【正文】 塊的設計本嵌入式系統(tǒng)所實現(xiàn)的PING命令、TRACEROUTE命令等兩個以太網(wǎng)測試功能是直接以TCP/IP協(xié)議為基礎的，而IP地址自動獲取則是建立在應用層的DHCP協(xié)議之上的。本文將它們?nèi)繗w屬到應用層模塊中。下面來分析研究這些應用層模塊的概要設計。首先,分析研究各個應用程序的特點。1. PING命令模塊PING命令模塊主要完成PING請求的啟動、PING請求的應答、PING命令的發(fā)送、PING請求的接收等任務。2. TRACEROUTE命令模塊TRACEROUTE命令主要完成TRACEROUTE命令的啟動、TRACEROUTE結果顯示等工作。3. IP地址自動獲取模塊IP地址自動獲取模塊以應用層DHCP協(xié)議為基礎，主要完成IP地址自動獲取的命令啟動、獲取的IP地址保存與更新處理等任務。經(jīng)過上面的分析研究，可以總結出應用層模塊的設計圖如圖37所示。圖37 應用層模塊結構圖 串行通信模塊的設計本節(jié)主要討論串行通信模塊的設計問題。該模塊包括串行口初始化模塊，串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和串行數(shù)據(jù)接收模塊等三個子模塊。其中，串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊又包含字節(jié)發(fā)送模塊，字發(fā)送模塊，十進制數(shù)發(fā)送模塊，十六進制數(shù)發(fā)送模塊和字符串發(fā)送模塊等五個子模塊，用于發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)。其設計結構圖如圖38所示。圖38 串行通信模塊結構圖 本章小結本章主要詳細討論了嵌入式以太網(wǎng)測試功能主要模塊的設計問題。在分析每個模塊的具體設計時采用了技術成熟的結構化設計方法。在設計過程中，突出了模塊內(nèi)部子模塊之間的調(diào)用關系以及模塊之間的聯(lián)系。第四章　嵌入式以太網(wǎng)測試的實現(xiàn)在完成嵌入式以太網(wǎng)測試功能的設計之后，本章將探討嵌入式以太網(wǎng)測試功能的實現(xiàn)以及對其實驗驗證的問題。在考慮嵌入式以太網(wǎng)測試功能的實現(xiàn)時，所采用的實現(xiàn)語言將采用技術成熟、應用廣泛、開發(fā)效率較高、可讀性與可移植性都非常好的嵌入式C語言。不使用匯編語言主要是由于其開發(fā)效率較低而且可讀性與可移植性也不好。在對嵌入式以太網(wǎng)測試功能的實現(xiàn)進行實驗驗證時，所使用的硬件環(huán)境是一臺PC計算機和一塊MLCP2200DK/F340DK開發(fā)板。實驗軟件環(huán)境是在Windows XP 操作系統(tǒng)下進行，其軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境是Keil uVision [59]。 嵌入式以太網(wǎng)測試的實現(xiàn)本系統(tǒng)實現(xiàn)的所有源程序都是在Keil uVision 集成開放環(huán)境下完成的。該嵌入式開發(fā)系統(tǒng)是一個功能比較全面的開發(fā)環(huán)境。嵌入式以太網(wǎng)測試功能的實現(xiàn)分以下七個部分進行介紹：系統(tǒng)主控模塊、系統(tǒng)初始化模塊、定時中斷模塊、以太網(wǎng)控制器驅動模塊、TCP/IP 協(xié)議族模塊、應用層模塊、串行通信模塊等。源程序全部采用 C51 編寫[5961]，具有較好的可讀性和可移植性。整個嵌入式軟件系統(tǒng)的源程序由一系列的 C 語言源程序文件組成，在表41中對每個文件進行了簡要的功能說明。表41主要C 源程序文件及其功能序號源文件功能備注1文件中包含了主函數(shù) main()，調(diào)用系統(tǒng)初始化程序，然后進入主循環(huán)。主程序2完成一些必要參數(shù)初始化，包括以太網(wǎng)控制器初始化、RAM 的初始化、定時器的初始化、串行口的初始化、外部中斷的初始化，從 FLASH 存儲器 中讀取參數(shù)。初始化程序3完成以太網(wǎng)控制器的驅動，包括接收從網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)、向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)。