嵌入式网络终端报文收发机制研究与实现

1、 引言
计算机网络技术迅猛发展，几乎延伸到各个领域，已经成为很多嵌入式系统的重要功能组件[1]，并且衍生出新型终端，如IP电话、IPTV等。在嵌入式网络终端系统中，网络报文的收发依靠协议栈完成，其功能集中在传输层、网络层和链路层。通常的报文接收机制是在链路层以上建立接收任务，通过查询物理层的通信状态或者由物理层中断触发[2]，来接收网络数据。这两种方式都有一定的缺陷。查询方式，就是接收任务按照某种规则检查底层是否收到新数据，简单可靠，但由于网络通信是一种随机的离散事件，查询方式可能对处理器资源造成严重浪费，加大通信延时。中断方式相对灵活，延时固定，但在程序中引入了更多的上下文切换，在复杂度和可靠性上略有不足。本文提出一种中断与查询结合使用的方法，通过实践，表明这套收发机制具有高效、稳定、可靠的优点。
2、 收发机制
本文的目标是充分利用嵌入式系统的处理器和存储器资源，保证网络终端报文收发的实时性和吞吐量。本系统按图1的基本架构实现网络通信，由三层功能模块和两级缓存构成一条接收通道和一条发送通道。上层是系统应用程序。底层负责物理链路上的数据收发。中层由协议栈和网络接口适配器驱动负责上层和底层的数据交互。有两级缓存，上层与中层之间的二级缓存用于网络报文的封装和解析；中层与底层之间的一级缓存分为接收缓存和发送缓存，采用环行结构，作用是解决终端与网络之间异步问题。接收过程分为三个阶段，主要工作在RX2阶段；发送过程分为两个阶段，上层和中层属于同一阶段(TX2)。原因是发送过程是主动过程，由高层发起并控制低层完成，而接收过程中低层先得到数据，但只能等待而不能控制高层的响应。通常物理层、媒体访问控制(MAC)和一级缓存可以使用网络接口控制器 (Network Interface Controller: NIC) 实现，NIC能独立完成物理链路上的报文收发。

2、1接收流程

本系统中，网络报文接收过程RX2阶段如图2。初始状态下，打开接收中断A和一级缓冲溢出中断B。若物理层收到一帧或多帧数据，就存入一级接收缓存，并向处理器发出中断请求。系统将会执行相应中断程序，检查一级接收缓存是否溢出。如果溢出，就对其复位,并回到初始状态。否则，关闭中断A、B，向协议栈的接收任务发出一次接收通知。接收任务每次收到该通知，就从一级缓存取出一帧数据，保存到二级缓存，并按照网络协议进行处理后转交上层，之后，检查一级缓存内是否仍有新数据。如果没有，就清除中断A的有效状态，然后重新打开中断A、B。如果有，就直接进入下轮接收过程。如此，一次突发过程中如果网络中有多帧数据到达终端，能够直接由上层一一接收，而不需一次次中断。
2、2发送流程
本系统报文发送过程TX2阶段如图3，实现方式与接收不同，无专门任务负责发送功能，而是由协议栈提供一套统一接口，上层应用程序借此发送数据。首先在二级缓存中形成网络报文，然后检查一级缓存中发送缓存，待其可用，将数据从二级缓存复制到一级缓存，启动发送。之后，NIC通常能够自动完成余下的物理层发送工作。此刻，系统主动查询接收通道的工作状态。如果发生中断A或B，就触发软中断。于是，构成一种多点随机查询机制。