基于TCP/IP协议栈的嵌入式系统通信方案设计研究

张小寒

（湖南财经工业职业技术学院，衡阳 421002）

TCP/IP协议栈嵌入系统，其实就是一种服务于某种专用场合的计算机系统，其融入了现代的通信技术、控制技术以及计算机技术等，从软件到硬件双向设计协调，提高系统的通信性能，满足办公场合对于计算机系统的安全性、可靠性和功能性需求。

该嵌入式系统的工作原理与PC机的基本工作系统比较相似，具有较高的自动化水平，其在信息接收和传达方面具有较快的反应速度，并且其软件的体积非常小，能够实现多任务的需求，并且具有实时性。综合TCP/IP协议栈的嵌入式系统，其主要展现出以下特征：从系统的精简性来讲，该款系统对于应用软件及其系统软件所设定的界限并不明显，甚至比较模糊，因此，其在进行功能设计的过程中，主要是为了达到系统的简洁和使用[1]。

1 TCP/IP协议栈的嵌入式系统硬件设计

在了解了该嵌入式系统的特点和功能以后，笔者将展开对通信系统的设计。

为了实现TCP/IP协议栈的嵌入式系统的通信功能，其必须先考虑该系统硬件的体积及其功耗问题。主体系统设计时，选择的CPU型号为s3C44BOX，并且确定实时时钟，设定该系统的功能模块。具体模块结构如图1所示。

图1 通信方案硬件系统设计功能模块

从图1的结构可以看出，本设计的主体系统涉及的功能模块很多，笔者将对其主要模块进行介绍。

首先是网络接口模块的设计。本次选择的RTL8019As芯片，其控制器为MAC，其与物理层接口工头构成了芯片的内部结构[2]。本次接口设计将实现物理编码子层功能、双绞线物理媒体子层功能以及双绞线媒体访问单元功能等。在RTL8019As发出信号后，型号为RJ45的接收器将会接收到信号，并且将其传输到到媒体中。

2 TCP/IP协议栈的嵌入式系统软件设计

在软件设计方面，TCP/IP协议栈的嵌入式系统注重对操作系统和LWIP协议的设计。

从操作系统的角度来讲，本次设计要实现UCOs-Ⅱ的移植。本系统将会连接多个外部的监控设备，因此对软件系统的实时性具有较高的要求，软件系统需要能够在同一时间内处理多个任务，因此，本次选择UCOs-Ⅱ实时操作系统作为主要的软件系统。该系统能够对不同的任务进行响应，并且其处理器本身对于资源的要求不高，该系统又属于免费系统。在软件系统的设计中，要想完成对UCOs-Ⅱ系统移植，其处理器需要能够重新输入代码，并且利用C语言实现代码输入的中断。如果系统的处理器支持中断，人们就能够通过设计来实现定时中断[3]。本系统的处理器需要具有容纳硬件堆栈的功能，其将部分堆栈指针和处理器读写到内存中，形成指令，从而实现相关代码的修改。例如，本方案选择的编译器为arm-elf-gcc，那么本次对数据的定义则为：

typedef ynsigned char BOOLEAN;

typedef ynsigned char TNT8N;

typedef ynsigned char INT8s;

typedef unsigned short INT16U;

typedef signed short INT16s;

typedef unsigned long INT32U;

typedef singned long INT32s;

typedef float FP32;

typedef double FP64.

在网络协协议栈的嵌入式系统设计中，本次选择了LWIP。主要原因是该协议栈能够支持多个网络接口的IP转发，能够快速回复转发的TCP协议。也就是说，该种协议栈具有较高的应用性能，选择该协议栈，也就相当于提升了该程序的应用性。

在LWIP协议栈中，分层思想起到了关键性的作用。为了将不同的协议划分为不同的模块，向外提供服务访问点，人们必须利用分层思想，它能够帮助LWIP协议栈实现该功能。TCP处理信号的过程如图2所示，该流程充分展现了LWIP协议栈对于通信信息的处理能力。其中，TCP在发送数据时会利用tcp_write()来进行信息的检查，而在接收数据时，其将会通过驱动程序将接收到的网络数据传达给ip_input()。

图2 TCP发送与接收逻辑图

3 结论

本文主要对TCP/IP协议栈的嵌入式系统的通信方案进行设计，选择了型号为s3C44BOX的ARM处理器，并且通过对硬件及软件的双重设计，成功实现了对多功能、实时性操作系统UCOs-Ⅱ的移植，完成对嵌入式操作系统的设计，最终选择了TCP/IP协议栈LWIP。实践表明，本设计具有一定的稳定性，未来设计将逐渐朝安全性、实用性等方向靠拢。