嵌入式系统网络接口

第7章嵌入式系统网络接口7.1以太网接口嵌入式系统通常使用的以太网协议是IEEE802.3标准。从硬件的角度看，802.3模型层间结构如图7.1.1所示，以太网接口电路主要由媒质接入控制MAC控制器和物理层接口（PhysicalLayer，PHY）两大部分构成。图7.1.1802.3模型层间结构1．传输编码在802.3版本的标准中，没有采用直接的二进制编码（即用0V表示“0”，用5V表示“1”），而是采用曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）或者差分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding），不同编码形式如图7.1.2所示。图7.1.2不同编码形式其中：曼彻斯特编码的规律是：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示为“0”，从低到高的跳变表示为“1”。差分曼彻斯特编码的规律是：每位的中间也有一个电平跳变，但不用这个跳变来表示数据，而是利用每个码元开始时有无跳变来表示“0”或“1”，有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码相比，前者编码简单，后者能提供更好的噪声抑制性能。在802.3系统中，采用曼彻斯特编码，其高电平为+0.85V，低电平信号为-0.85V，这样指令信号电压仍然是0V。2．802.3Mac层的帧802.3Mac层的以太网的物理传输帧如表7.1.1所示。表7.1.1802.3帧的格式●PR：同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率，是56位的的二进制数101010101010…，最后2位是10。●SD：分隔位，表示下面跟着的是真正的数据而不是同步时钟，为8位的10101011。●DA：目的地址，以太网的地址为48位（6个字节）二进制地址，表明该帧传输给哪个网卡。如果为FFFFFFFFFFFF，则是广播地址。广播地址的数据可以被任何网卡接收到。●SA：源地址，48位，表明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡地址，同样是6个字节。●TYPE：类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同协议的类型字段不同。如：0800H表示数据为IP包，0806H表示数据为ARP包，814CH是SNMP包，8137H为IPX/SPX包。小于0600H的值是用于IEEE802的，表示数据包的长度。●DATA：数据段，该段数据不能超过1500B。因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514E（14B为DA，SA，TYPE）。●PAD：填充位。由于以太网帧传输的数据包最小不能小于60B，除去（DA、SA、TYPE的14B），还必须传输46B的数据，当数据段的数据不足46B时，后面通常是补0（也可以补其他值）。●FCS：32位数据校验位。32位的CRC校验，该校验由网卡自动计算，自动生成，自动校验，自动在数据段后面填入。不需要软件管理。●通常，PR、SD、PAD、FCS这几个数据段都是网卡（包括物理层和Mac层的处理）自动产生的，剩下的DA、SA、TYPE、DATA这4个段的内容是由上层的软件控制的。3．以太网数据传输的特点●所有数据位的传输由低位开始，传输的位流是用曼彻斯特编码。●以太网是基于冲突检测的总线复用方法，冲突退避算法是由硬件自动执行的。●以太网传输的数据段的长度，DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小为60B，最大为1514B。●通常的以太网卡可以接收3种地址的数据，一个是广播地址，一个是多播地址（或者叫组播地址，在嵌入式系统中很少用到），一个是它自己的地址。但有时，用于网络分析和监控，网卡也可以设置为接收任何数据包。●任何两个网卡的物理地址都是不一样的，是世界上唯一的，网卡地址由专门机构分配。不同厂家使用不同地址段，同一厂家的任何两个网卡的地址也是唯一的。根据网卡的地址段（网卡地址的前3个字节）可以知道网卡的生产厂家。7.1.2嵌入式以太网接口的实现方法在嵌入式系统中增加以太网接口，通常有如下两种方法实现：（1）嵌入式处理器＋网卡芯片这种方法只要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。此方法通用性强，对嵌入式处理器没有特殊要求，不受处理器的限制，但是，嵌入式处理器和网络数据交换通过外部总线（通常是并行总线）交换数据，速度慢，可靠性不高，电路板走线复杂。目前常见的以太网接口芯片，如CS8900、RTL8019/8029/8039、DM9008及DWL650无线网卡等。（2）带有以太网接口的嵌入式处理器带有以太网接口的嵌入式处理器通常是面向网络应用而设计的，要求嵌入式处理器有通用的网络接口（比如：MII接口），处理器和网络数据交换通过内部总线，速度快。7.1.3在嵌入式系统中主要处理的以太网协议TCP/IP是一个分层的协议，包含有用于层、传输层、网络层、数据链路层、物理层等。每一层实现一个明确的功能，对应一个或者几个传输协议。每层相对于它的下层都作为一个独立的数据包来实现。典型的分层和每层上的协议如表7.1.2所示。表7.1.2TCP/IP协议的典型分层和协议1．ARP（AddressResolationProtocol，地址解析协议）网络层用32位的地址来标识不同的主机（即IP地址），而链路层使用48位的物理（MAC）地址来标识不同的以太网或令牌环网接口。只知道目的主机的IP地址并不能发送数据帧给它，必须知道目的主机网络接口的物理地址才能发送数据帧。ARP的功能就是实现从IP地址到对应物理地址的转换。源主机发送一份包含目的主机IP地址的ARP请求数据帧给网上的每个主机，称作ARP广播，目的主机的ARP收到这份广播报文后，识别出这是发送端在询问它的IP地址，于是发送一个包含目的主机IP地址及对应的物理地址的ARP回答给源主机。为了加快ARP协议解析的数据，每台主机上都有一个ARPcache存放最近的IP地址到硬件地址之间的映射记录。其中每一项的生存时间（一般为20分钟），这样当在ARP的生存时间之内连续进行ARP解析的时候，不需要反复发送ARP请求了。2．