1、【Word版本下載可任意編輯】 ARM9 的UDP 協議棧的設計與實現 摘 要：為了滿足以太網通信過程中大數據量的快速傳輸的需求，往往可以犧牲一些可靠性換來高速的數據傳輸.根據方案，文中設計了一套基于YLP2440 的UDP 通信系統，實現了簡單實用的UDP 通信協議.首先介紹了系統整體硬件構造，然后完成了以太網通信系統軟件設計，以DM9000A 以太網卡驅動程序為根底，通過裁剪移植TCP/ IP 協議棧，實現了系統數據的接收和發送.對系統UDP 和ARP 通信開展了測試，結果說明UDP 通信系統整體穩定可靠，并且系統開銷小.數據傳輸速度快，能夠滿足實際應用需求. 0 引 言 隨著嵌入式技術和

2、網絡技術的迅速發展，以太網接口在嵌入式系統中的應用越來越廣泛.以太網通信速度快.通用，可直接與Internet 相連接，提供更大范圍的遠程訪問.目前在工控嵌入式領域，網絡通信通常采用UDP 和TCP 協議.UDP 與TCP 相比，UDP 使用非連接的.不可靠的通信方式，因此網絡傳輸速度快，實時性相對較好.文中設計實用S3C2440.以太網控制器DM9000 和經過自行裁剪的TCP / IP 協議棧，構成嵌入式系統的以太網接口，實現UDP 通信. 1 系統的硬件介紹該系統采用優龍科技公司YLP2440 作為開發的硬件系統，YLP2440 采用三星S3C2440A 作為CPU,主頻400MHz,帶

3、有64MB SDRAM 和64MB NANDFlash 的外部存儲器，有兩個五線異步串行口，波特率高達115200bps,一個10M / 100M DM900AEP 網絡接口卡，帶有連接和傳輸指示燈.DM9000A 是一個全集成.功能強大.性價比高的快速以太網MAC 控制器，它帶有一個通用處理接口.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,介質無關接口），它包含一系列可被訪問控制的狀態存放器，這些存放器是字節對齊的，在硬件或者軟件復位時

4、被設置成初始化. 硬件框圖如圖1 所示. 2 以太網軟件的設計 2. 1 以太網卡控制器的初始化 首先DM9000A 自檢，讀取DM9000 的生產廠家ID和設備ID 與已經設定好的ID 開展比對，判斷DM9000網卡是否存在，初始化DM9000A,它的過程就是適當配置DM9000A 存放器的過程，具體過程分為以下幾個步驟： （1）啟動DM9000A,設置CPCR = 01,使DM9000 的GPIO3 為輸出，GPR =00,使DM9000 的GPIO3 輸出為低以激活內部PHY.延時2ms 以上以等待PHY 上電. （2）開展兩次軟復位，設置DM9000 為正常工作模式，根據芯片設計要求，

5、要想使芯片在上電之后工作正常就要開展兩次軟復位，設置為NCR =001,NCR =000,這兩步操作開展兩次. （3） 去除各種狀態標志位和中斷標志位，NSR =0 x2c,ISR =0 x3f. （4）設置接收和發送控制存放器，并且設置FIFO的大小，RCR =039.TCR =000.FCTR =038. （5）設置板子自身的MAC 地址. （6）再去除各種狀態標志位和中斷標志位，NSR =0 x2c,ISR =0 x3f. （7）設置中斷屏蔽存放器，打開接收中斷，IMR =081. 當開展了以上步驟的設置之后，DM9000A 芯片就處于正常工作狀態了.在以后開展通信的過程中，如果發生異常

6、引起芯片重啟，則再開展同樣的設置. 2. 2 以太網卡數據的發送和接收 DM9000A 發送數據采用的是循環查詢模式，接收數據采用的是中斷模式，DM9000 內部有0 x3FF 大小的SRAM 用于接收和發送數據緩存.在發送或接收數據包之前，數據是暫存在這個SRAM 中的.當需要連續發送或接收數據時，需要分別把DM9000 存放器MWCMD 或MRCMD 賦予數據端口，這樣就指定了SRAM 中的某個地址，并且在傳輸完一個數據后，指針會指向SRAM 中的下一個地址，從而完成了連續訪問數據的目的.但當發送或接收一個數據后， 指向SRAM 的數據指針不需要變化時，則要把MWCMDX 或MRCMDX

7、賦予數據端口 . 發送數據比較簡單，接收數據就略顯復雜，因為它是有一定格式要求的.在接收到的一包數據中的首字節如果為001,則表示這是一個可以接收的數據包；如果為00,則表示沒有可接收的數據包.因此在讀取其他字節時，一定要先判斷首字節是否為001.數據包的第二個字節為數據包的一些信息，它的高字節的格式與DM9000 的存放器RSR 完全一致.第三個和第四個字節為數據包的長度.后面的數據就是真正要接收的數據了. 2. 2. 1 UDP 協議棧的裁剪實現 在系統中主要使用UDP 通信，只需要實現ARP協議.IP 協議，對TCP/ IP 協議開展部分的實現.UDP協議通信（即用戶數據報協議）與TCP

