（測試計量技術及儀器專業(yè)論文）dsp系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現.pdf

沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 摘要 隨著通訊技術、網絡技術和半導體技術的飛速發(fā)展，嵌入式技術與網絡技術結合的 條件已經非常成熟。并且為了提高產品性能，實現家用電器、工業(yè)控制裝置或儀器、安 全監(jiān)控系統(tǒng)、汽車電子等各種智能設備的遠程控制、維護和故障診斷功能，網絡化已經 成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢。 本文提出一種d s p 系統(tǒng)結合嵌入式以太網接入模塊的方案，實現了計算機網絡與 以d s p 為核心的嵌入式系統(tǒng)的互連。以太網接入系統(tǒng)模塊主要由8 位單片機和r t l 8 0 1 9 通用網絡接口控制器組成，d s p 系統(tǒng)只要和以太網接入系統(tǒng)模塊中的單片機通過串口通 信便可實現整個系統(tǒng)的網絡接入功能。 由于目前嵌入式系統(tǒng)接入網絡的主要困難在于t cp _ 】p 協(xié)議棧的實現對于系統(tǒng)資源 要求很高，嵌入式系統(tǒng)資源有限，因此在軟件實現t c p 】p 協(xié)議棧的過程中，需要對協(xié) 議棧進行適當的裁減和優(yōu)化。本文專門使用了一個章節(jié)對嵌入式t c p 講協(xié)議棧進行了 深入細致的研究和分析。 在硬件設計方面本文完成了以太網接口和d s p 與單片機通過串口通信兩部分硬件 接口電路的設計，并詳盡描述了各部分的相互關系及工作原理。 軟件設計部分則分為d s p 與單片機的串口通信程序、以太網接口驅動程序和t c p ，m 協(xié)議棧程序三部分，本文對每一部分都分章節(jié)的做了詳細的說明，并給出了程序實現的 流程圖。 最后，文章通過對實驗測試結果的分析，得出了本課題研究的“嵌入式網絡接入方 法可以實現d s p 系統(tǒng)與以太網實現互聯”這一結論，從而使實現對d s p 系統(tǒng)進行遠程 控制、維護等功能成為可能。 關鍵詞：d 卵，以太網，t c p i p ，嵌入式系統(tǒng) d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 r e s e a r c ha i l dr e a l i z a t i o no f e t h e m e tt e c l l l l o l o 舒 i n t h e d s ps y s t e m a b s t l 僦 a l g 、v i md e 、，e l o p m e n t 鋤dp o p u l a r i z a t i o no fc o m m u i i i c 撕o nt c c l l i l o l o g y ，t v l r o r k l l o l o g y 鋤ds e l n i c o 列虹t o rt e c 虹m l o g y ，t h ec 撇o f a n b e m d e dt e c h i 妁i o g y 鋤b i l l i n g 、聃m 塒蚋v 講kt e c b n o l o g yh 嬲b 鯽ev e f ym 赧t oa l i z el o n g d i s t a c 們l ， m a i m 既i 鋤c ea i l d 咖b l ed i a g n o s i sk i s c do na p p l i a n c ew i r i n g ，i i l d u 蹦a lc 徹們le q u i p m 鋤to f t h ei n ! 加此s a f ；宦哆鰣p e 州i s 卸dc o 砷r o ls y s t c m ，c 盯e l c c t r c 面c se t c ，n 酣o r kh 嬲b e c 啪ea i m p o r t a i l _ t 仃do f t h e 慨i o p m e n to f a n l d e ds y s t c n l am e t h o d ，w h i c ha c l l i e v e dt h e “m n e c t i o no fd s ps y s t e i i lw i t l le m e m e ti i l t e r f h c c 柏d 如l c m i sg i v 明i l l t h i s 粥皿ee m e m 融枷耵蠡c e m o d m e i s m a d eu po f 8b i t m c ua n d n e r kc 捌出pr t l 8 0 1 9 a s d s ps y s 咖lc 0 脒橢、v i t he t h e n 吼b yo o 蛐i i n i c a 血g 晰t 王l m c ui nl l l ee t l l e m e ti i l t e r f k em o d u l e ht h eh 恥小a r ed e s i 掣l a t i o i l t h ec i r c 咄o fk 旺d w a 塢i nc o m m 咖匠c a l i o nb 曲娜nm c u a n dd s p 紐dt h ee t h 鋤c ti n t e m 嗆em o d u l ea r ca c m e 、，e di nt h i sp a p 叮 s y s t c l ns o r w a d e s i g 枷 i si m m d u c e di nm i s p a p e r ，w i l i c hi s 啪s i s “ o f a s y n c h 舢鵬s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e 腳e d s p 鋤dm c up r o 嘞吐圮蹦v 盯o f t 、】v o r k r d 如dt c p mp r o t o c o lp r o 蓼a mm o d m e f i i l a