在TMS320VC5402上实现的嵌入式TCP/IP协议栈
摘要：实现一个运行在16位数字信号处理器TMS320VC5402上的小型嵌入式TCP/IP协议栈。对TCP/IP协议中的IP协议、ARP协议、UDP协议进行分析，完成基于TCP/IP协议的嵌入式网络系统。
关键词：DSPTMS320VC5402TCP/IP协议栈嵌入式系统
引言
随着嵌入式系统应用范围的不断扩展及网络应用的日益普及，使得越来越多的嵌入式系统需要支持网络功能。TCP/IP是目前一种被广泛采用的网络协议。TCP/IP是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，已成为事实上最常用的网络标准之一。本文对TCP/IP协议中的IP协议、ARP协议和UDP协议进行了分析，利用DSP的专用汇编语言实现了自己的通信协议。由此可使DSP直接对Ethernet发来的数据包解分析，并能按照TCP/IP协议正确打包和发送，最终实现DSP与PC机的数据通信，成功地完成了语音数据的采集和发送，实现了DSP与PC机的语音数据传输。
1TCP/IP协议分析
一般在嵌入式系统中实现的TCP/IP协议都是面向数据采集和传输的，所以大部分实现都是IP协议、ARP协议、UDP协议或者是TCP协议。本文完成的是IP协议、ARP协议和UDP协议。一般认为TCP/IP为四层协议，实现的协议栈结构如图1所示。
DSP程序自下而上实现以下协议：
①媒介访问控制MAC（MediaAccessControl），向以太网收发数据。传送的数据格式为Ethernet数据帧格式。Ethernet帧的长度是可变的，但都大于64字节，小于1518字节。它包括头部、数据和尾部三部分。8字节的前导用于帧同步，CRC域用于帧校验。目的地址和源端地址是指网卡的物理地址（MAC地址），具有唯一性。
②地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol），使得物理地址和IP地址可以对应起来。在Ethernet上，使用地址解析协议ARP协议来实现IP地址到MAC地址的动态转换。ARPRequest(ARP请求)和ARPResponse(ARP响应)类型都是0X0806。ARP报文格式包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作字段、源端物理地址、源端IP地址、目的物理地址和目的IP地址。
③Internet网核心协议IP（InternetProtocol），实现IP网络上的数据传输的基础。IP协议提供了一种高效、不可靠和无连接的传输方式。IP报文是IP协议的基本处理单元，是由报头和数据两部分组成的。IP报头包括20字节的固定部分和变长的选项部分。20字节的固定部分包括IP协议的版本号、IP首部长度、服务类型、报文总长度、标识符、片偏移、报文生存时间、首部校验和以及源端IP地址和目的端IP地址。
④用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol），提供不可靠的数据传输功能。它不对要发送的数据进行缓冲，直接把从应用层收到的数据加上UDP首部发送出去。UDP不会把应用层多、次发送的数据合并成为一个包发送出去。这对于编写简单的请求/响应模式的应用是很方便的，而且利用UDP协议对传输速率也没有太大的影响。UDP协议的数据报格式包括源端口口、目的端口号、数据报长度、UDP校验和以及UDP数据。
⑤上层应用协议，对语音数据打包传输，实现DSP与PC机的语音数据传输。
2硬件接口电路
硬件接口电路如图2所示。
微处理器采用的是TI公司生产的TMS320VC5402数字信号处理器。它采用了改进的哈佛结构，操作速率达到了100MIPS。以太网控制芯片采用RTL8019AS，是台湾Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器。它实现了以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。译码、电平变换及向功能由XC95144xl完成。它是Xilinx公司生产的低功耗CPLD器件。HR治理发愣功01G是中山汉仁电子有限公司生产的10BASE-T接口器件，起低通滤波和隔离变压等作用。
3软件设计
3．1DSP上嵌入式TCP/IP协议的汇编程序设计
由于DSP的资源有限，所以网络协议根据嵌入式应用进行了裁减。本设计中完成了ARP、IP、UDP等部分协议，既能够保证DSP接入以太网，又使DSP资源能够满足嵌入式系统应用的要求。
首先介绍一下所设计的DSP接收和发送以太网数据包所使用的数据结构。作者选择了联合体结构作为DSP接收和发送以太网数据包的缓冲区。联合体允许大小和类型不同的定义临时存储在同一存储器空间。这样的好处是各层协议之间数据的传递，实质上是数据指针在传递，而不是数据拷贝传递。而且各层协议可以直接使用该缓冲区，因为缓冲区内的结构体完全
是按照各个协议的帧格式设计的。在联合体databuf中有四个结构体成员—ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt，分别对应着以太网数据帧、IP协议、UDP协议、ARP协议的帧格式。这4个结构体成员是按照它们各自协议的帧格式进行定义的。值得注意的是，因为databuf中存储的是RTL8019AS发送的以太网数据帧，联合体的成员共用databuf缓冲区，所以在各个结构体中要预留低层协议报头存储空间。例如，IP协议的结构体ippkt就要在结构体定义中留下ethernetpkt报头的存储空间，即ippkt定义中前9个整型空间不能使用，从第10个整型空间开始才是IP数据报的内容。
下面分4层介绍所完成的嵌入式TCP/IP协议。