8、 一樣都是屬于傳輸層協議，位于IP（網際協議）協議的頂層.UDP 相對于TCP 是一種簡單協議，提供的是少的服務，編寫的代碼量也小，所需的程序和內存空間少，運行速度快.ARP 為IP 地址對應的硬件地址之間提供動態映射，發送終端把以太網數據幀發送到位于同一局域網上的另一臺主機時，是根據48bit 的以太網地址來確定目的接口的.設備驅動程序從不檢查IP 數據報中的目的IP 地址.IP 協議是TCP/ IP 協議中為的協議，它提供不可靠.無連接的數據報傳送服務 . 2. 2. 2 數據的發送過程 數據發送過程如圖2 所示.發送終端在次發送數據的時候，要知道接收端的IP 地址和端口號，還要得到對方的

9、物理MAC 地址，因為兩個終端通信是通過尋找對方的MAC 地址來開展的，因此首先得通過ARP 協議，把對方的IP 地址轉換為MAC 地址，得到了物理地址之后才能通信.如果長時間不能得到這個物理地址，則只能說明請求失敗，需要重新發送ARP 請求，ARP 的封裝過程如圖3（b）所示. 2. 2. 3 數據包的封裝過程 UDP 協議數據包的封裝在運輸層開展，打好包的UDP 數據將送往網絡層開展IP 協議的打包，UDP 要完成進程到進程的通信，把報文交付給正確的進程.當進程有報文要通過UDP 發送時，它就把這個報文連同一對套接字地址以及數據長度傳遞給UDP.UDP 收到數據后就加上UDP 首部，也就是

10、UDP 數據包的封裝如圖3（c）所示.然后UDP 就把該用戶數據包連同IP 加上自己首部，在協議字段使用值17,指出該數據是從UDP 協議來的，這個過程就是IP 數據包的封裝過程如圖3（a）所示.這個IP 數據包再傳遞給數據鏈路層.數據鏈路層收到IP 數據包之后，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，然后把它發送到遠程的機器. 2. 2. 4 數據的接收 系統接收數據采用的是中斷模式.當網卡接收到數據時，就觸發一個中斷，啟動中斷服務程序.在中斷服務程序中首先去除中斷標志位，以防在接收數據的時候再次引發中斷，然后判斷存放器MRMDX 的值，確定網卡

11、是否接收到了數據，如果接收到了數據就要開展數據處理，也就是對數據包的解封，得到應用程序發送來的數據，如果沒有得到數據則說明網卡初始化失敗，重新初始化網卡.中斷接收程序的流程圖如圖4所示. 在接收到以太網數據幀中，首先判斷數據類型字段，如果是ARP 協議，則進入ARP 處理流程，如果是IP 協議，則進入IP 協議流程.ARP 協議處理過程： 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 時表示ARP 請求，調用ARP發送函數發送ARP 響應包.操作類型字段為2 時，記錄下對方的MAC 地址，以后通信就是根據這個MA

12、C傳送數據的. IP 協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，則再判斷協議類型，是否為UDP 數據包，是就進入UDP 處理過程，不是就進入其他協議處理過程. 3 實驗結果和分析 3. 1 ARP 通信測試 實驗中測試了ARP 請求和UDP 通信，設置ARM開發板的IP 地址為219. 243. 50. 187,MAC 地址為052,054,0 x4c,038,0 xf7,042,PC 機的IP 地址為219. 243. 50. 188,MAC 地址為000,023,0 x5A,015,073,0 xF4.經過測試當開板向PC 發

13、送ARP 請求時，PC 能夠正確應答響應包，并且多次請求都能夠得到正確的響應，證明ARP 協議能夠穩定運行，實驗結果如圖5 所示. 當開發板得到了PC 機的MAC 地址之后，就可以與它開展正常的UDP 通信了.在中斷程序之中判定協議類型，接收到的數據包是ARP 協議還是UDP 協議，當接收的是ARP 協議，則開展ARP 協議處理，得出圖5 的實驗結果，當得到的是UDP 協議，則開展UDP 協議處理，得出的實驗結果如圖6 所示.經過長時間的通信可以發現，傳輸的數據沒有出現誤碼，可以說明這種通信方式比較穩定可行. 3. 2 UDP 通信測試 在UDP 通信實驗中，設置兩個數據終端的IP 地址和通信端口分別為87:6000,86:10005,然后發送數據，用抓包工具sniffer 抓包的結果如圖6 所示.通過圖中結果可以看出，SrcIP 為219. 243. 50. 87,Src Port 為6000,DestIP 為219. 243.50. 186,Dst Port 為10005,這都與設置的相同.Protocol為0800 表示為UDP 協議類型，而且能夠正確地接收到發送的數據，并且經過多次的實驗，結果都是正