l l y ，b yt e s t i r 唱t l l es y s t c m 姐d 也e 讎a l y s i s0 fd a t a t i l em e l l l o da c l l i e v e di 1 1t t l i sp a p e r 啪m a k cd s p 鋤b e d d e ds y s l e mc 伽m e c t 嘶me 也啪武s o1 0 n g 面s t 卸c ec o m r 0 1 鼬d m a i t a n eb a do nd s p 鋤b e d d e ds y s t e ma l s dc 呲加塢 k e yw o r d s ：d s p ，e 伍e m 鴨t c m p e m b e d d e ds y s t e m i i 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 沈陽工業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 簽名：她硼日期：幽壘坐 關于論文使用授權的說明 本人完全了解沈陽工業(yè)大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨?布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定) 簽名：虹瞞 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 1 緒論 1 1 課題來源 本課題為自選課題，課題題目名稱為“d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現”。 1 2 課題研究目的 i m e m c t 是人類歷史發(fā)展中的一個偉大的里程碑，它的起源和發(fā)展引發(fā)了一場革命， 改變了世界。m t e r n 武充分發(fā)揮了計算機的效能，幫助人們跨越時間和空間的障礙。網 絡用戶可以通過網絡服務共享信息、協(xié)調工作，而不受地理范圍的限制，也可以避免由 于時區(qū)的限制。寬帶網絡的出現，使得語音圖像的傳輸成為可能，由此產生了視頻會議 和m 電話，使分布在世界各地的公司職員可以同時參加公司的會議【1 】【2 l 【3 】。 i i l ：嗡n e t 的出現為人們提供了一個劃時代的信息媒體。人們可以通過網絡訪問信息 庫、圖書館，便捷地查詢各類信息資源，廣泛地閱讀各種書籍；可以通過m t e l n c t 收發(fā) 電子郵件、打電話：通過網絡提供各種商業(yè)信息，進行網上營銷：政府部門可以通過網 絡平臺公開施政，提高政府工作的透明度和效率；越來越多的人已經享受到了在家辦公 的自由和樂趣1 4 】【5 】1 6 】。 隨著計算機技術的發(fā)展，嵌入式計算機系統(tǒng)廣泛地深入到社會生產生活的各個領 域。如果能夠將這些系統(tǒng)接入蛐肌l e t ，人們就可以遠程控制它們工作，及時了解設備 的工作狀態(tài)，提高設備的信息化程度，推動信息社會的發(fā)展。為了解決上述問題，嵌入 式i n 鋤e t 技術應運而生【7 】【8 】【9 l 。 綜上所述，實現嵌入式系統(tǒng)與h e m e t 的互聯已經成為當前嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的熱點 領域和重要方向，因此本課題以實現以d s p 為核心的嵌入式系統(tǒng)與網絡的互聯為研究 目的，并最終通過對系統(tǒng)軟、硬件的合理設計實現了d s p 系統(tǒng)通過網絡的數據傳輸和 信息共享。 1 3 課題研究意義 在信息時代的今天，h i t e r n e t 技術將不會僅僅局限于人與人( 或團體) 之間信息的 交流。例如e m a i l 、w e b 瀏覽和電子商務e b u s i m 齬等，c t 技術都將會深入 到人們日常生活和工作的電子設備中。并且隨著n ( 信息電器) 的出現，嵌入式網絡 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 技術正逐步取代傳統(tǒng)的以p c 為中心的應用，成為未來i n t e m e t 發(fā)展中的主力軍，并廣 泛應用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)智能化從站系統(tǒng)、l e d 網絡控制顯示屏系統(tǒng)、網絡安全加 密系統(tǒng)等各個領域的各個方面。各國信息界同仁都在密切關注并積極研究電子設備與 i n b 啦l e t 的連接問題【l o 】i l 。 d s p 芯片是專門為實現各種數字信號處理算法而設計的、具有特殊結構的微處理 器，其卓越的性能、不斷上升的性價比、日漸完善的開發(fā)方式使其應用越來越廣泛。將 計算機網絡技術引入以d s p 為核心的嵌入式系統(tǒng)，使其成為數字化、網絡化相結合， 集通信、計算機和視聽功能于一體的電子產品，必將大大提升d s p 系統(tǒng)的應用價值和 市場前景。本文的研究工作解決了以d s p 為核心的嵌入式系統(tǒng)與m 魄刪的連接問題， 從而為d s p 設備的應用開辟了更為廣闊的前景【1 2 】【1 3 l f 。 1 4 國內外研究現狀 目前國外許多大公司如c y g n a l ，m 觚i m ，m i c r o c h i p 等成立了嵌入式h l 鈀m c t 聯盟， 來專門討論和制定嵌入式h 1 _ t e r n 既領域的標準和開發(fā)相關的技術【”l 。這些公司都推出了 內部固化了t c p i p 協(xié)議棧的嵌入式微處理器，這些產品使開發(fā)人員省去了編寫并且移 植龐大繁瑣的t c p i p 協(xié)議棧軟件的工作，從而大大提高了開發(fā)的效率。同時國內也有 像周立功電子、武漢力源科技等很多有實力的公司在嵌入式網絡接入技術的研究方面取 得了相當的成就，它們所推出的產品通常是將m c u 與網卡芯片的集成模塊，其產品內 部的結構組成以及原理與本文所開發(fā)的嵌入式網絡接口系統(tǒng)模塊類似。