基于ARM9和DM9000芯片解決UDP協(xié)議的通信問題

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(shí)性相對較好。文中設(shè)計(jì)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(gè)五線異步串行口，波特率高達(dá)115200bps，一個(gè)10M / 100M DM900AEP 網(wǎng)絡(luò)接口卡，帶有連接和傳輸指示燈.DM9000A 是一個(gè)全集成。功能強(qiáng)大。性價(jià)比高的快速以太網(wǎng)MAC 控制器，它帶有一個(gè)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(shí)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(jì)

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(gè)步驟：

（1）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(shí)2ms 以上以等待PHY 上電。

（2）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(jì)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。

（3） 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.

（4）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.

（5）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.

（7）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(gè)SRAM 中的。當(dāng)需要連續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)地址，并且在傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)后，指針會指向SRAM 中的下一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)后， 指向SRAM 的數(shù)據(jù)指針不需要變化時(shí)，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?shù)據(jù)中的首字節(jié)如果為0×01，則表示這是一個(gè)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(shí)，一定要先判斷首字節(jié)是否為0×01.數(shù)據(jù)包的第二個(gè)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(gè)和第四個(gè)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(bào)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(shí)，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(bào)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(bào)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(shí)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€(gè)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(shí)間不能得到這個(gè)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(bào)文交付給正確的進(jìn)程。當(dāng)進(jìn)程有報(bào)文要通過UDP 發(fā)送時(shí)，它就把這個(gè)報(bào)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(gè)過程就是IP 數(shù)據(jù)包的封裝過程如圖3（a）所示。這個(gè)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(shí)，就觸發(fā)一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，記錄下對方的MAC 地址，以后通信就是根據(jù)這個(gè)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U(xiǎn)DP 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(shí)，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(shí)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(gè)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.