qū)動程序?yàn)榛A(chǔ)，通過裁剪移植TCP/ IP 協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送.對系統(tǒng)UDP 和ARP 通信進(jìn)行了測試，結(jié)果表明UDP 通信系統(tǒng)整體穩(wěn)定可靠，并且系統(tǒng)開銷小.數(shù)據(jù)傳輸速度快，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求.

　　0 引 言

　　隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，以太網(wǎng)接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛.以太網(wǎng)通信速度快.通用，可直接與Internet 相連接，提供更大范圍的遠(yuǎn)程訪問.目前在工控嵌入式領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)通信通常采用UDP 和TCP 協(xié)議.UDP 與TCP 相比，UDP 使用非連接的.不可靠的通信方式，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，實(shí)時性相對較好.文中設(shè)計實(shí)用S3C2440.以太網(wǎng)控制器DM9000 和經(jīng)過自行裁剪的TCP / IP 協(xié)議棧，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)UDP 通信.

　　1 系統(tǒng)的硬件介紹該系統(tǒng)采用優(yōu)龍科技公司YLP2440 作為開發(fā)的硬件系統(tǒng)，YLP2440 采用三星S3C2440A 作為CPU,最高主頻400MHz,帶有64MB SDRAM 和64MB NANDFlash 的外部存儲器，有兩個五線異步串行口，波特率高達(dá)115200bps,一個10M / 100M DM900AEP 網(wǎng)絡(luò)接口卡，帶有連接和傳輸指示燈.DM9000A 是一個全集成.功能強(qiáng)大.性價比高的快速以太網(wǎng)MAC 控制器，它帶有一個通用處理接口.EEPROM 接口.10/ 100MPHY 和SRAM,采用單電源供電，可兼容3. 3V.5V 的IO 接口電平.DM9000A 同樣支持MII （Media IndependentInterface,介質(zhì)無關(guān)接口），它包含一系列可被訪問控制的狀態(tài)寄存器，這些寄存器是字節(jié)對齊的，在硬件或者軟件復(fù)位時被設(shè)置成初始化.

　　硬件框圖如圖1 所示.

　　2 以太網(wǎng)軟件的設(shè)計

　　2. 1 以太網(wǎng)卡控制器的初始化

　　首先DM9000A 自檢，讀取DM9000 的生產(chǎn)廠家ID和設(shè)備ID 與已經(jīng)設(shè)定好的ID 進(jìn)行比對，判斷DM9000網(wǎng)卡是否存在，初始化DM9000A,它的過程就是適當(dāng)配置DM9000A 寄存器的過程，具體過程分為以下幾個步驟：

　?。?）啟動DM9000A,設(shè)置CPCR[REG_1E] = 0×1,使DM9000 的GPIO3 為輸出，GPR[REG_1F] =0×0,使DM9000 的GPIO3 輸出為低以激活內(nèi)部PHY.延時2ms 以上以等待PHY 上電.

　?。?）進(jìn)行兩次軟復(fù)位，設(shè)置DM9000 為正常工作模式，根據(jù)芯片設(shè)計要求，要想使芯片在上電之后工作正常就要進(jìn)行兩次軟復(fù)位，設(shè)置為NCR[REG_00] =0×01,NCR[REG_00] =0×00,這兩步操作進(jìn)行兩次.

　?。?） 清除各種狀態(tài)標(biāo)志位和中斷標(biāo)志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

　?。?）設(shè)置接收和發(fā)送控制寄存器，并且設(shè)置FIFO的大小，RCR[REG_05] =0×39.TCR[REG_02] =0×00.FCTR[REG_09] =0×38.

　?。?）設(shè)置板子自身的MAC 地址.

　　（6）再一次清除各種狀態(tài)標(biāo)志位和中斷標(biāo)志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

　?。?）設(shè)置中斷屏蔽寄存器，打開接收中斷，IMR[REG_FF] =0×81.

　　當(dāng)進(jìn)行了以上步驟的設(shè)置之后，DM9000A 芯片就處于正常工作狀態(tài)了.在以后進(jìn)行通信的過程中，如果發(fā)生異常引起芯片重啟，則再一次進(jìn)行同樣的設(shè)置.

