摘  要： 搭建了一个基于DSP嵌入式系统的以太网接入硬件平台，给出了软件设计思路及具体实现方法，对开源的uIP协议栈进行裁剪和修改，完成了设备驱动程序的开发和嵌入式uIP协议栈的移植，最终实现了嵌入式系统接入以太网的功能，且其实现过程简单、成本较低。
关键词： DSP；uIP协议栈；接入以太网

　近年来，嵌入式技术发展迅速并在许多电子产品（如手持式、便携式）中都有广泛的应用[1]，而嵌入式产品网络化是当今社会一股不可抵挡的研究潮流。嵌入式系统必须具有网络互连功能才能快速地与设备通信，以太网是目前使用最广泛的局域网技术。由于有些嵌入式系统要求网络的实时性较高，因此本文使用精简TCP/IP协议栈——uIP协议栈来实现基于DSP的嵌入式系统以太网接入功能，下面详细阐述其设计与实现。
1 系统硬件平台
　TMS320C5000系列是16 bit定点DSP，通常被应用在如VoIP以及IP电话网关等通信领域中。基于DSP的嵌入式系统中选择的数字信号处理芯片是TI公司的TMS320VC5510芯片，网卡芯片选择的是由Cirrus Logic公司生产的CS8900AS芯片。系统硬件接口基本结构图如图1所示。

　TMS320VC5510芯片是由TI公司生产的第一个基于定点TMS320C55x核，具有低功耗、高性能的16 bit数字信号处理器[2]。Cirrus Logic公司专门设计了以太网控制器CS8900A，这款网卡芯片主要应用在对可靠性要求极高的工业控制领域中[3]。

2.1 底层驱动程序的设计
　本系统采用查询方式来完成CS8900A芯片的软件编程控制工作。这一工作主要分为以下3个过程：
　（1）首先是完成以太网控制芯片的初始化工作，由初始化函数ethernet_driver_init（void）来完成发送/接收配置寄存器的相关设置工作，如对CS8900A进行软件复位、设置以太网接口参数以及设置以太网的硬件地址。
　（2）若发送数据，则由数据发送函数ethernet_driver_write（）先将发送命令写入CS8900A的TxCMD寄存器中，其次在CS8900A的Txlength寄存器中写入将要发送的数据帧长度，接着检查BusStatus寄存器的PPD，待PPD处于空闲状态时将要发送的数据帧写入CS8900A中，最后CS8900A将自动决定数据帧以相应的报文根据TxCMD寄存器的设置向以太网上发送。
　（3）若以太网接收到数据包，则由数据接收函数ethernet_driver_write（）读取数据包，CS8900A将根据接收配置寄存器的设置自动对接收的报文进行预处理。
2.2 uIP协议栈的设计
　由瑞典计算机科学学院的Adam Dunkels开发的uIP协议栈是一种免费的、可实现的且非常小的TCP/IP协议栈，它是为8 bit和16 bit处理器专门设计的[5]。uIP协议栈是使用C语言编写的，它移植起来方便而且代码也相当简洁。uIP协议栈去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，简化了通信流程，占用的资源少，处理速度快。
　基于DSP的嵌入式系统uIP协议栈中，根据需要只实现了ARP、IP、ICMP、UDP协议。TCP提供面向连接的、可靠的、点对点的服务[6]，但TCP开销大，传输速度慢；虽然UDP是面向无连接的，由于UDP没有可靠性的保证机制，因此能以较快的速度进行数据通信；UDP协议的开销很小，传输率比TCP高出很多，实时性更强，所以uIP协议中采用UDP协议作为运输层协议。该uIP协议栈的网络体系结构如图3所示。

2.3 uIP协议栈的实现
　uIP协议栈的实现主要集中在uip.c的源文件里，代码简洁。图4所示为uIP整个系统的主程序流程图。在这个主程序流程图中，初始化工作是由底层硬件完成的，主要是对物理层的一些接口进行配置和绑定。uIP协议栈接收数据包的过程实际上就是对数据包进行解析，当网络驱动设备发送数据包过来时，首先读取数据包判断是IP包还是ARP包，如果是ARP包，则进行ARP处理；若是IP包，则判断其上层协议是UDP协议还是ICMP协议，再分别对其进行处理。当有数据发送时，网络驱动设备的硬件将自行判别数据包并且完成数据包的封装工作。

