基于PPP的TMS320C6x嵌入式网络接口设计 - 工业/测控 - 电子工

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<strong>引 言</strong>

随着嵌入式应用的普及，嵌入式系统的联网问题日益引人关注。在信息化进程中，如何实现资源共享已经是几乎所有电气设备必须回答的问题，嵌入式系统也不例外。

在传统的工控领域，大量以单片机为代表的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和显示设备、过程控制设备等，面临更紧迫的联网需求。因为在工业化进程中，信息化正在发挥越来越重要的作用，而网络则是信息共享的基础。在工业自动化领域，由于应用环境千差万别，如何实现设备联网也见仁见智，方案之间差异很大。由于近几年电子技术的发展，以TCP/IP为代表的通用网络技术和标准在工业环境和生产现场的应用日益增多，开始逐渐被人们接受。但是，TCP/IP协议的真正优势在上层，它适合于大范围的信息共享。如何将品种繁多的现场设备联网并非TCP/IP所长，为了解决这个难题，人们想到了PPP（Point to Point Protocol）。

在TCP/IP协议族中，PPP本来是用来实现远程联结的，其特点是适应多种传输介质和可靠性高。在工业生产现场，这是两个被非常看重的优点，所以采用PPP作为嵌入式系统的联网协议已经引起广泛的关注[1]。为了利用PPP的优点，一些系统甚至在已经具备以太网的环境中仍然采用PPP，这就是所谓的以太网承载PPP技术（PPPoE）[2]。

<strong>1 TMS320C6x网络开发环境对PPP的支持</strong>

为了加速其高档DSP的网络化进程，TI结合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。该开发包采用紧凑的设计方法，实现了用较少的资源耗费支持TCP/IP。从实用效果看，NDK仅用200~250K程序空间和95K数据空间即可支持常规的TCP/IP服务，包括应用层的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很适合目前嵌入式系统的硬件环境，是实现DSP上网的重要支撑工具。

与常规的TCP/IP应用环境不同，为了最大限度地减少资源消耗，TI为其NDK采用了许多特殊技巧，重要的有：
① UDP socket和RAW socket不使用发送或接收缓冲区；
② TCP socket使用发送缓冲区，接收缓冲区依配置文件而定；
③ 低层驱动程序与协议栈之间通过指针传递数据，不对包进行复制拷贝；
④ 设置专门的线程清除存储器中的碎片和检查存储器泄露。

要特别注意“低层驱动程序与协议栈之间的通信”。因为在嵌入式系统中，低层驱动程序和应用程序一样均需要开发者自行设计。也就是说，在以NDK为基础的开发中，开发人员需要分别设计低层驱动程序和应用程序，这两部分程序通过NDK提供的TCP/IP包发生关联。程序的执行过程是：应用程序调用TCP /IP包，TCP/IP包再调用低层的驱动程序。

在NDK中，对低层驱动程序与TCP/IP包之间的接口作了明确规定。换言之，低层驱动程序必须符合接口约定，其要点是：
① 由低层驱动程序调用TCP/IP包函数创建PPP连接实例，在连接实例中，以回调函数的形式将用于处理数据发送的函数名传递给TCP/IP包；
② 当TCP/IP包有数据需要发送时，直接调用PPP创建时由低层驱动程序传递来的函数名；
③ 当低层驱动程序接收到网络数据时，调用TCP/IP包函数发送到IP层。

低层驱动程序直接面向硬件，为了适应硬件的多样性，在NDK中也提供了多种实现PPP的方法。

<strong>2 PPP低层驱动程序的任务和实现方案</strong>

PPP低层驱动程序在硬件和TCP/IP包之间传递PPP帧；但是，面向硬件和TCP/IP包的PPP帧是不同的。面向硬件的PPP帧由六个字段组成：
① Flag标志（7E），1字节；
② Address地址（FF），1字节；
③ Control控制（03），1字节；
④ Protocol协议，2字节；
⑤ Payload净荷，小于1500字节；
⑥ CRC检查和，2字节。

而面向TCP/IP包的PPP帧则只有④和⑤两个字段。所以，PPP低层驱动程序的任务可以归纳为：在硬件和TCP/IP包之间提供数据通道，在物理上实现链路层上的信息发送与接收，在逻辑上对PPP帧进行处理和加工。