　　2. 2 以太網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　　DM9000A 發(fā)送數(shù)據(jù)采用的是循環(huán)查詢模式，接收數(shù)據(jù)采用的是中斷模式，DM9000 內(nèi)部有0x3FF 大小的SRAM 用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩存.在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包之前，數(shù)據(jù)是暫存在這個SRAM 中的.當(dāng)需要連續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，需要分別把DM9000 寄存器MWCMD 或MRCMD 賦予數(shù)據(jù)端口，這樣就指定了SRAM 中的某個地址，并且在傳輸完一個數(shù)據(jù)后，指針會指向SRAM 中的下一個地址，從而完成了連續(xù)訪問數(shù)據(jù)的目的.但當(dāng)發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)后， 指向SRAM 的數(shù)據(jù)指針不需要變化時，則要把MWCMDX 或MRCMDX 賦予數(shù)據(jù)端口 .

　　發(fā)送數(shù)據(jù)比較簡單，接收數(shù)據(jù)就略顯復(fù)雜，因?yàn)樗怯幸欢ǜ袷揭蟮?在接收到的一包數(shù)據(jù)中的首字節(jié)如果為0×01,則表示這是一個可以接收的數(shù)據(jù)包；如果為0×0,則表示沒有可接收的數(shù)據(jù)包.因此在讀取其他字節(jié)時，一定要先判斷首字節(jié)是否為0×01.數(shù)據(jù)包的第二個字節(jié)為數(shù)據(jù)包的一些信息，它的高字節(jié)的格式與DM9000 的寄存器RSR 完全一致.第三個和第四個字節(jié)為數(shù)據(jù)包的長度.后面的數(shù)據(jù)就是真正要接收的數(shù)據(jù)了.

　　2. 2. 1 UDP 協(xié)議棧的裁剪實(shí)現(xiàn)

　　在系統(tǒng)中主要使用UDP 通信，只需要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議.IP 協(xié)議，對TCP/ IP 協(xié)議進(jìn)行部分的實(shí)現(xiàn).UDP協(xié)議通信（即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）與TCP 一樣都是屬于傳輸層協(xié)議，位于IP（網(wǎng)際協(xié)議）協(xié)議的頂層.UDP 相對于TCP 是一種簡單協(xié)議，提供的是最少的服務(wù)，編寫的代碼量也小，所需的程序和內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快.ARP 為IP 地址對應(yīng)的硬件地址之間提供動態(tài)映射，發(fā)送終端把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送到位于同一局域網(wǎng)上的另一臺主機(jī)時，是根據(jù)48bit 的以太網(wǎng)地址來確定目的接口的.設(shè)備驅(qū)動程序從不檢查IP 數(shù)據(jù)報中的目的IP 地址.IP 協(xié)議是TCP/ IP 協(xié)議中最為核心的協(xié)議，它提供不可靠.無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù) .

　　2. 2. 2 數(shù)據(jù)的發(fā)送過程

　　數(shù)據(jù)發(fā)送過程如圖2 所示.發(fā)送終端在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，要知道接收端的IP 地址和端口號，還要得到對方的物理MAC 地址，因?yàn)閮蓚€終端最后通信是通過尋找對方的MAC 地址來進(jìn)行的，因此首先得通過ARP 協(xié)議，把對方的IP 地址轉(zhuǎn)換為MAC 地址，得到了物理地址之后才能通信.如果長時間不能得到這個物理地址，則只能說明請求失敗，需要重新發(fā)送ARP 請求，ARP 的封裝過程如圖3（b）所示.

　　2. 2. 3 數(shù)據(jù)包的封裝過程

　　UDP 協(xié)議數(shù)據(jù)包的封裝在運(yùn)輸層進(jìn)行，打好包的UDP 數(shù)據(jù)將送往網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行IP 協(xié)議的打包，UDP 要完成進(jìn)程到進(jìn)程的通信，把報文交付給正確的進(jìn)程.當(dāng)進(jìn)程有報文要通過UDP 發(fā)送時，它就把這個報文連同一對套接字地址以及數(shù)據(jù)長度傳遞給UDP.UDP 收到數(shù)據(jù)后就加上UDP 首部，也就是UDP 數(shù)據(jù)包的封裝如圖3（c）所示.然后UDP 就把該用戶數(shù)據(jù)包連同IP 加上自己首部，在協(xié)議字段使用值17,指出該數(shù)據(jù)是從UDP 協(xié)議來的，這個過程就是IP 數(shù)據(jù)包的封裝過程如圖3（a）所示.這個IP 數(shù)據(jù)包再傳遞給數(shù)據(jù)鏈路層.數(shù)據(jù)鏈路層收到IP 數(shù)據(jù)包之后，加上自己的首部（可能還有尾部），再傳遞給物理層.物理層把這些位編碼為電信號或者光信號，然后把它發(fā)送到遠(yuǎn)程的機(jī)器.