開發(fā)人員可以通 過使用這些產品省去網絡部分的設計，從而將主要精力放到應用系統(tǒng)的設計上去。 1 5 目前存在問題 嵌入式系統(tǒng)實現i n t 鋤e t 接入的前提條件是系統(tǒng)的軟件中要有t c m p 協(xié)議支持。由 于以d s p 為核心的嵌入式系統(tǒng)的硬件資源有限以及成本的敏感性，實現如臺式機中那 樣完整的t c p 口協(xié)議是比較困難的【l “。因此根據實際系統(tǒng)的應用場合與特點，對 t c p ，坤協(xié)議棧進行合理地精簡以及選擇合理的網絡接入方案將成為研究網絡技術與嵌 入式系統(tǒng)結合的一個重要研究方向。 2 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 1 6 本課題研究內容 本論文的研究基于d s p 系統(tǒng)網絡接入功能應用的開發(fā)，因此開發(fā)工作的主要內容 包括： ( 1 ) 研究t c p i p 協(xié)議并結合嵌入式系統(tǒng)特點進行合理選擇。課題分析了t c p i p 協(xié)議族中各種協(xié)議的基本功能，根據嵌入式系統(tǒng)存儲容量小、功能單一的特點對協(xié)議族 進行了選擇和簡化，使t c p i p 協(xié)議能夠在嵌入式系統(tǒng)中方便實現而同時能實現以太網 接入的基本功能。 ( 2 ) 系統(tǒng)硬件的開發(fā)。使用s t c 公司的高性能5 1 系列單片機s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 與 r e a l t e k 公司的網絡控制器芯片直接接口組成嵌入式以太網接口系統(tǒng)。設計基于 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片的d s p 最小系統(tǒng)，并將d s p 芯片的多通道緩沖串口m c b s p 與通用 異步串行收發(fā)器芯片姒x 3 1 1 1 e 接口實現d s p 系統(tǒng)的異步串行通信，最終將d s p 系統(tǒng)與 以太網接口系統(tǒng)通過串口連接，實現d s p 系統(tǒng)接入以太網的功能。 ( 3 ) 驅動程序開發(fā)。相關的驅動程序主要有以太網接口系統(tǒng)中單片機與網絡控制器 芯片的接口驅動程序、t m s v c 5 4 1 6d s p 微處理器與m a ) 【3 l l l e 芯片的接口驅動程序。 ( 4 ) 協(xié)議軟件開發(fā)。編寫符合嵌入式以太網接口系統(tǒng)資源特點的高度精簡的t c p 協(xié)議棧軟件程序，及d s p 系統(tǒng)與以太網接口系統(tǒng)的串口通信協(xié)議程序。 2 嵌入式t c p i p 協(xié)議研究 2 1 協(xié)議概述 網絡協(xié)議通常分不同層次進行開發(fā)，每層分別負責不同的通信功能。t c p ，口協(xié)議 是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。通常t c p 佃被認為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)【m 。如 圖2 1 所示： 3 一 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 應用層 傳輸層 網絡層 鏈路層 t e u h i e t 、f 1 甲 t c p 、u d p m 、i c m p 、i g h 伊 設備程序及接口卡 圖2 1t c p i p 協(xié)議分層 f i g 2 1t c p i pp r o t o c 0 11 a y e r 盡管通常稱該協(xié)議族為t c p ，m ，但t c p 和i p 只是其中的兩種協(xié)議而己。在這個四 層次中，每一層負責不同的功能。 ( 1 ) 鏈路層，有時也叫數據鏈路層和網絡接口層，一般包括操作系統(tǒng)中的設備驅 動程序和計算機中對應的網絡接口卡1 8 1 。它們一起處理與雙絞線( 或其他任何傳輸媒介) 的物理接口細節(jié)。根據網絡使用的硬件不同，t c p i p 支持多種不同的鏈路層協(xié)議，如以 太網、令牌環(huán)網、f d d i ( 光纖分布式數據接口) 及r s 一2 3 2 串行線路等。本課題只討論 以太網網絡鏈路層協(xié)議。以太網采用一種稱作c s m a c d 的媒體接入方法，其意思是帶沖 突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問。其規(guī)則是： 1 ) 若媒體空閑，則傳輸：否則轉第二步。 2 ) 若媒體忙，一直監(jiān)聽直到信道空閑，然后立即傳輸。 3 ) 若在傳輸監(jiān)聽到沖突，則發(fā)出一個短小的人為干擾信號，讓所有的站點都知道 發(fā)生了沖突并停止傳輸。 4 ) 發(fā)完人為干擾信號等待一段隨機的時間，再次試圖傳輸( 從第一步開始重復) 。 在t c p 伊協(xié)議族中，鏈路層的協(xié)議主要有a r p 和r a r p 。i 沖就是地址解析協(xié)議， 實現i p 地址到m a c 地址的轉換。以太網數據鏈路有自己的尋址機制( 4 8 吼地址) 。 網絡接口有一個硬件地址，在硬件層次上進行的數據幀交換必須有正確的接口地址。當 系統(tǒng)把以太網數據幀發(fā)送到位于同一局域網上的另一臺主機時，是根據4 8b i t 的以太網 地址來確定目的接口的。設備驅動程序不檢查i p 數據報中的目的i p 地址。t c p ，m 也有 自己的地址3 2b i t 的i p 地址。如果目的主機在本地網絡上( 如以太網、令牌環(huán)網或 點對點鏈接的另一端) ，那么m 數據報可以直接送到目的主機上。如果目的主機在一 個遠程網絡上，那么就通過口選路函數來確定位于本地網絡上的下一站路由器地址， 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 并讓它轉發(fā)口數據報。