CP2200驅動4完成以太網(wǎng)幀的向上分用以及對從上層收到的數(shù)據(jù)報進行封裝。以太網(wǎng)驅動5完成 ARP 協(xié)議的處理。包括 ARP 解析，ARP 數(shù)據(jù)報接收、ARP數(shù)據(jù)報發(fā)送、ARP 數(shù)據(jù)報重傳、更新 ARP 高速緩存。TCP/IP協(xié)議6完成 IP 協(xié)議的處理。包括 IP 數(shù)據(jù)報接收、IP 數(shù)據(jù)報發(fā)送。TCP/IP協(xié)議7完成 ICMP 協(xié)議的處理。包括 ICMP 數(shù)據(jù)報接收和發(fā)送。主要是對 PING 命令的響應。TCP/IP協(xié)議，應用程序8完成 UDP 協(xié)議的處理。包括 UDP 數(shù)據(jù)報接收和發(fā)送。TCP/IP協(xié)議9實現(xiàn)TRACEROUTE 功能。應用程序10實現(xiàn) dhcp 協(xié)議的客戶端功能，使網(wǎng)絡客戶端能夠從網(wǎng)絡中的DHCP服務器上自動獲取 IP 地址。應用程序11實現(xiàn)校驗和的計算。校驗和程序12完成定時器的中斷處理。定時程序13串行中斷服務程序。串行通信 系統(tǒng)主控模塊的實現(xiàn)整個嵌入式軟件系統(tǒng)應用程序采用結構化與模塊化的設計。在主函數(shù) main()中，程序分兩大部分?！　〉谝徊糠质窍到y(tǒng)初始化部分，包括系統(tǒng)時鐘初始化、定時器初始化、系統(tǒng)端口初始化、串行口初始化、系統(tǒng)變量初始化、TCP/IP變量初始化、以太網(wǎng)控制器的初始化，從 Flash 存儲器中讀取初始工作參數(shù)?！　〉诙糠质窍到y(tǒng)主循環(huán)體。程序循環(huán)接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報，收到數(shù)據(jù)報后轉到相應的協(xié)議處理模塊。此外，程序還循環(huán)查詢?nèi)中缘臉酥咀兞?，處?ARP 重發(fā)請求，定時更新 ARP 的高速緩存表。在整個程序流程中，程序除接收定時器中斷外，還接收串行中斷和外部中斷。串行中斷服務程序從 PC 機讀取數(shù)據(jù)。如果是 PC 機發(fā)送過來的系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，那么程序將根據(jù)要求完成相應配置，并把配置數(shù)據(jù)存儲在 Flash存儲器中，若不是配置數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。外部中斷可以用來處理一些外部事件。在本系統(tǒng)中，使用一個按鍵來產(chǎn)生外部中斷，此中斷服務程序的作用是將網(wǎng)絡參數(shù)恢復為默認設置（類似于 BIOS 的恢復默認設置）。方便使用者在忘記網(wǎng)絡參數(shù)的修改值或者參數(shù)修改不正確，不能通過網(wǎng)絡訪問的情況下，迅速恢復參數(shù)的默認值。參照系統(tǒng)主控模塊的設計，可以將嵌入式系統(tǒng)主控模塊的流程圖繪制出來。如圖41所示。圖41嵌入式系統(tǒng)主控模塊的流程圖 系統(tǒng)初始化模塊的實現(xiàn) 系統(tǒng)初始化模塊的實現(xiàn)分為下面六步：1．C8051F340微控制器端口的初始化 對 C8051F340微控制器的相關端口進行設置，使其能夠正常進入所期望的工作狀態(tài)。2．定時器初始化定時器初始化主要對C8051F340微控制器的兩個定時器T0和T2進行設置：其中，定時器 T0 用于定時，其定時間隔分別為 1毫秒、10毫秒、1秒、1分鐘；定時器 T2也用于定時，其定時間隔為 25毫秒。3．串行口 UART0 的初始化對串行口 UART0 的初始化主要設置其波特率為 38400波特，其數(shù)據(jù)格式為 8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，但無奇偶校驗位。4．外部中斷初始化本文只使用外部中斷０，不使用外部中斷１。因此，只需要對外部中斷 0進行初始化操作，其優(yōu)先級設置為低級。