（信号与信息处理专业论文）基于tcpip协议的串口数据流传输的研究.pdf

摘要 随着i p 网络的同益发达，将设备联入网络，并且通过以太网或者t c p i p 联 网功能来控制、管理和升级系统已经成为了发展的方向，但是由于现实生产生活 中还存在大量的利用串口来通信和管理的设备，如何让这些“旧”设备联入网络 也成为了一个具有现实意义的课题。 因此，笔者展开对基于t c p i p 协议的串口数据流传输的研究，在进行系统 分析设计后，提出了初步的解决方案，然后通过在对网络流量模型和系统控制模 型的建立和仿真的基础上，解决了因为网络流量与串口速率不匹配的问题，得到 系统防止数据拥塞所需要的最大的缓冲区大小。最后从硬件与软件两个方面，完 成了串口服务器的实现，使得在不改变原有设备软硬件的前提下，解决了传统的 具有串口管理功能的设备不能进行i p 化网络管理和数据存取的问题；实现了利 用先进的t c p i p 技术和管理方式对这些设备进行技术改造的目的；提高了设备 的利用率。本系统在通信、交通、金融、税务、保险等行业都有广泛的用途。 关键词：t c p i p 协议，以太网数据包，异步串行通信，缓冲区，串口服务器 系庆i i n g 学院顺士论文 a b s t r a c t w i t ht h ee t h e m e tn e t w o r kd e v e l o p i n g ，w ec a np u ts o m es e t si n t oi ta n dr e a l i z e c o n t r o l l i n ga n dm a s t e r i n gt h e s es e t s w h i l et h e r ea r em a n ys e t sf i tf o rs e r i a li n t e r f a c e ， a st h e mc a nn o tc o n n e c tt oe t h e m e td i r e c t ，h o wt ou s et h e mb e c o m er e a l i s t i c t h i sp a p e ra n s w e r st h eq u e s t i o n a tf i r s t ，i ts t u d yt r a n s f o r m a t i o no fs e r i a ld a t u m w h i c ha r eb a s e do nt c p i pp r o t o c o l ；t h e n ，i ta n a l y z ea n dd e s i g nt h es e r i a l s e r v e r s y s t e m ；i nt u r n ，i tc o n s t r u c ta n de m u l a t et h ed r e a ma n dc o n t r o lm o d e lo ft h i ss y s t e m ； n e x t ，i tc o n c l u d et h ev a l u eo fl a r g e s ts t o r ep l a c e ；a tl a s t ，t h er e a l i t yo ft h es e r i a ls e r v e r i sb a s e do nt w op a r t s ：o n ei sh a r d w a r ep a r ta n dt h eo t h e ri ss o f t w a r eo n e f r o mt h e s e e f f o r t s ，t h ep a p e rr e a l i z ec o n t r o l l i n ga n dd a t as t o r i n go ft h e s es e t sw i t hs e r i a li n t e r f a c e i ne t h e r n e tn e t w o r k s ot h es e r i a ls e v e rc o u l db eu s e di nc o m m u n i c a t i o n t r a n s p o r t e c o n o m yf i e l dt o i m p r o v et h es e r i a ls e t sw o r k i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：t c p i pp r o t o c o l c o m m u n l c a t i o n e t h e m e td a t ap a c k a g e s y n c h r o n o u ss e r i a l s t o r e s e r i a ls e v e r i i 重庆郝电学蔓砸论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重塞整曳堂院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： j 勿 签字日期：m 年r 月叫曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重送噬皇堂医有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖整皇堂医可 以：恪学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文怍哲签名：二肚 签7 t 1 期：h f 甲年n l 叫f 1 导师签名：爱二尊j 合 签字h l l j 彦叻够fj - 月y f 重庆l 叫i 乜学院碗十论文 第一章引言 随着i n t e r n e t 的广泛普及，“让全部设备连接网络”已经成为全世界企业的 共识。为了能跟上网络自动化的潮流，不至于失去竞争优势，必须建立高品位的 数据采集、生产监控、即时成本管理的联网系统。通过以太网或者t c p i p 联网 功能来控制管理的设备硬件，无须投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者 升级。 但现在许多企业，特别是电信部门的许多设备，如许多在t c p i p 协议广泛 应用以前的交换机和其它设备均是采用的串口数据流，要使用i p 化操作和管理 就存在问题。如何将串行数据流转化到面向无连接的i p 网络的数据? 现行的许 多解决办法( 图l _ 1 ) 是使用前置机和多串口卡连接串口设备“：，然后通过前置 机与以太网的连接来实现。这种方法的缺点在于串口接连接距离短( 最大1 5 米) 、 布线较复杂、需使用前置机、不易管理等。 图l 1 传统架构 本文阐述了如何基于t c p i p 协议的串口数据流传输的物理实现一串口服务 器，它可以让诸如交换机、测量仪器、监铡仪器以及u p s 等具有串口管理控制的 设备能成为具备联网功能的网络外设。这一系统连接以太网络和串口服务设备， 它能将多个串口设备连接并能将串口数据流进行选择和处理，把现有的r s 一2 3 2 接口的数据转化成i p 端口的数据，然后进行i p 化的管理，i p 化的数据存取， 这样就能将传统的串行数据送上流行的i p 通道，而无须过早淘汰原有的设备， 从而提高了现有设备的利用率，节约了投资，还可在既有的网络基础上简化布线 复杂度。 