北汽福田股份有限公司諸城奧鈴汽車廠 張育紅

一、引言

在許多工業(yè)設備中，由于考慮的數(shù)據(jù)傳輸速度的問題及其現(xiàn)在以太網(wǎng)的網(wǎng)速越來越高，技術越來越成熟，很多工業(yè)設備已經考慮用以太網(wǎng)通信協(xié)議，從而代替串口通信。在以太網(wǎng)通信中，由于TCP/IP協(xié)議具有可重傳和應答機制，UDP協(xié)議不需要應答。所以TCP/IP協(xié)議的應用更加受人們的青睞。

二、TCP/IP通信協(xié)議的結構

1、表1是TCP/IP在網(wǎng)絡7層結構中的位置。

表1 TCP/IP在網(wǎng)絡7層結構中的位置

TCP/IP協(xié)議在上面的7層中用到了其中的五層。

1)應用層，可以根據(jù)自己的需要進行設計，不一定是Telnet，F(xiàn)TP，email。在工業(yè)應用中可以是MODBUS協(xié)議或者其他的協(xié)議，根據(jù)需要來決定。應用數(shù)據(jù)在TCP/IP數(shù)據(jù)包中在鏈路上傳輸，通信雙方需要進行數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)打包的工作。

2)運輸層，主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在TCP/IP協(xié)議族中，有兩個互不相同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。

TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡層，確認接收到的分組，設置發(fā)送最后確認分組的超時時鐘等。由于運輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應用層可以忽略所有這些細節(jié)。TCP是一個面向連接的協(xié)議。無論哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)之前，都必須先在雙方之間建立一條連接。其他層是保證數(shù)據(jù)傳輸正確的一個通道傳輸。

而另一方面，UDP則為應用層提供一種非常簡單的服務。它只是把稱作數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達另一端。任何必需的可靠性必須由應用層來提供。這兩種運輸層協(xié)議分別在不同的應用程序中有不同的用途。

3)網(wǎng)絡層，有時也稱作互聯(lián)網(wǎng)層，處理分組在網(wǎng)絡中的活動，例如分組的選路。在TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡層協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議），ICMP協(xié)議（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議），以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）。

ICMP是IP協(xié)議的附屬協(xié)議。IP層用它來與其他主機或路由器交換錯誤報文和其他重要信息。盡管ICMP主要被IP使用，但應用程序也有可能訪問它。我們在通信建立連接后通常會用到ping指令來訪問另一臺主機是否建立連接，ping就是用了ICMP協(xié)議。

ARP（地址解析協(xié)議）和RARP（逆地址解析協(xié)議）是某些網(wǎng)絡接口（如以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)）使用的特殊協(xié)議，用來轉換IP層和網(wǎng)絡接口層使用的地址。通信雙方，客戶端知道服務器端的IP地址，但是不知道對應的物理地址（MAC地址），就發(fā)送一條ARP請求協(xié)議，服務器端看到是自己的IP地址，就發(fā)ARP應答數(shù)據(jù)給客戶端，至此，雙方的IP地址和MAC地址都是互知的。

2、具體到實際應用中TCP/IP協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中如何封裝和分用。

A、數(shù)據(jù)封裝。

圖1的1-5數(shù)據(jù)進行層層封裝最后通過鏈路發(fā)送。下面具體解釋。

圖1

圖2 硬件框圖

1)在一個嵌入式產品中，比如儀表型產品，需要把儀表的測量信息通過TCP/IP協(xié)議送到后臺的控制軟件那里進行匯總，儀表本身測量到一些基本信息，比如電流，電壓等這些就是屬于用戶數(shù)據(jù)。

2)用戶數(shù)據(jù)直接發(fā)送到服務器端，服務器是不知道什么意思的，一堆數(shù)字無法解析。在儀表通信中常用的MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)進行一次封裝。這樣數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器端，服務器根據(jù)MODBUS協(xié)議可以知道是那些具體信息。這就是應用層數(shù)據(jù)的首部信息。

3)應用數(shù)據(jù)準備OK后，當應用程序用TCP傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被送入?yún)f(xié)議棧中，首先到得是傳輸層，TCP協(xié)議會給應用數(shù)據(jù)增加自己的TCP首部。形成TCP段。TCP首部有20個字節(jié)。

4)形成TCP段傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層，IP協(xié)議會給數(shù)據(jù)增加IP首部，IP首部也是20個字節(jié)。形成IP段。

5)IP段數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層將自己的以太網(wǎng)首尾部信息增加到數(shù)據(jù)上，就完成了數(shù)據(jù)的全部封裝。數(shù)據(jù)發(fā)送到鏈路上進行傳輸。

B、數(shù)據(jù)分用。

當目的主機收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議棧中由底向上升，同時去掉各層協(xié)議加上的報文首部。每層協(xié)議都要去檢查報文首部中的協(xié)議標識，以確定接收數(shù)據(jù)的上層協(xié)議。這個過程稱作分用。直到應用層數(shù)提取出來。