在NDK中，通过TCP/IP 协议栈提供了三套实现PPP的函数。即低层 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低层PPP API 只能从内核层调用，用户应该非常熟悉内核的操作，如llEnter()/ llExit() 函数对等，对软件开发的限制较大，但应用范围宽广。HDLC API 可在用户程序中调用，由TCP/IP 协议栈实现，配合HAL层的串行驱动程序llSerial，提供在常规串口上的PPP能力，应用范围有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太网的PPP接口，对硬件端的要求更加严格。

为了使开发的PPP低层驱动程序具有较宽的适应能力，我们选择低层 PPP API作为开发的基础。低层 PPP API的函数包括：
pppNew() 创建一个PPP会话连接；
pppFree() 释放一个PPP会话连接；
pppTimer() 1s的定时器函数；
pppInput() 发送已接收到的PPP 输入缓冲区。

在低层 PPP API中最重要的是创建函数。通过对pppNew()的深入研究，我们可以把握住PPP低层驱动程序设计的关键之处。pppNew()的接口为：
HANDLE pppNew(HANDLE hSI ， uint pppFlags ，uint mru ， IPN IPServer ， IPN IPMask ， IPN IPClient, char *Username, char *Password, UINT32 cmap, void (*pfnSICtrl)(HANDLE， uint ， UINT32, HANDLE ));

pppNew包含有许多参数，重要的有：hSI 供回调函数使用的句柄、pppFlags 连接选项标志、mru 最大接收单元数以及网络地址和子网掩码、用户名称和口令等。其中，最重要的参数是回调函数的指针：pfnSICtrl 。当TCP/IP包需要通过PPP发送数据时，将使用该指针提供的函数。
　
回调函数由PPP低层驱动程序的开发人员负责编写，但它的接口是由pppNew的参数决定的。回调函数的接口界面为：
void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)

参数的含义为：hSI与特定PPP连接会话（由pppNew创建）相联系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代码，Data关于消息代码的附加信息。hPkt是最重要的，当消息代码为SI_MSG_ SENDPACKET时，表示发送数据包的句柄。

PPP 通常在三类情况下调用该回调函数，即：
① SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的连接状态已经改变；
② SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在请求一将数据帧编码和传输；
③ SI_MSG_PEERCMAP LCP 已经收到对等的 32 位异步字符映射。

<strong>3 编程举例</strong>

下面给出两段代码，说明在PPP低层驱动程序中如何接收和发送数据。
接收数据通过pppInput函数实现，核心代码如下：
HANDLE hPkt;
HANDLE hFrag;
uint Offset,ValidSize;
UINT8 *pb;
// 生成1500字节payload包
if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );
hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存储器碎片
pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包头指针
Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );
if( Offset <= 2 ) Offset = 0;
else Offset-=2;
pb += Offset; // 置pb指针到写数据开始处
// 利用指针“pb”向数据包中填充数据；hFrag是向PPP传
//递的句柄
FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );
return( hPkt );

发送数据的情况要复杂一些，需要使用回调函数。回调函数的结构如下：
void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )
{…switch( Msg )
{
case SI_MSG_CALLSTATUS:
if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )
{ // Close PPP
if( hSI→hPPP )
{
hTmp = hSI→hPPP;
hSI→hPPP = 0;
pppFree( hTmp );
}
break;
case SI_MSG_PEERCMAP:
break;
case SI_MSG_SENDPACKET:
// 确认数据包有效
// 取数据缓冲区参数
// 计算“净荷”（payload）的起始地址
// 发送数据
// 释放数据包
break;
}
}

<strong>结 语</strong>

自1994年PRECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP开发包以来，如何在以DSP为硬件环境的嵌入式系统中支持TCP/IP就一直引人关注。随着硬件水平的提高和应用的深入，基于DSP的TCP/IP应用日渐增多。由于嵌入式系统的特殊应用环境，它的链路层情况非常复杂,所以开发方法与常规的网络开发方式有稍许不同，NDK自身已体现出了这种差异。目前，将PPP应用在嵌入式系统中仍是一种新的、积极的尝试。在NDK中，提供了多种方式支持PPP通信。我们认为，在操作系统层面开发基于PPP的应用时，应该采用低层 PPP API，这样可以适应更多的应用需求和嵌入式应用环境。

<strong>参考文献</strong>

1. 关宇东.陈学泉.朱伟明 嵌入式单片机PPP协议的应用研究 [期刊论文] -电子技术应用2003(2)
2. Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000TCP/IP Network Developer' s Kit (NDK) Programmer's Guide 2001(10)
3. Forouzan Behrouz A TCP/IP Protocol Suite 2000

作 者：重庆大学 顾诚 罗建
来 源：单片机与嵌入式系统应用 2003（8）