《在TMS320VC5402上实现的嵌入式TCP/IP协议栈》
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关键词：DSPTMS320VC5402TCP/IP协议栈嵌入式系统
引言
随着嵌入式系统应用范围的不断扩展及网络应用的日益普及，使得越来越多的嵌入式系统需要支持网络功能。TCP/IP是目前一种被广泛采用的网络协议。TCP/IP是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，已成为事实上最常用的网络标准之一。本文对TCP/IP协议中的IP协议、ARP协议和UDP协议进行了分析，利用DSP的专用汇编语言实现了自己的通信协议。由此可使DSP直接对Ethernet发来的数据包解分析，并能按照TCP/IP协议正确打包和发送，最终实现DSP与PC机的数据通信，成功地完成了语音数据的采集和发送，实现了DSP与PC机的语音数据传输。
1TCP/IP协议分析
一般在嵌入式系统中实现的TCP/IP协议都是面向数据采集和传输的，所以大部分实现都是IP协议、ARP协议、UDP协议或者是TCP协议。本文完成的是IP协议、ARP协议和UDP协议。一般认为TCP/IP为四层协议，实现的协议栈结构如图1所示。
DSP程序自下而上实现以下协议：
①媒介访问控制MAC（MediaAccessControl），向以太网收发数据。传送的数据格式为Ethernet数据帧格式。Ethernet帧的长度是可变的，但都大于64字节，小于1518字节。它包括头部、数据和尾部三部分。8字节的前导用于帧同步，CRC域用于帧校验。目的地址和源端地址是指网卡的物理地址（MAC地址），具有唯一性。
②地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol），使得物理地址和IP地址可以对应起来。在Ethernet上，使用地址解析协议ARP协议来实现IP地址到MAC地址的动态转换。ARPRequest(ARP请求)和ARPResponse(ARP响应)类型都是0X0806。ARP报文格式包括硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度、操作字段、源端物理地址、源端IP地址、目的物理地址和目的IP地址。
③Internet网核心协议IP（InternetProtocol），实现IP网络上的数据传输的基础。IP协议提供了一种高效、不可靠和无连接的传输方式。IP报文是IP协议的基本处理单元，是由报头和数据两部分组成的。IP报头包括20字节的固定部分和变长的选项部分。20字节的固定部分包括IP协议的版本号、IP首部长度、服务类型、报文总长度、标识符、片偏移、报文生存时间、首部校验和以及源端IP地址和目的端IP地址。
④用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol），提供不可靠的数据传输功能。它不对要发送的数据进行缓冲，直接把从应用层收到的数据加上UDP首部发送出去。UDP不会把应用层多、次发送的数据合并成为一个包发送出去。这对于编写简单的请求/响应模式的应用是很方便的，而且利用UDP协议对传输速率也没有太大的影响。UDP协议的数据报格式包括源端口口、目的端口号、数据报长度、UDP校验和以及UDP数据。
⑤上层应用协议，对语音数据打包传输，实现DSP与PC机的语音数据传输。
2硬件接口电路
硬件接口电路如图2所示。
微处理器采用的是TI公司生产的TMS320VC5402数字信号处理器。它采用了改进的哈佛结构，操作速率达到了100MIPS。以太网控制芯片采用RTL8019AS，是台湾Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器。它实现了以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。译码、电平变换及向功能由XC95144xl完成。它是Xilinx公司生产的低功耗CPLD器件。HR治理发愣功01G是中山汉仁电子有限公司生产的10BASE-T接口器件，起低通滤波和隔离变压等作用。
3软件设计
3．1DSP上嵌入式TCP/IP协议的汇编程序设计
由于DSP的资源有限，所以网络协议根据嵌入式应用进行了裁减。本设计中完成了ARP、IP、UDP等部分协议，既能够保证DSP接入以太网，又使DSP资源能够满足嵌入式系统应用的要求。
首先介绍一下所设计的DSP接收和发送以太网数据包所使用的数据结构。作者选择了联合体结构作为DSP接收和发送以太网数据包的缓冲区。联合体允许大小和类型不同的定义临时存储在同一存储器空间。这样的好处是各层协议之间数据的传递，实质上是数据指针在传递，而不是数据拷贝传递。而且各层协议可以直接使用该缓冲区，因为缓冲区内的结构体完全
是按照各个协议的帧格式设计的。在联合体databuf中有四个结构体成员—ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt，分别对应着以太网数据帧、IP协议、UDP协议、ARP协议的帧格式。这4个结构体成员是按照它们各自协议的帧格式进行定义的。值得注意的是，因为databuf中存储的是RTL8019AS发送的以太网数据帧，联合体的成员共用databuf缓冲区，所以在各个结构体中要预留低层协议报头存储空间。例如，IP协议的结构体ippkt就要在结构体定义中留下ethernetpkt报头的存储空间，即ippkt定义中前9个整型空间不能使用，从第10个整型空间开始才是IP数据报的内容。
下面分4层介绍所完成的嵌入式TCP/IP协议。
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