5．以太網(wǎng)控制器的初始化在CP2200 以太網(wǎng)控制器上電后，必須先對其復位之后，才能進行初始化操作。對CP2200 以太網(wǎng)控制器復位主要有兩種方式：一種是熱復位，給該 RESET 引腳施加一個 1ms 以上的高電平就可以復位。施加一個高電平之后，然后施加一個低電平。由于 RESET 引腳是與MCU的 I/O 口 相連的，所以只需要對該 I/O 口操作。另一種是冷復位。對該端口地址的讀出或者寫入數(shù)據(jù)操作，都會引起芯片的復位。在本設計中，我們將采用熱復位方式對CP2200 以太網(wǎng)控制器進行復位。復位之后，要對 CP2200 以太網(wǎng)控制器的工作參數(shù)進行設置，以使該芯片能夠開始正常地工作。在參考系統(tǒng)初始化模塊的設計，其實現(xiàn)流程圖如圖42所示。圖 42系統(tǒng)初始化流程圖 定時中斷模塊的實現(xiàn)本系統(tǒng)利用了MCU的定時器 T0 中斷，定時間隔是 20 毫秒。定時器的功能主要集中在以下幾個方面：1. ARP 緩存的超時設置。物理（MAC）地址和 IP 地址的映射關系是靠 ARP 緩存表來實現(xiàn)的。因為 IP 地址和物理（MAC）地址的映射關系有可能發(fā)生變化，所以，要定義 ARP 的超時。在這里，定義超時時間為 20分鐘。如果時間到，就刪除此映射關系。　　2. ARP 地址解析超時的定時，如果 2秒鐘內(nèi)，未獲得 ARP 響應，則重發(fā) ARP 請求數(shù)據(jù)報，若重復三次后，都未獲得 ARP 響應，則表示此 IP 地址無法解析，這個 IP 地址在網(wǎng)絡中不存在?！　?. UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)報的重傳和超時設置。由于 UDP 提供不可靠的傳輸，所以數(shù)據(jù)報傳輸?shù)目煽啃砸缮蠈討贸绦騺韺崿F(xiàn)。發(fā)送 UDP 數(shù)據(jù)報后，啟動定時，若 2秒鐘內(nèi)，仍未收到對方的確認信息，則重傳數(shù)據(jù)報。重傳最多進行三次。如果仍然不行，那么就自動放棄重傳。 以太網(wǎng)控制器驅動模塊的實現(xiàn)CP2200以太網(wǎng)控制器的驅動程序的實現(xiàn)包括初始化以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)控制器從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)和向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，采用了查詢方式。1. 以太網(wǎng)控制器的初始化以太網(wǎng)控制器的初始化的流程如圖43所示。圖43以太網(wǎng)控制器初始化處理流程圖2. 以太網(wǎng)控制器從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)CP2200以太網(wǎng)控制器接收到新的數(shù)據(jù)報后，MCU主機通過主機接口從 RAM 中讀出數(shù)據(jù)報。驅動程序讀取數(shù)據(jù)報后，將數(shù)據(jù)報存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，再根據(jù)數(shù)據(jù)報類型，向上分用。3. 以太網(wǎng)控制器向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)CP2200以太網(wǎng)控制器收到MCU主機發(fā)送來的數(shù)據(jù)報后，經(jīng)過相應的自動處理后，再發(fā)送到以太網(wǎng)中。 TCP/IP 協(xié)議模塊的實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議的嵌入實現(xiàn)是本系統(tǒng)軟件部分的重點和難點。需要嵌入的協(xié)議包括 IP 協(xié)議、ARP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議和UDP 協(xié)議等。