2021年04月15日 | 基于ARM9 的UDP 协议栈的设计与实现

摘 要：为了满足以太网通信过程中大数据量的快速传输的需求，往往可以牺牲一些可靠性换来高速的数据传输.根据方案，文中设计了一套基于YLP2440 的UDP 通信系统，实现了简单实用的UDP 通信协议.首先介绍了系统整体硬件结构，然后完成了以太网通信系统软件设计，以DM9000A以太网卡驱动程序为基础，通过裁剪移植TCP/ IP 协议栈，实现了系统数据的接收和发送.对系统UDP 和ARP 通信进行了测试，结果表明UDP 通信系统整体稳定可靠，并且系统开销小.数据传输速度快，能够满足实际应用需求.

0 引 言

随着嵌入式技术和网络技术的迅速发展，以太网接口在嵌入式系统中的应用越来越广泛.以太网通信速度快.通用，可直接与Internet 相连接，提供更大范围的远程访问.目前在工控嵌入式领域，网络通信通常采用UDP 和TCP 协议.UDP 与TCP 相比，UDP 使用非连接的.不可靠的通信方式，因此网络传输速度快，实时性相对较好.文中设计实用S3C2440.以太网控制器DM9000和经过自行裁剪的TCP / IP 协议栈，构成嵌入式系统的以太网接口，实现UDP 通信.

1 系统的硬件介绍该系统采用优龙科技公司YLP2440 作为开发的硬件系统，YLP2440 采用三星S3C2440A作为CPU,最高主频400MHz,带有64MB SDRAM 和64MB NANDFlash 的外部存储器，有两个五线异步串行口，波特率高达115200bps,一个10M / 100M DM900AEP 网络接口卡，带有连接和传输指示灯.DM9000A 是一个全集成.功能强大.性价比高的快速以太网MAC 控制器，它带有一个通用处理接口.EEPROM 接口.10/ 100MPHY 和SRAM,采用单电源供电，可兼容3. 3V.5V 的IO 接口电平.DM9000A 同样支持MII （Media IndependentInterface,介质无关接口），它包含一系列可被访问控制的状态寄存器，这些寄存器是字节对齐的，在硬件或者软件复位时被设置成初始化.

硬件框图如图1 所示.

2 以太网软件的设计

2. 1 以太网卡控制器的初始化

首先DM9000A 自检，读取DM9000 的生产厂家ID和设备ID 与已经设定好的ID 进行比对，判断DM9000网卡是否存在，初始化DM9000A,它的过程就是适当配置DM9000A 寄存器的过程，具体过程分为以下几个步骤：

（1）启动DM9000A,设置CPCR[REG_1E] = 0×1,使DM9000 的GPIO3 为输出，GPR[REG_1F] =0×0,使DM9000 的GPIO3 输出为低以激活内部PHY.延时2ms 以上以等待PHY 上电.

（2）进行两次软复位，设置DM9000 为正常工作模式，根据芯片设计要求，要想使芯片在上电之后工作正常就要进行两次软复位，设置为NCR[REG_00] =0×01,NCR[REG_00] =0×00,这两步操作进行两次.

（3） 清除各种状态标志位和中断标志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

（4）设置接收和发送控制寄存器，并且设置FIFO的大小，RCR[REG_05] =0×39.TCR[REG_02] =0×00.FCTR[REG_09] =0×38.

（5）设置板子自身的MAC 地址.

（6）再一次清除各种状态标志位和中断标志位，NSR[REG_01] =0x2c,ISR[REG_FE] =0x3f.

（7）设置中断屏蔽寄存器，打开接收中断，IMR[REG_FF] =0×81.

当进行了以上步骤的设置之后，DM9000A 芯片就处于正常工作状态了.在以后进行通信的过程中，如果发生异常引起芯片重启，则再一次进行同样的设置.

2. 2 以太网卡数据的发送和接收

DM9000A 发送数据采用的是循环查询模式，接收数据采用的是中断模式，DM9000 内部有0x3FF 大小的SRAM 用于接收和发送数据缓存.在发送或接收数据包之前，数据是暂存在这个SRAM 中的.当需要连续发送或接收数据时，需要分别把DM9000 寄存器MWCMD 或MRCMD 赋予数据端口，这样就指定了SRAM 中的某个地址，并且在传输完一个数据后，指针会指向SRAM 中的下一个地址，从而完成了连续访问数据的目的.但当发送或接收一个数据后， 指向SRAM 的数据指针不需要变化时，则要把MWCMDX 或MRCMDX 赋予数据端口 .

发送数据比较简单，接收数据就略显复杂，因为它是有一定格式要求的.在接收到的一包数据中的首字节如果为0×01,则表示这是一个可以接收的数据包；如果为0×0,则表示没有可接收的数据包.因此在读取其他字节时，一定要先判断首字节是否为0×01.数据包的第二个字节为数据包的一些信息，它的高字节的格式与DM9000 的寄存器RSR 完全一致.第三个和第四个字节为数据包的长度.后面的数据就是真正要接收的数据了.