發(fā)送端主機必須把3 2 b i t 的口地址變換成4 8 b “的以太網地址， 從邏輯砷黜t 地址到對應的物理硬件地址需要進行翻譯。a i 瀋協(xié)議就是為m 地址到對 應的硬件地址之間提供動態(tài)映射。 心協(xié)議包括吣請求和a i 心響應兩部分。主機需要發(fā)送口數據報文時，首先 查找是否有對應該m 地址的硬件以太網地址，如果沒有則發(fā)送a r p 請求。a r p 請求作 為以太網廣播數據包發(fā)送到同一局域網上的所有主機。a r p 請求數據幀中包含目的主機 的坤地址，其意思是“如果你是這個i p 地址的擁有者，請回答你的硬件地址”【1 9 1 。 目的主機收到這個廣播報文后識別出這是發(fā)送端詢問它的i p 地址，于是發(fā)送一個 娜瀋應答。這個越灌應答包含ip 地址及對應的硬件地址。主機通過煅請求和a r p 應答建立起地址的映射。 r m 口( 逆地址解析協(xié)議) 用于解決如何從m a c 地址得到m 地址。具有本地磁盤 的系統(tǒng)引導時，一般是從配置文件中讀取p 地址，但無盤工作站則需要用r a r p 來獲 得口地址。網絡上的每個系統(tǒng)都具有唯一的硬件地址，它是由網絡接口生產廠家配置 的。無盤系統(tǒng)的r a i 啦實現過程是從接口卡讀取唯一的硬件地址，然后發(fā)送一份r a r p 請求( 一幀在網絡上廣播的數據) ，請求某個主機響應無盤系統(tǒng)的i p 地址( 在r a r p 應 答中) 。 ( 2 ) 網絡層，有時也稱為互聯網層，處理數據分組在網絡中的活動。網絡層提供 的是種不可靠的服務，它只是盡可能快地把分組從源節(jié)點送到目的節(jié)點，但是并不提 供可靠性保證。網絡層協(xié)議包括m ( 網際協(xié)議) ，i c m p ( 1 1 1 t c r n e t 互聯網控制報文協(xié) 議) ，以及i g m p ( h t e r n e t 組管理協(xié)議) 【如1 。 i p 是t c 口協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，所有網絡層和傳輸層的網絡數據分組都 以口數據報格式傳輸?？谔峁┎豢煽俊o連接的數據報傳送。不可靠的就是它不保證 m 數據報能成功地到達目的地。僅提供最好地傳輸服務。如果發(fā)生某種錯誤，口丟 棄該數據報，然后發(fā)送i c m p 消息到信源。可靠性由上層來提供。無連接就是i p 并 不維護任何關于后續(xù)數據報的狀態(tài)信息，每個數據報的處理是相互獨立的，也就是p 數據報可以不按發(fā)送順序接收【2 n 。 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 i c m p 是m 的附屬協(xié)議。m 層用i c m p 來與其它主機或路由器交換錯誤報文和 其他重要信息。i c m p 報文是在口數據報內部被傳輸的，根據類型字段和代碼字段不 同，i c m p 報文分為多種類型。 多播路由器需要知道多播數據應該向那些接口轉發(fā)。i g ，協(xié)議是i n t e 忸e t 組管理 協(xié)議，它讓一個物理網絡上的所有系統(tǒng)知道主機當前所在的多播組，向多播路由器提供 必要的信息。_ g m p 也被當作口報文的一部分，i g m p 報文通過m 數據報進行傳輸。 與其他協(xié)議報文不同，i g m p 有固定的報文長度。i ( m p 有兩種類型，類型l 說明是 由多播路由器發(fā)出的查詢報文，類型2 說明是主機發(fā)出的報告報文。 ( 3 ) 傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在t c p 口協(xié)議族中， 有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：t c p ( 傳輸控制協(xié)議) 和u d p ( 用戶數據報協(xié)議) 舊。 t c p 協(xié)議為用戶提供高可靠性的數據通信。t c p 提供一種面向連接的、可靠的字 節(jié)流服務。面向連接就是指兩個使用t c p 的應用在彼此交換數據之前必須先建立一個 t c p 連接。t c p 通過接收確認、超時重發(fā)、檢驗和、流量控制等手段提供可靠性剛。 字節(jié)流服務是指兩個應用程序通過t c p 連接交換8b i t 字節(jié)構成的字節(jié)流，t c p 不在 字節(jié)流中插入記錄標識符。 u i ) p 是一個簡單的面向數據報的傳輸協(xié)議。它把應用層傳送給口層的數據發(fā)送 出去，但是并不保證它們能夠到達目的地?？煽啃杂蓱脤犹峁╆帯?4 、應用層負責處理特定的應用程序。在常用的t c p m 實現中主要有t c l n e t 、n 限、 s m t p 、和階i m p 等。根據不同的業(yè)務需求，應用層采用的協(xié)議也不同。 2 2 協(xié)議的選擇 基于嵌入式系統(tǒng)實現t c p 佃協(xié)議，必然要受到嵌入式系統(tǒng)的約束和限制。嵌入式 系統(tǒng)是為完成某種特定的功能而設計的專用系統(tǒng)。嵌入式以太網接入系統(tǒng)也是完成特定 的功能，沒必要也不可能實現所有的t c p ，口協(xié)議，而必須結合嵌入式系統(tǒng)的特點對 t c p ，p 協(xié)議進行選擇。 6 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 2 2 1 鏈路層協(xié)議 鏈路層主要有三個目的：( 1 ) 為m 模塊發(fā)送和接收m 數據報；( 2 ) 為a i 沖模塊 發(fā)送妯 請求和接收a r p 應答；( 3 ) 為r a r p 模塊發(fā)送r a i 沖請求和接收r a r p 應 答。以太網鏈路層依靠c s m a ，c d 協(xié)議、a i 沖和r a i 心實現這幾個目的。 