在主函數(shù)中，程序循環(huán)查詢 CP2200 以太網(wǎng)控制器接收緩沖區(qū)的讀寫指針，根據(jù)讀寫指針的關系判斷是否從網(wǎng)絡上收到新的數(shù)據(jù)報。如果從網(wǎng)絡中收到新數(shù)據(jù)報，則進入驅動程序的接收模塊，在這個模塊中，程序檢驗網(wǎng)絡包的合法性，包括檢驗數(shù)據(jù)報的長度是否小于 1520，若不是，則將數(shù)據(jù)報丟棄。如果正確，根據(jù)以太網(wǎng)幀首部的協(xié)議字段，將數(shù)據(jù)報向上分用。如果協(xié)議字段的值是 0x0806，表示收到的是 ARP 數(shù)據(jù)報，則調(diào)用 ARP 接收模塊。如果協(xié)議字段的值是 0x0800，表示收到的是 IP 數(shù)據(jù)報，則調(diào)用 IP 接收模塊。IP 接收模塊再繼續(xù)將數(shù)據(jù)報向上分用到TCP接收模塊、UDP 接收模塊或ICMP 接收模塊。傳送到 TCP 接收模塊的數(shù)據(jù)報有可能是 HTTP 數(shù)據(jù)報，也可能是發(fā)送到應用端口。當數(shù)據(jù)報被正確分用后，就由應用程序進行響應處理。如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則調(diào)用 UDP 發(fā)送模塊、ICMP 發(fā)送模塊、IP 發(fā)送模塊或ARP 發(fā)送模塊等中的相應模塊，它們的作用是逐層給數(shù)據(jù)報添加本層的首部信息，往下傳遞，直到發(fā)送到以太網(wǎng)上。源代碼中使用的數(shù)據(jù)類型定義如下：typedef unsigned char ui08。 // 8 位無符號整數(shù)typedef unsigned short ui16。 // 16 位無符號整數(shù)typedef unsigned long ui32。 // 32 位無符號整數(shù)在TCP/IP協(xié)議族中所用的幾個主要數(shù)據(jù)結構定義如下：以太網(wǎng)幀頭部的數(shù)據(jù)結構定義如下：typedef struct _ETH_HEADER { ui08 dest_mac[6]。 // 目的MAC地址 ui08 source_mac[6]。 // 源MAC地址 ui16 frame_type。 // 數(shù)據(jù)幀類型} ETH_HEADER。ARP頭部的數(shù)據(jù)結構定義如下：typedef struct _ARP_HEADER { ui16 hardware_type。 // 硬件類型 ui16 protocol_type。 // 協(xié)議類型 ui08 mac_length。 // MAC 地址長度 ui08 ip_length。 // IP 地址長度 ui16 message_type。 // 消息類型 ui08 source_mac[6]。 // 源 MAC 地址 ui32 source_ip。 // 源 IP 地址 ui08 dest_mac[6]。 // 目的 MAC 地址 ui32 dest_ip。 // 目的 IP 地址} ARP_HEADER。ARP緩存表的數(shù)據(jù)結構定義如下：typedef struct _ARP_CACHE { ui32 ip。 // IP 地址 ui08 mac[6]。 // MAC 地址 ui08 timer。 // 定時倒計時} ARP_CACHE。 IP頭部的數(shù)據(jù)結構定義如下：typedef struct _IP_HEADER { ui08 ver_len。 // IP 版本與 IP 頭部長度 ui08 type_of_service。 // 服務類型 ui16 total_length。 // IP 數(shù)據(jù)報總長度 ui16 identifier。 // IP 數(shù)據(jù)報標識 ui16 fragment_info。 // 碎片信息 ui08 time_to_live。 // 跳數(shù) ui08 protocol。 // 協(xié)議類型 ui16 header_cksum。 // IP 頭部校驗和 ui32 source_ip。 // 源 IP 地址 ui32 dest_ip。 // 目的 IP 地址} IP_HEADER。PING頭部的數(shù)據(jù)結構定義如下：typedef struct