基于ARM7实时网络的设计和实现

随着基于TCP/ IP 协议的Internet 网络技术的日益发展和普及， 各种信息网纷纷采用T CP/ IP 协议， 并接入Internet 网。传统的测控系统由于其封闭性有被基于TCP/ IP 的网上测控系统取代。由于IP 寻址简单， 适于异构网互连， 为实现分布式处理、实时监控的测控系统的实现提供了很好的条件。本文所构建的系统被用于将多个采集点的数据传给主控机， 实时网络还有其他三个采集节点， 主控机按顺序给各个节点发指令字， 并依次从它们那里接收数据包， 其通信协议采用了T CP 和U DP。并以KEIL uVisiON3 的RT L 实时库为软件平台， 基于ATMEL公司ARM7 系列处理器， 实现了完整的功能。

1 系统的硬件构成

1. 1 系统的硬件

系统的三个采集节点都采用ATMEL 的A T91SAM7X256, 该微控制器具备嵌入式10/ 100 以太网（Ethernet） MA C、CA N、全速（ 12Mbps） U SB 2. 0。它针对广泛的网络化实时嵌入式系统而设计的，AT 91SAM7X256 还具备一个10 位模数转换器（ ADC） 、两个串行外围接口（ SPI） 、同步串行接口（ SSC） 、双线接口（ TWI） 、三个通用异步收发器（ UART） 、一个8 级（ 8- level） 优先中断控制器（ pr ior ity inter rupt controller ） 和众多的监管功能。这个新型的50 MIPS MCU 拥有64KB 的静态存储器和256K B 的25ns 闪存， 这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能力。

主控机用PC 机， 操作系统用RedHat9. 0, 它主要用于轮询各个采集节点， 并将从它们那里收到的数据包储存和显示出来。

1. 2 系统的拓扑结构

实时以太网的拓扑结构与以太网相同。主机通过以太网卡连到通信电缆上。通信电缆可以是同轴电缆， 也可以用非屏蔽双绞线。如果是非屏蔽双绞线， 则需要用HUB。

2 系统的软件构成

2. 1 体系结构

实时以太网参照ISO 的OSI 模型， 采用缩减的网络体系结构。网络体系结构分为四层： 物理层、数据链路层、传输层和应用层， 其中数据链路层又可细分为MAC 子层和LLC 子层。以太网卡实现了物理层和MAC 子层能； LLC子层设计为向传输层提供无连接无确认的服务。传输层实现基于消息的数据传输， 并向应用层提供网络中节点间实时数据传输服务。下面将着重讨论传输层协议的设计。

2. 2 KEIL uVision3 的RTL 实时库

RealView RL- ARM 是为解决基于ARM MCU 的嵌入式系统中的实时及通信问题而设计的紧密耦合库集合。

它可以非常方便地应用于所有A RM7、ARM9 和Cort ex-M3 系列的处理器， 使得在ARM 处理器上运行实时程序非常容易。它包含四个部分： RT X 实时内核、Flash 文件系统、TCP/ IP 协议簇、RT L - CAN （ 控制域网络） , Real??

V iew 实时库可以解决嵌入式开发中的如下几个常见问题：

（ 1） 多任务（ 可以在单CPU 上管理几个工作或任务） ;（ 2） 实时控制（ 可以控制任务在既定时间内完成） ;（ 3） 任务间通信（ 可以实现系统中的任务间通信） ;（ 4） Internet 连接（ 通过以太网或串口（ Modem） ） ;（ 5） 嵌入式Web 服务器（ 包括CGI 脚本） ;（ 6）E- mail 公告（ 通过SMT P） 。

系统的网络功能正是构建在RT L 实时库之上的。下面简述一些RTL 实时库的网络函数。

（ 1） TCP 发送函数BOOL t cp_ send （ U8 Socket , U8* buf, U16 dlen） ;其中Socket 为通信TCP Socket, 它包含了对方的IP和端口信息， buf 为要发送数据的首地址， dlen 为发送数据包的最大值。

（ 2）U DP 的发送函数udp _ send （ U8 Socket , U8 *remip, U16 rempor t, U 8 * buf, U16 dlen） , 其中Socket 为通信U DP S ocket , remip 为对方的IP 地址， rempor t 为对方的通信端口， buf 为要发送数据的首地址， dlen 为发送数据包的最大值。

（ 3） 接收数据时， RT L 实时库不像BSD Socket 一样有专门的接收函数， 而是利用回调机制， 即收到数据时， 就触发相应的回调函数。另外， 对于T CP, 在回调函数里它有多个响应事件， 如TCP_EVT _CON REQ （ 连接请求） ; T CP_EVT_CONN ECT（ 已建立连接） ; T CP_EVT _CLOSE（ 连接已关闭） ; T CP_EV T_ABORT （ 连接异常终止） ; TCP_EV T_ACK（ 发送的数据已被对方响应） ; T CP_EVT _DATA （ 收到数据包） , 提取收到的数据并进行处理就是在该事件下完成的。然而， 对于UDP, 它没有各个响应事件。

2. 3 主控机的功能及系统的性能分析

主控机的运行环境为RedH at9. 0, 采用标准的BSDSocket , 它按顺序给各点发指令字， 然后依次从它们那里接收数据包并进行存储和显示。

按照上述的硬件和软件构建后， 调试和测试后可得系统的通信速率如表1 和表2 所示。

表1 PC 对3 个SAM7（ 基于TCP ）

表2 PC 对3 个SAM7（ 基于UDP）

对照发现， U DP 的传输速率可以达到TCP 的约2. 5倍。由于U DP 协议并不提供数据传送的保证机制， 如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失， 协议本身并不能做出任何检测或提示。因此， 我们把U DP协议称为不可靠的传输协议。而T CP 协议中包含了专门的传递保证机制， 当数据接收方收到发送方传来的信息时， 会自动向发送方发出确认消息； 发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息， 否则将一直等待直到收到确认信息为止。鉴于此， 我们在系统在采用了以下的机制， 即在PC 先采集节点发送指令字时用TCP 协议，而在传输采集数据包是就用UDP 协议。

3 结束语

保证网络通信的实时性， 对整个实时系统的正常可靠运转起着决定性作用。实时以太网具有实时、高速、价格便宜等优点。但也有其不足之处。如抗恶劣环境能力差；传输层在主机实现， 占用了主机的资源； 与主机上程序的协调运行也是要考虑的问题。