ICMP（InternetControlMessagesProtocol，网络控制报文协议）ICMP是IP层的附属协议，IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要控制信息。ICMP报文是在IP数据包内部被传输的。在Linux或者Windows中，两个常用的网络诊断工具ping和traceroute（Windows下是Tracert），其实就是ICMP协议。3．IP（InternetProtocol，网际协议）IP工作在网络层，是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据包格式传输（IP封装在IP数据包中）。IP数据包最长可达65535字节，其中报头占32位。还包含各32位的源IP地址和32位的目的IP地址。TTL（time-to-live，生存时间字段）指定了IP数据包的生存时间（数据包可以经过的最多路由器数）。TTL的初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据包就被丢弃，并发送ICMP报文通知源主机重发。IP提供不可靠、无连接的数据包传送服务，高效、灵活。不可靠（unreliable）的意思是它不能保证IP数据包能成功地到达目的地。如果发生某种错误，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据包，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。无连接（connectionless）的意思是IP并不维护任何关于后续数据包的状态信息。每个数据包的处理是相互独立的。IP数据包可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据包（先是A，然后是B），每个数据包都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。IP的路由选择：源主机IP接收本地TCP、UDP、ICMP、GMP的数据，生成IP数据包，如果目的主机与源主机在同一个共享网络上，那么IP数据包就直接送到目的主机上。否则就把数据包发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据包。最终经过数次转发到达目的主机。IP路由选择是逐跳（hop-by-hop）进行的。所有的IP路由选择只为数据包传输提供下一站路由器的IP地址。4．TCP（TransferControlProtocol，传输控制协议）TCP协议是一个面向连接的可靠的传输层协议。TCP为两台主机提供高可靠性的端到端数据通信。它所做的工作包括：①发送方把应用程序交给它的数据分成合适的小块，并添加附加信息（TCP头），包括顺序号，源、目的端口，控制、纠错信息等字段，称为TCP数据包。并将TCP数据包交给下面的网络层处理。②接受方确认接收到的TCP数据包，重组并将数据送往高层。5．UDP（UserDatagramProtocol，用户数据包协议）UDP协议是一种无连接不可靠的传输层协议。它只是把应用程序传来的数据加上UDP头（包括端口号，段长等字段），作为UDP数据包发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。可靠性由应用层来提供。因为协议开销少，和TCP协议相比，UDP更适用于应用在低端的嵌入式领域中。很多场合如网络管理SNMP，域名解析DNS，简单文件传输协议TFTP，大都使用UDP协议。6.端口TCP和UDP采用16位的端口号来识别上层的TCP用户，即上层应用协议，如FTP和TELNET等。常见的TCP/IP服务都用众所周知的1～255之间的端口号。例如FTP服务的TCP端口号都是21，Telnet服务的TCP端口号都是23。TFTP（简单文件传输协议）服务的UDP端口号都是69。256～1023之间的端口号通常都是提供一些特定的UNIX服务。TCP/IP临时端口分配1024～5000之间的端口号。7.1.4网络编程接口BSD套接字（BSDSockets）使用的最广泛的网络程序编程方法，主要用于应用程序的编写，用于网络上主机与主机之间的相互通信。很多操作系统都支持BSD套接字编程。例如，UNIX、Linux、VxWorks、Windows的Winsock基本上是来自BSDSockets。套接字（Sockets）分为StreamSockets和DataSockets。StreamSockets是可靠性的双向数据传输，对应使用TCP协议传输数据；DataSockets是不可靠连接，对应使用UDP协议传输数。下面给出一个使用套接字接口的UDP通信的流程。UDP服务器端和一个UDP客户端通信的程序过程：（1）创建一个Socket：sFd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）（2）把Socket和本机的IP，UDP口绑定：bind（sFd，（structsockaddr*）&serverAddr，sockAddrSize）（3）循环等待，接收（recvfrom）或者发送（sendfrom）信息。（4）关闭Socket，通信终止：close（sFd）7.1.5以太网的物理层接口及编程大多数ARM都内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接口（MediaIndependentInterfaceMII）和带缓冲DMA接口（BufferedDMAInterface，BDI），可在半双工或全双工模式下提供10M/100Mbps的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持CSMA/CD协议；在全双工模式下，支持IEEE802.3MAC控制层协议。ARM内部虽然包含了以太网MAC控制，但并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。常用的单口10M/100Mbps高速以太网物理层接口器件均提供MII接口和传统7线制网络接口，可方便地与ARM接口。以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10BASE-TX编码／解码器和双绞线媒体访问单元等。如CS8900、RTL8019/8029/8039等。CS8900A