搜索
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