c s m a c d ( 載波監(jiān)聽多路訪問沖突檢測) 協(xié)議是在同一個局域網上的多臺計算 機共享同一物理傳輸介質的基礎。嵌入式系統(tǒng)要接入以太網絡同其它計算機進行通信就 必須實現該協(xié)議瞄】。 以太網上數據的傳輸是采用網絡的m a c 地址來進行識別的，這就要求系統(tǒng)有實現 i p 地址到m a c 地址的轉換的功能，即舢心( 地址解析協(xié)議) 。系統(tǒng)要同其它計算機通 信，需要根據i p 地址獲得m a c 地址，就必須要支持a 1 婢協(xié)議。 r a r p ( 逆地址解析協(xié)議) 用于解決如何從m a c 地址得到口地址，主要用于無盤 工作站中。在嵌入式以太網接入系統(tǒng)中。系統(tǒng)執(zhí)行特定的任務，可以把口地址存儲于 本地存儲器中，不必從其它服務器得到i p 地址，這樣就不需要實現r 燦講協(xié)議跚。 2 2 2 網絡層協(xié)議 網絡層主要負責處理數據包在網絡中的活動。在t c 口協(xié)議族中，網絡層協(xié)議包 括m ，i c m p ，以及i g m p 等。 i p 協(xié)議是t c p p 族的核心協(xié)議，它用來完成異構網絡之間的通信。所有的t c p 、 u d p 、i c m p 數據都以口數據報格式傳輸。因此系統(tǒng)數據跨越不同的網絡進行傳輸就 必須要實現m 協(xié)議叨。 i c m p 協(xié)議主要用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。i c m p 中規(guī)定了多種 協(xié)議類型和代碼，如果完全的實現也要耗費不少的系統(tǒng)資源。嵌入式接入系統(tǒng)中，在 i c m p 協(xié)議中能夠測試網絡的連通情況即可，因此只需支持i c m p 中p i n g 協(xié)議和端口 不可達協(xié)議。 網絡層另外一個重要的協(xié)議是i g m p 協(xié)議，它主要用于支持主機和路由器進行組 播。嵌入式以太網接入系統(tǒng)作為一種專用系統(tǒng)接入網絡的技術，為了降低處理協(xié)議的復 雜程度，在需要向多個目標發(fā)送信息時可以直接采用廣播方式，不必要采用組播的方式 進行通信。因此在設計中不考慮實現i g m p 協(xié)議。 一7 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 2 2 3 傳輸層協(xié)議 傳輸層主要在兩臺主機之間提供端到端的通信。傳輸層有兩種不相同的傳輸協(xié)議： t c p ( 傳輸控制協(xié)議) 和u d p ( 用戶數據報協(xié)議) 圓。 t c p 是面向連接的，在不可靠的網絡服務上提供端到端的可靠字節(jié)流。t c p 協(xié)議 設計了嚴格的3 次建立連接握手過程、4 次關閉連接握手過程以及捎帶確認信息數據 傳輸過程。因為通過t c p 協(xié)議進行通信時，存在一個建立連接的過程，所以必然存在 一定的延時。在實時性要求不太高的設備中采用t c p 協(xié)議，保證傳輸的質量唧。 u d p 協(xié)議是用來提供不面向連接的，它只是簡單地把數據報從一臺主機發(fā)送到另 一臺主機，但并不保證該數據報能到達另一端，可靠性必須由應用層來提供。在實時性要 求高的設備中采用u d p 協(xié)議，u d p 固有的傳輸可靠性低的缺陷可以通過應用層的協(xié) 議進行彌補。 2 2 4 應用層協(xié)議 應用層協(xié)議主要是指用戶進程，根據不同的業(yè)務采用不同的協(xié)議。因此本課題不考 慮應用層協(xié)議。 2 3 系統(tǒng)嵌入式t c p l p 協(xié)議棧 根據前面的協(xié)議的選擇，嵌入式t c p ，i p 主要包括實現i p 地址到物理地址動態(tài)映 射的a r p 協(xié)議，其中包括a i 沖請求和a r p 應答；實現網際傳輸的i p 協(xié)議；檢測 主機是否可達的p i n g 應答和端口不可達的i c m p 協(xié)議：實現數據快速簡單傳輸的 u d p 協(xié)議；實現數據可靠傳輸的t c p 協(xié)議。其中u d p 和t c p 兩種不同傳輸層協(xié)議 應用于不同的場合，在不同的應用中可以只加載一種協(xié)議模塊，也可以同時支持這兩種 協(xié)議。 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 3 系統(tǒng)總體硬件設計 3 1 系統(tǒng)網絡接入方案的選擇 目前d s p 系統(tǒng)網絡接入通常有兩種方法閣。 ( 1 ) d s p 芯片直接與網絡接口芯片進行接口，t c p i p 協(xié)議也贏接在d s p 中實現。這 種方案可直接使系統(tǒng)與網絡相連，有很大的靈活性。缺點是占用的系統(tǒng)資源較多，對d s p 系統(tǒng)資源要求高，并且在d s p 上實現t c p i p 協(xié)議棧的編程相對復雜，工作量較大，開 發(fā)周期長。 ( 2 ) 使用嵌入式網關來實現。d s p 系統(tǒng)首先和網關進行通信，通信方式采用傳統(tǒng)的 r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等，由嵌入式網關來負責實現t c p i p 協(xié)議，實現d s p 系統(tǒng)與網絡的 信息交互。缺點是嵌入式網關與o s p 系統(tǒng)之問的通信受到距離和速度的限制。 本課題選擇的d s p 系統(tǒng)結合嵌入式網絡接入模塊的系統(tǒng)實現方案就類似于上述的 第二種方法，其中嵌入式網絡接口模塊( 嵌入式網關) 由高性能單片機和通用網絡接口 芯片組成。d s p 系統(tǒng)模塊則通過串口與單片機進行通信，從而實現系統(tǒng)的網絡接入。所 以本系統(tǒng)硬件電路的設計主要分為d s p 系統(tǒng)模塊、異步串口通信模塊和嵌入式以太網 接口系統(tǒng)模塊三部分。 