圖3

三、硬件環(huán)境

我們現(xiàn)在用TI公司的TMS28335與亞信公司的AX88796B來設計。由于TI的DSP技術比較成熟，運算速度快可以達到150MHz，支持浮點運算，外設比較豐富幾乎包括所有的外設接口。目前很多工控產品用這款芯片。同時由于現(xiàn)在很多工控產品已經傾向于用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的快速交換。AX88796B性價比高，支持全雙工，100M流量，完全滿足我們的設計需求。

如硬件框圖圖2。對XZCS0和PWMA6信號線進行分析。

XZCS0作為片選信號。由于AX88796B是映射到TMS28335的某個外設地址（External Memory）的，可以在XZCS0，XZCS6，XZCS7之間任意選擇一個位置來映射。

PWMA6是TMS28335做外部中斷的一個腳。與AX88796B的外部中斷輸出腳相連。網(wǎng)卡芯片接收到外部數(shù)據(jù)后存放在網(wǎng)卡芯片緩沖環(huán)中，會產生一個外部中斷信號。TMS28335接收到這個中斷信號以后就接收數(shù)據(jù)，從網(wǎng)卡芯片緩沖環(huán)中將數(shù)據(jù)讀取到TMS28335中，進行TCP/IP協(xié)議處理。AX88796B就是七層結構中的物理層。

四、以太網(wǎng)移植UIP協(xié)議的過程

uip是專為8位和16位的嵌入式微控制器設計的微型TCP/IP協(xié)議棧，uIP提供了網(wǎng)絡通信所必須的協(xié)議，本身代碼和占用的內存數(shù)都非常少-uIP的源代碼只有幾KB，RAM占用僅幾百字節(jié)?？偟膬却嬲加脤⒁蕾嚕悍峙淞硕嗌賯€TCP鏈接數(shù)，分配了多少個ARP表項，分配了多大的包緩沖。這些在編譯時候可以設置。每一個正在監(jiān)聽的TCP端口增加額外的2個字節(jié)內存。

1、下面是我們項目的配置

#define UIP_ARPTAB_SIZE 10

(分配了10個ARP表項)

#define UIP_BUFSIZE 297

(一個297字節(jié)大小的包緩沖)

#define UIP_CONNS 10

(10個TCP連接數(shù))

#define UIP_TIME_WAIT_TIMEOUT 60

(定義超時時間為60個時鐘節(jié)拍）

2、軟件處理流程

在硬件設計的時候配置了一個外部中斷IO口，所在如果網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)會觸發(fā)一個中斷，TMS28335通過執(zhí)行interrupt void XINT1_ISR(void)這樣的外部中斷來處理數(shù)據(jù)包。代碼示例?？紤]到中斷不可能處理太多東西，要不占用資源太多，影響CPU的正常工作，所以在中斷里面只進行讀網(wǎng)卡芯片數(shù)據(jù)的過程。在這個中斷里面再使能另一個中斷，當讀網(wǎng)卡芯片的中斷退出來后通過中斷優(yōu)先級的分配，進入到PieCtrlRegs.PIEIFR10.bit.INTx1=1所使能的中斷中執(zhí)行TCP/IP的數(shù)據(jù)處理，這個中斷的優(yōu)先級比較低。

在新開的這個低優(yōu)先級的中斷里面進行協(xié)議處理，代碼如下：

另外還有一個定時中斷處理，每隔500毫秒秒調用一次。這個中斷中主要做2件事情。第一是輪訓UIP_CONNS定義的連接，判斷是否有連接超時時間到，如果到就關閉連接，該連接的資源空出來。第二件事情就是每隔10秒鐘將UIP_ARPTAB_SIZE個長度的ARP緩沖表的數(shù)據(jù)清空。然后在正常收到TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的時候再進行數(shù)據(jù)更新。

3、UIP下載包各個文件功能描述

Uip.c——是主要的處理TCP/IP協(xié)議的文件。

其中函數(shù)Void uip_process(Uint16 flag)是協(xié)議處理程序的入口處。

Uip_arch.c是IP數(shù)據(jù)包進行校驗和計算

Uip_arp.c是ARP請求處理的函數(shù)

Uipopt.h是TCP/IP協(xié)議配置的宏定義

由于協(xié)議包里面的內容基本不用怎么改變，只要把外部的配置調整好，寫好網(wǎng)卡驅動程序，編譯就可以調試了。通過PING指令可以PING到局域網(wǎng)內的其他主機?；蛘呤桥c應用程序配套的TCP/IP協(xié)議都是可以通信正常的。

五、結束語

UIP協(xié)議棧的成功移植，再配合MODBUS TCP/IP協(xié)議的應用，我們的工控產品可以快速的和其他設備進行快速的通信。比之485通信速度高了很多，優(yōu)勢明顯。