2.3.1 ARP协议
　ARP协议是由源文件Uip_arp.c实现的，其中包含uip_arp_init（）、uip_arp_timer（）、uip_arp_update（）、uip_arp_arpin（）和uip_arp_out（）5个函数。uip_arp_init（）完成ARP的初始化工作，初始化ARP首部、入口地址等。uip_arp_timer（）完成动态映射表的老化功能，这个函数每10 s被调用一次，若动态映射表里的映射关系在连续20 min内没有发生变化，则其映射将失效。uip_arp_update（）完成动态映射表的更新功能。void uip_arp_arpin（）对接收到的ARP分组进行处理。uip_arp_out（）完成ARP请求的自动发送功能，它是在即将发送一个IP分组前被调用。
2.3.2 IP协议
　IP协议由ip_recv和ip_send两个函数段来实现。ip_send函数段完成IP数据包的发送功能，接收上层协议传送过来的数据包加上IP首部进行封装，然后设置srcipaddr、destipaddr、proto及ipchksum，最后交给下层协议处理好发送；ip_recv函数段完成IP数据包的接收功能，当收到数据包时首先判断其vhl、length、destipaddr及ipchksum是否正确，然后根据IP报文首部的类型码将该数据包交给相应的上层协议处理。
2.3.3 ICMP协议
　ICMP协议主要由标志段icmp_input实现。ICMP协议在实现时比较简单，具体操作是将ICMP的报文字段从回送类型变成回送应答类型，再另外计算checksum并修改checksum字段。
2.3.4 UDP协议
　UDP协议主要由函数udpfound和udpsend两个标志段实现。udpfound函数段负责处理收到的UDP数据，包括取出源IP地址、目的地址和源端口，并判断它的端口号和校验和是否都正确，如果正确再获取目的端口，调用应用程序对接收到的数据包进行相应处理，否则丢弃。udpsend函数段完成UDP数据包的发送功能，如果接收到来自应用程序的数据，而这时又有数据要发送，那么首先分配空间给待发送的数据，然后拷贝数据到UDP数据包的数据部分，并对UDP首部各个字段对应的源端口号和目的端口号进行设置，最后再调用ip_send函数将欲发送的数据交给IP协议发送。
3 系统仿真
　利用计算机进行仿真时，在uIP协议栈中，将目标机（也就是开发板）的IP地址设置成129.27.137.103，区别于PC的129.27.137.104，即构成局域网使得它们能在同一个网段内进行通信。假设已经建立了一条成功的通信链路，这时应该出现当服务器发出命令，目标机立即会给出回应这样的结果。DOS操作系统下ICMP测试图如图5所示。从图5中可以得知，发送的4个ICMP数据包均得到了回应，其中最长的回应时间为18 ms，最短的回应时间不到1 ms，平均回应时间为10 ms。这时说明开发板与计算机建立了一条可靠的连接，ping通信成功，为系统各功能的实现，提供了可靠的基础。

　本文利用计算机进行了仿真测试，完成了DSP与PC的ping通信，实现了基于DSP的嵌入式系统接入以太网的功能。但仍需解决的问题是，由于UDP协议不可靠、面向无连接，难免会出现数据包乱序到达、数据包丢失的现象。因此针对这些现象可以对数据进行一些处理，如对每一组数据进行顺序标记，这样可以在应用层发现数据的丢失和乱序，从而予以更正；在数据包前后加一校验码保证接收数据正确等，这将在后续工作中讨论。
参考文献
[1] 王采莲，郭志强.嵌入式TCP/IP协议栈在指挥网络中的实现[C].AECC专题学术研讨会论文集，2007，20（5）：162-163.
[2] TI.TMS320VC5510AI DataSheet[Z].2004.
[3] Cirrus Logic. CS8900A Product Data Sheet[EB/OL]. [2007-08-01]http：//www.cirrus.corn.
[4] 岳世为，尹为民.uIP协议栈在基于DSP以太网通信系统中的应用[J].计算机与数字工程，2010，38（1）：187.
[5] DUNKELS A. The uIP Embedded TCP/IP Stack[EB/OL]. [2006-06-01]http：//www.Sics.se.
[6] [阿根廷]Scaglia Sergio.嵌入式Internet TCP/IP基础、实现及应用[M].潘琢金，徐蕾，拱长青，等，译.北京：北京航空航天大学出版社，2008.