3 2 系統(tǒng)的總體結構框圖 系統(tǒng)的d s p 系統(tǒng)模塊中的d s p 最小系統(tǒng)以1 1 公司的1 m s 3 2 0 v c 5 4 xd s p 為核心 處理器，d s p 系統(tǒng)模塊與以太網接口模塊的通信功能由d s p 芯片的多通道同步緩沖串 口m c b s p 與通用異步串口收發(fā)器接口實現。而嵌入式以太網接口系統(tǒng)模塊則使用高性 能的5 l 系列單片機作為核心處理器與網絡控制器芯片進行接口來實現對以太網通信的 控制。系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖3 1 所示： 一9 一 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 異 甲乒 步 出 口 電ii m c u l隔離濾 _ 卜 波器 收 1h ：r 發(fā) 卜 器 網絡控制器 圖3 1 系統(tǒng)總體結構框圖 f i g 3 1s y s t 鯽t o t 8 ls t r u c t u r e 3 。3 系統(tǒng)總體結構及工作原理分析 從圖3 1 的系統(tǒng)總體結構圖中可以看出，d s p 系統(tǒng)模塊與以太網接口系統(tǒng)模塊是兩 個相對獨立的系統(tǒng)模塊，以太網接口系統(tǒng)模塊的工作狀態(tài)受到d s p 系統(tǒng)模塊所發(fā)送的 指令參數的控制和管理，d s p 系統(tǒng)模塊可以動態(tài)配置以太網接口系統(tǒng)模塊的i p 地址、 m a c 地址、s e r v e f 倫l i e n t 工作模式等網絡接入狀態(tài)參數，從而d s p 系統(tǒng)模塊在整個系 統(tǒng)中起著主導作用。 以太網接口系統(tǒng)模塊則是整個系統(tǒng)實現網絡接入的核心功能模塊，由于嵌入式 t c i p 協(xié)議棧在該系統(tǒng)模塊的核心處理器單片機上實現，因此網絡通信的組織和管理工 作也都由該模塊承擔。異步串口通信模塊則在前面所述的兩個模塊之間起著溝通的橋梁 作用，實現兩個模塊系統(tǒng)的數據交換。 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 4d s p 系統(tǒng)模塊設計 d s p 系統(tǒng)模塊主要由以1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 芯片為核心的d s p 最小系統(tǒng)組成。 系統(tǒng)上電以后本模塊需要完成以下工作： ( 1 ) 將系統(tǒng)程序從快速閃存f l a s h 中導入系統(tǒng)快速r a m 中 這主要利用1 r i 公司的d s p 芯片本身固化的b o o t l o a d e r 程序實現的，根據該程序引 導方式的具體要求實現將調試通過的所有系統(tǒng)軟件燒寫到快速閃存中。 ( 2 ) 對d s p 本身進行必要的初始化 這主要包括上電后d s p 的運行速度、訪問外部擴展器件時的等待周期、系統(tǒng)正常 運行時的狀態(tài)設定，特別是系統(tǒng)存儲空間的合理分配等。 ( 3 ) 對異步串口收發(fā)器進行初始化 異步串口收發(fā)器m a ) ( 3 1 1 e 在本系統(tǒng)模塊與以太網接口系統(tǒng)模塊之間建立起可靠的 通信，結構簡單實用，利用d s p 本身的資源即可實現對控制器的初始化以及數據的收 發(fā)工作。 ( 4 ) 向以太網接入系統(tǒng)模塊發(fā)送配置命令。 4 1d s p 芯片概述 數字信號處理由于其精度高、靈活性大、可靠性好、易于大規(guī)模集成，可采用多種 性能優(yōu)良的數字信號處理方法和算法等優(yōu)點，正得到迅速發(fā)展和廣泛應用。數字信號處 理器( d i g i t a ls i 曲1 a l s o r ，縮寫為d s p ) 正是適應這種需要出現的，并處于蓬勃發(fā) 展之中，這反過來又為數字信號處理技術的迅猛發(fā)展提供了動力【3 。d s p 不僅具有高速 運算和控制能力，而且根據實時數字信號處理的特點，在處理器結構、指令系統(tǒng)、指令 流程上都做了很大的改動，具體有以下幾個方面： ( 1 ) 普遍采用數據總線和程序總線相分離的哈佛結構或改進的哈佛結構，比馮諾依 曼結構有更高的指令執(zhí)行速度。 ( 2 ) 大多采用流水線技術，減少每條指令的執(zhí)行時間。 ( 3 ) 片內有多條總線，并且提供方便的尋址方式，大大提高了指令的執(zhí)行效率。 ( 4 ) 提供高速的尋找方式，如循環(huán)尋找、位反尋找等。 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 ( 5 ) 針對數字信號處理中大量用到的乘累加操作的特點，配有獨立的硬件乘法器和 加法器，可在一個指令周期內完成乘累加運算。 ( 6 ) 片內集成d m a 控制器和串行通信口等，提高了數據的搬移能力。 ( 7 ) 具有軟、硬件等待功能，可方便的與各種存儲器接口。 ( 8 ) 單片系統(tǒng)，功耗低，易于小型化和便攜式設計。 1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ( 簡稱v c 5 4 1 6 ) 是t i 公司的c 5 4 xd s p 家族的成員之一，它是基于 先進的改進哈佛結構的1 6 位定點d s p ，擁有一條程序總線和三條數據總線。片內集成 有一個具有高速并行性的算術邏輯單元( a l u ) 、專用硬件邏輯、片內存儲器和片內外 設等幾部分【3 2 】。以下主要介紹v c 5 4 1 6 的一些主要特點： 先進的多總線結構：三條1 6 位數據總線和一條程序總線。 4 0 位桶形移位器和4 0 位累加器。 可尋址8 m 1 6 b i t 的程序空間。 1 6 k + 1 6 b i t 片內r o m 和1 2 8 k 1 6 b i t 的片內r a m 。 