2. 2. 1 UDP 协议栈的裁剪实现

在系统中主要使用UDP 通信，只需要实现ARP协议.IP 协议，对TCP/ IP 协议进行部分的实现.UDP协议通信（即用户数据报协议）与TCP 一样都是属于传输层协议，位于IP（网际协议）协议的顶层.UDP 相对于TCP 是一种简单协议，提供的是最少的服务，编写的代码量也小，所需的程序和内存空间少，运行速度快.ARP 为IP 地址对应的硬件地址之间提供动态映射，发送终端把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时，是根据48bit 的以太网地址来确定目的接口的.设备驱动程序从不检查IP 数据报中的目的IP 地址.IP 协议是TCP/ IP 协议中最为核心的协议，它提供不可靠.无连接的数据报传送服务 .

2. 2. 2 数据的发送过程

数据发送过程如图2 所示.发送终端在第一次发送数据的时候，要知道接收端的IP 地址和端口号，还要得到对方的物理MAC 地址，因为两个终端最后通信是通过寻找对方的MAC 地址来进行的，因此首先得通过ARP 协议，把对方的IP 地址转换为MAC 地址，得到了物理地址之后才能通信.如果长时间不能得到这个物理地址，则只能说明请求失败，需要重新发送ARP 请求，ARP 的封装过程如图3（b）所示.

2. 2. 3 数据包的封装过程

UDP 协议数据包的封装在运输层进行，打好包的UDP 数据将送往网络层进行IP 协议的打包，UDP 要完成进程到进程的通信，把报文交付给正确的进程.当进程有报文要通过UDP 发送时，它就把这个报文连同一对套接字地址以及数据长度传递给UDP.UDP 收到数据后就加上UDP 首部，也就是UDP 数据包的封装如图3（c）所示.然后UDP 就把该用户数据包连同IP 加上自己首部，在协议字段使用值17,指出该数据是从UDP 协议来的，这个过程就是IP 数据包的封装过程如图3（a）所示.这个IP 数据包再传递给数据链路层.数据链路层收到IP 数据包之后，加上自己的首部（可能还有尾部），再传递给物理层.物理层把这些位编码为电信号或者光信号，然后把它发送到远程的机器.

2. 2. 4 数据的接收

系统接收数据采用的是中断模式.当网卡接收到数据时，就触发一个中断，启动中断服务程序.在中断服务程序中首先清除中断标志位，以防在接收数据的时候再次引发中断，然后判断寄存器MRMDX 的值，确定网卡是否接收到了数据，如果接收到了数据就要进行数据处理，也就是对数据包的解封，得到应用程序发送来的数据，如果没有得到数据则说明网卡初始化失败，重新初始化网卡.中断接收程序的流程图如图4所示.

在接收到以太网数据帧中，首先判断数据类型字段，如果是ARP 协议，则进入ARP 处理流程，如果是IP 协议，则进入IP 协议流程.ARP 协议处理过程：

首先判断ARP 包目的IP 地址是否与本地IP 地址一致，如果不一致，丢弃不处理；如果一致，再判断ARP类型，操作类型字段为1 时表示ARP 请求，调用ARP发送函数发送ARP 响应包.操作类型字段为2 时，记录下对方的MAC 地址，以后通信就是根据这个MAC传送数据的.

IP 协议处理过程如下所述：首先判断IP 包目的IP地址是否与本地IP 一致，如果不一致，丢弃不处理，如果一致，则再判断协议类型，是否为UDP 数据包，是就进入UDP 处理过程，不是就进入其他协议处理过程.

3 实验结果和分析

3. 1 ARP 通信测试

实验中测试了ARP 请求和UDP 通信，设置ARM开发板的IP 地址为219. 243. 50. 187,MAC 地址为0×52,0×54,0x4c,0×38,0xf7,0×42,PC 机的IP 地址为219. 243. 50. 188,MAC 地址为0×00,0×23,0x5A,0×15,0×73,0xF4.经过测试当开板向PC 发送ARP 请求时，PC 能够正确应答响应包，并且多次请求都能够得到正确的响应，证明ARP 协议能够稳定运行，实验结果如图5 所示.

当开发板得到了PC 机的MAC 地址之后，就可以与它进行正常的UDP 通信了.在中断程序之中判定协议类型，接收到的数据包是ARP 协议还是UDP 协议，当接收的是ARP 协议，则进行ARP 协议处理，得出图5 的实验结果，当得到的是UDP 协议，则进行UDP 协议处理，得出的实验结果如图6 所示.经过长时间的通信可以发现，传输的数据没有出现误码，可以说明这种通信方式比较稳定可行.

3. 2 UDP 通信测试

在UDP 通信实验中，设置两个数据终端的IP 地址和通信端口分别为219.243.50.187:6000,219.243.50.186:10005,然后发送数据，用抓包工具sniffer 抓包的结果如图6 所示.通过图中结果可以看出，SrcIP 为219. 243. 50. 87,Src Port 为6000,DestIP 为219. 243.50. 186,Dst Port 为10005,这都与设置的相同.Protocol为0×800 表示为UDP 协议类型，而且能够正确地接收到发送的数据，并且经过多次的实验，结果都是正确的，这证明系统通信稳定可靠，通过移植的协议栈能够正常的工作，达到了预期的目标.

4 结束语

文中实现了基于ARM9 和DM9000 芯片的UDP通信，成功地对TCP/ IP 协议栈裁剪移植实现UDP.ARP 等协议通信.详细介绍了DM9000 网卡驱动程序过程，并且实现了网口接收发送数据的功能，通过对大量数据的传输实验，证明了ARM9 和DM9000 构成的通信系统性能的稳定性.能够较好地解决大量数据通过UDP 协议通信的问题.