　　2. 2. 4 數(shù)據(jù)的接收

　　系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采用的是中斷模式.當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)時，就觸發(fā)一個中斷，啟動中斷服務(wù)程序.在中斷服務(wù)程序中首先清除中斷標(biāo)志位，以防在接收數(shù)據(jù)的時候再次引發(fā)中斷，然后判斷寄存器MRMDX 的值，確定網(wǎng)卡是否接收到了數(shù)據(jù)，如果接收到了數(shù)據(jù)就要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是對數(shù)據(jù)包的解封，得到應(yīng)用程序發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果沒有得到數(shù)據(jù)則說明網(wǎng)卡初始化失敗，重新初始化網(wǎng)卡.中斷接收程序的流程圖如圖4所示.

　　在接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，首先判斷數(shù)據(jù)類型字段，如果是ARP 協(xié)議，則進(jìn)入ARP 處理流程，如果是IP 協(xié)議，則進(jìn)入IP 協(xié)議流程.ARP 協(xié)議處理過程：

　　首先判斷ARP 包目的IP 地址是否與本地IP 地址一致，如果不一致，丟棄不處理；如果一致，再判斷ARP類型，操作類型字段為1 時表示ARP 請求，調(diào)用ARP發(fā)送函數(shù)發(fā)送ARP 響應(yīng)包.操作類型字段為2 時，記錄下對方的MAC 地址，以后通信就是根據(jù)這個MAC傳送數(shù)據(jù)的.

　　IP 協(xié)議處理過程如下所述：首先判斷IP 包目的IP地址是否與本地IP 一致，如果不一致，丟棄不處理，如果一致，則再判斷協(xié)議類型，是否為UDP 數(shù)據(jù)包，是就進(jìn)入UDP 處理過程，不是就進(jìn)入其他協(xié)議處理過程.

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　3. 1 ARP 通信測試

　　實(shí)驗(yàn)中測試了ARP 請求和UDP 通信，設(shè)置ARM開發(fā)板的IP 地址為219. 243. 50. 187,MAC 地址為0×52,0×54,0x4c,0×38,0xf7,0×42,PC 機(jī)的IP 地址為219. 243. 50. 188,MAC 地址為0×00,0×23,0x5A,0×15,0×73,0xF4.經(jīng)過測試當(dāng)開板向PC 發(fā)送ARP 請求時，PC 能夠正確應(yīng)答響應(yīng)包，并且多次請求都能夠得到正確的響應(yīng)，證明ARP 協(xié)議能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示.

　　當(dāng)開發(fā)板得到了PC 機(jī)的MAC 地址之后，就可以與它進(jìn)行正常的UDP 通信了.在中斷程序之中判定協(xié)議類型，接收到的數(shù)據(jù)包是ARP 協(xié)議還是UDP 協(xié)議，當(dāng)接收的是ARP 協(xié)議，則進(jìn)行ARP 協(xié)議處理，得出圖5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)?shù)玫降氖荱DP 協(xié)議，則進(jìn)行UDP 協(xié)議處理，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示.經(jīng)過長時間的通信可以發(fā)現(xiàn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有出現(xiàn)誤碼，可以說明這種通信方式比較穩(wěn)定可行.

　　3. 2 UDP 通信測試

　　在UDP 通信實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置兩個數(shù)據(jù)終端的IP 地址和通信端口分別為219.243.50.187:6000,219.243.50.186:10005,然后發(fā)送數(shù)據(jù)，用抓包工具sniffer 抓包的結(jié)果如圖6 所示.通過圖中結(jié)果可以看出，SrcIP 為219. 243. 50. 87,Src Port 為6000,DestIP 為219. 243.50. 186,Dst Port 為10005,這都與設(shè)置的相同.Protocol為0×800 表示為UDP 協(xié)議類型，而且能夠正確地接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都是正確的，這證明系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，通過移植的協(xié)議棧能夠正常的工作，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo).

　　4 結(jié)束語

　　文中實(shí)現(xiàn)了基于ARM9 和DM9000 芯片的UDP通信，成功地對TCP/ IP 協(xié)議棧裁剪移植實(shí)現(xiàn)UDP.ARP 等協(xié)議通信.詳細(xì)介紹了DM9000 網(wǎng)卡驅(qū)動程序過程，并且實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)口接收發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，通過對大量數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)驗(yàn)，證明了ARM9 和DM9000 構(gòu)成的通信系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性.能夠較好地解決大量數(shù)據(jù)通過UDP 協(xié)議通信的問題.