片內外設包括： 1 ) 軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器； 2 ) 軟件可編程鎖相環(huán)( p l l ) ； 3 ) 三個多通道緩沖串行口( m c b s p ) ： 4 ) 增強型8 1 6 位主機接口( h p l 8 1 6 ) ： 5 ) 一個1 6 位定時器 6 ) 六通道d m a 控制器 軟件設置進入省電模式。 指令周期6 2 5 8 3 3 n 1 6 0 1 2 0 m m s ) 。 內核電壓1 6 v ，i o 電壓3 3 v 。 本系統(tǒng)采用的1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 單指令周期達6 2 5 i l s ( 1 6 0 m 口s ) ，軟件可編程鎖相環(huán) 在c p u 不工作時，降低時鐘頻率，從而可降低功耗，而正常工作時，又可很快提升時 鐘頻率：軟件可以利用空閑指令( i d l e l 、d l e 2 和i d l e 3 ) 將v c 5 4 1 6 置于省電模式： 片內的軟等待狀態(tài)發(fā)生器和d m a 通道等外設，通過軟件設置等待周期的個數，不僅降 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 低了系統(tǒng)硬件設計的復雜性，而且為系統(tǒng)帶來了很大的靈活性，為硬件調換和軟件編程 帶來了極大的便利。因此本部分中考慮到系統(tǒng)功能的可擴展性，所使用的核心處理器是 由1 1 公司生產的1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 。 4 2 模塊硬件電路設計 模塊硬件電路的設計主要包括：d s p 最小系統(tǒng)電路的設計和d s p 存儲空聞的設計。 電路框圖如圖4 1 所示： lm 卸b 一數據存儲器 卜橢路p d s p ：一m a x3 1 1 1 e 盯m s 3 2 0 v c 5 4 l 們 d f l a s h 一 i 眥黼環(huán)p 卜讎路p 一：l 電源模塊 一 i 圖4 1d s p 系統(tǒng)模塊電路設計框圖 f i g 重1d s pm 0 d u l ec i r c u i t 4 ，2 1d s p 最小系統(tǒng)電路的設計 d s p 最小系統(tǒng)電路的設計主要包括電源管理模塊、掃描仿真口( j t a g ) 、復位電 路、時鐘電路和p l l 鎖相環(huán)的設計。 ( 1 ) 電源轉換電路 為了降低芯片功耗，1 1 公司的芯片采用的是雙供電模式，即內核電壓和功d 的電壓 分開的方式。本系統(tǒng)中v c 5 4 1 6 的i ，o 口的工作電壓為3 3 v ，內核工作電壓為1 6 v 。由 于目前沒有輸出固定電壓為3 3 v 和1 6 v 的電源芯片，因此電源管理模塊采用的是1 1 輸出電壓可調的t p s 7 6 7 d 3 0 1 ，通過計算輸出電阻的大小使其輸出3 3 v 和1 6 v 兩種電 壓。電源模塊需要注意的是濾波電容的選擇，因為電壓質量的好壞直接影響后面系統(tǒng)的 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 穩(wěn)定性。濾波電容盡可能的選擇濾波質量好，并且穩(wěn)定性好的電容。綜合上述，本系統(tǒng) 中選用的是穩(wěn)定性較好的膽電容。本部分電源電路如圖4 2 所示。 圖4 2 電源轉換電路 f i g 4 2p 傭e rs u p p l yc i r c u i t ( 2 ) 掃描仿真口( j t a g ) 仿真器即擴展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進行系統(tǒng)級的集成調試，使進行d s p 芯片軟硬仵 開發(fā)的最佳工具。目前主要有兩種仿真器；一種是傳統(tǒng)的電路仿真器，另一種是先進的 掃描仿真器?，F在d s p 常用的是第二種仿真器。d s p 芯片內部是通過移位寄存器掃描 鏈實現掃描仿真，這個掃描鏈被外部的串行口訪問。采用掃描仿真，即使芯片已經焊在 電路板上，也可以進行仿真調試，這對于再生產過程中調試d s p 系統(tǒng)也帶來極大的方 便。 ( 3 ) 復位電路 對于實際的d s p 應用系統(tǒng)，特別是產品化的d s p 系統(tǒng)，其可靠性是一個不容忽視 的問題，由于系統(tǒng)的時鐘頻率較高，在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現象，嚴重 時可能會出現死機現象。為了克服這種情況，除了在軟件作一些保護措施外，硬件上也 必須作相應的處理。硬件上最有效的保護措施就是采用具有監(jiān)視功能的自動復位電路。 本系統(tǒng)選用的m a x 公司的復位芯片m a x 7 0 6 r c p a 來實現對系統(tǒng)的復位功能。 ( 4 ) p l l 鎖相環(huán) 1 4 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 早期的d s p 芯片一般工作頻率較低，因此其工作頻率與外部提供的頻率相等或是 外部頻率的2 分頻或4 分頻。隨著d s p 芯片速度的提高，外部頻率很高，如果仍采用 此種方式，必然產生高頻干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，現在的d s p 芯片提供了多 種工作方式。不僅具有傳統(tǒng)的分頻方式，而且采用更加靈活的可編程p l l 方式。 1 m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 是屬于軟件可編程p l l 方式，軟件可編程p l l 受一個存儲器映射( 地 址為5 s h ) 的時鐘模式寄存器c l k m d 控制，在d s p 的程序中設置c u i d 的值，可 以改變p l l 時鐘模塊的配置。復位后的c l k m d 的值是根據d s p 芯片三根輸入引腳 c l k m d l c l l 3 確定，從而確定d s p 復位后的工作時鐘，然后通過軟件設置p l l 改變工作頻率。本系統(tǒng)中的c l k m d l c l k m d 3 利用跳線被設置為1 lo _ 使系統(tǒng)上電的 工作頻率為1 6 m h z 。 4 2 2d s p 存儲空間設計 v c 5 4 1 6 處理器具有2 3 根地址線，有三個獨立編址的存儲空間，其中程序存儲空間 為8 m ，數據存儲空間為6 4 k 和存儲空間為6 4 k 。程序存儲空間用于裝載程序指令 和常數表：數據存儲空間存放程序指令使用的臨時變量；i ，o 空間則為外部設備提供了 一個存儲器映射接口，并且可以作為額外的數據存儲器。在任何一個存儲空間內，根據 不同的映射不同空間的器件都可以駐留在片內或片外p m 。 v c 5 4 1 6 具有豐富的片上存儲器資源，包括“k x l 6 b i t 的片上雙訪問r a m ( d 蚶認m ) 和6 4 k x l 砌t 的片上單訪問r a m ( s a r a m ) 。d 舢r a m 被劃分為8 塊不同的地址期間， 每塊8 k 字。在同一個可以對同一塊d 舢乙m 進行兩次讀操作，或是一次讀一次寫操作， 這樣大大提高了程序執(zhí)行的速度。s a r a m 被劃分為8 塊不同的地址期間，每塊8 k 。每 一塊都是單訪闖存儲器，也就是在同一個指令周期一個指令字能將一個數據字從個 s a 認m 塊寫到另一個s 川恥w 塊。 可用軟件編程方法，對影響片上存儲器分配的三個控制位進行設置，控制片上存儲 器是否配置到存儲空間，并指定片上存儲器是配置到程序空間還是數據存儲空間。 ( 1 ) m p # m c ：當此位為0 時，允許片上r o m 配置到程序空間中：當此位為l 時， 禁止片上r o m 配置到程序存儲空間中。 d s p 系統(tǒng)網絡接入技術的研究與實現 ( 2 ) o v l y ：當0 v l y = l 時，片上r 觸訌配置到程序空間和數據空間；當o v l y = o 時，片上r a m 僅配置到數據存儲空間。 ( 3 ) d r o m ：d r m 仁l 時，片上r o m 部分配置到數據存儲空間：d r o 仁o 時， 片上r o m 部分不被配置到數據存儲空間。d r o m 與m p ， i c 拌的狀態(tài)無關。 v c 5 4 1 6 使用一個頁擴展存儲器結構可尋址的程序空間為8 m ，為了完成這種結構， v c 5 4 1 6 有許多不同于其它5 4 x 系列d s p 的特征： 地址總線為2 3 根，而不是1 6 根。 具有一個擴展存儲器寄存器) 口c 。 六條可訪問擴展程序空問的指令。 v c 5 4 1 6 的程序空間有1 2 8 頁組成，每頁鯽【字。當片上ra m 映射到程序空間時， 每頁程序存儲器由兩部分組成；一個每頁都公用的3 2 k 字，一個是每頁獨立的3 2 k 字。 公用的3 2 k 存儲空問為每頁共同使用的同一個存儲器，每頁獨立的3 2 k 存儲空間通過 特定的頁進行訪問剛。 d s p 的d r o m 、m p 伍化群、o v l y 三個控制位決定了d s p 的存儲空間分配，使得 d s p 可以訪問外部的數據空間、程序空間。本系統(tǒng)是在d s p 內部執(zhí)行程序，需要的是 將內部r o m 映射到程序空間，使得系統(tǒng)從在片r o m 的o x f f 8 0 處開始執(zhí)行程序，因此 設置m p m c 舉卸。此位還必須與d s p 的外部管腳m p m c 撐一致，即必須設置d s p 的外 圍硬件m p ，m c 撐與地相接。 同時系統(tǒng)的要求是將外部程序存儲器中的程序代碼加載到內部的高速l 認m 中，需 要將d s p 內部的r a m 映射到程序存儲空間去，因此設置o v l y = l ，使得d s p 芯片的 內部r a m 可以映射到程序空間和數據空間。但其中需注意的是內部r a m 映射到程序 空間和數據空間的地址空間不可以重疊。例如：d r a m 的0 x 0 0 8 0 o x 2 0 0 0 的地址空間 映射到程序空間，則這部分的r a m 就不能再映射到數據空間，并且也就喪失這段數據 空間。 根據系統(tǒng)脫機運行的要求，本系統(tǒng)在d s p 外擴了一片f l a s h 芯片s s t 3 9 珥o o a ， 根據d s p 系統(tǒng)程序加載的特點，將f l a s h 地址為o ) 【8 0 0 御r 的存儲區(qū)在程序下載 的過程中映射到d s p 的數據空間。 1 6 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 4 3t m s 3 2 0 v c 5 4 16b o o tl d e r 程序設計 d s p 應用系統(tǒng)設計的最后一步是b o o n o a d e r 程序的實現。b t l o a d 盯是對單片機的 改進。通常單片機程序是通過把單片機放入專用燒寫器中將程序燒入其中的e e p r o m 中，然后將單片機裝入功能板上工作p 列。d s p 為了增加系統(tǒng)軟件下載調試的靈活性，將 這個e e p i m m 等存儲器放置到片外，由一片或幾片f l a s hr o m 來代替；d s p 的內部 r o m 固化了一個稱為b o o t 的程序，在d s p 上電硬復位( 小但， d c = o ) 后，d s p 自動執(zhí) 行這個b o o t 程序，將外部f l a s hi m 的系統(tǒng)程序導入d s p 內部的高速r a m 程序存 儲空問中。 可編程的數字化芯片如t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 從上電復位到進入正常工作狀態(tài)前一瞬間 的這個階段稱為b 0 0 t 階段。有些簡單的可編程數字化芯片，當上電復位后，它的程序 指針自動指到一個固定的入口地址，程序設計者必須將程序可執(zhí)行代碼的首地址放在這 個入口地址處。對于c 5 0 0 0 系列d s p 來說，當上電復位后，程序指針自動指向r o m 中 的一個稱為b o o t l o a d e