可以简单的形容串口服务器的作用：它使得串口设备具有了接入t c p i p 网 络的能力，串口服务器将各类上传的串行数据进行t c p i p 打包，以便于在局域 网中传输；或将下传数据解包，以便于对各个串口设备进行控制。 筵酉争 黑纛趟凝 重庆邮电学院碳论文 第二章t c p ip 协议及串行通信 2 1t c p i ip 协议陋钉 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l 的简写，中 文译名为传输控制协议互联网络协议) 协议是i n t e r n e t 最基本的协议，简单地 说，就是由底层的i p 协议和t c p 协议组成的。t c p i p 协议的开发工作始于7 0 年 代，是用于互联网的第一套协议1 。 2 1 1t c p i p 参考模型 t c p i p 协议的开发研制人员将i n t e r n e t 分为五个层次，以便于理解，它也称为 互联网分层模型或互联网分层参考模型， 物理层：对应于网络的基本硬件，这也是i n t e r n e t 物理构成，即我们可 以看得见的硬设备，如p c 机、互连网服务器、网络设备等，必须对这些 硬设备的电气特性作一个规范，使这些设备都能够互相连接并兼容使用。 网络接口层：它定义了将资料组成正确帧的规程和在网络中传输帧的规 程，帧是指一串资料，它是资料在网络中传输的单位。 互联网层；本层定义了互联网中传输的“信息包”格式，以及从一个用 户通过一个或多个路由器到最终目标的”信息包”转发机制。 传输层：为两个用户进程之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端 连接。 应用层：它定义了应用程序使用互联网的规程。 2 1 2 网问协议i p i n t e r n e 上使用的一个关键的底层游议是网际协议，通常称i p 协议。我们 利用一个共同遵守的通信协议，从而使i n t e r n e t 成为一个允许连接不同类型的 计算机和不同操作系统的网络。要使两台计算机彼此之间进行通信，必须使两台 计算机使用同一种”语言”。通信协议正像两台计算机交换信息所使用的共同语言+ ， 它规定了通信双方在通信中所应共同遵守的约定。 计算机的通信协议精确地定义了计算机在彼此通信过程的所有细节。例如， 每台计算机发送的信息格式和含义，在什么情况下应发送规定的特殊信息，以及 接收方的计算机应做出哪些应答等等。 重生塑鱼堂堡堡主丝苎 网际协议i p 协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件 几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制 数据，就, - i p 使用i p 协议加入i n t e r n e t 了。如果希望能在i n t e r n e t 上进行交 流和通信，则每台连上i n t e r n e t 的计算机都必须遵守i p 协议。为此使用 i n t e r n e t 的每台计算机都必须运行i p 软件，以便时刻准备发送或接收信息。 i p 协议对于网络通信有着重要的意义：网络中的计算机通过安装i p 软件，使许许 多多的局域网络构成了一个庞大而又严密的通信系统。从而使i n t e r n e t 看起来 好象是真实存在的，但实际上它是一种并不存在的虚拟网络，只不过是利用i p 协 议把全世界上所有愿意接入i n t e r n e t 的计算机局域网络连接起来，使得它们彼 此之间都能够通信。 i p 协议的包格式如图2 1 所示。 ji 首韶数据 ，么、 v e r h l e 服务类型总长度 标识分片偏移 生存时间协议检验和 渡憎撤卅 目的口地址 选项 图2 ii p 协议的包格式 2 1 3 传输控制协议t c p 尽管计算机通过安装i p 软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收资料， 但i p 协议还不能解决资料分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可 能出现的问题，连上i n t e r n e t 的计算机还需要安装t c p 协议来提供可靠的并且 无差错的通信服务。 t c p 协议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连接起了重 要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，t c p 协议会让它们建立一 墨垦唑皇差堕堡圭笙茎 个连接、发送和接收资料以及终止连接。 传输控制协议t c p 协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠 的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化。即使在i n t e r n e t 暂时出现堵 塞的情况下，t c p 也能够保证通信的可靠。众所周知， i n t e r n e e 是一个庞大的 国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是交替不定的，加上传送的距离也远近 不同，所以传输资料所用时间也会变化不定。t c p 协议具有自动调整”超时值”的功 能，能很好地适应i n t e r n e t 上各种各样的变化，确保传输数值的正确。 因此，从上面我们可以了解到：i p 协议只保证计算机能发送和接收分组资料， 而t c p 协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。 t c p 协议的包格式如图2 2 所示。 图2 2t c p 协议的包格式 串口服务器提供8 个端口与r s 2 3 2 串口设备相连，其t c p 连接端口号分别如 表2 1 所示： 串口相应的端口号 串口 相应的端口号 l 4 6 6 054 6 6 4 2 4 6 6 164 6 6 5 3 4 6 6 2 74 6 6 6 44 6 6 38 4 6 5 7 表2 1串口对应端口号 在系统中，主处理模块判别收到的i p 数据包的t c ? 端口号，并对应相应的端 口地址，通过存储器映象i o 寻址来选择端口”1 。 4 童厌邮电掌阮坝士论卫 综上所述，虽然i p 和t c p 这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用， 但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，并且在功能上也是互补的。只有两 者的结合，才能保证i n t e r n e t 在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到 i n t e r n e t 的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两 个协议统称作t c p i p 协议。 2 2 t c p ip 网络 2 2 1 以太网物理帧结构 以太网上的所有设备都连在以太总线上，它们共享同一个通信通道。以太网 采用的是广播方式的通信，即所有的设备都接收每一个信息包。网络上的设备通 常将接收到的所有包都传给主机界面，在这儿选择计算机要接收的信息，并将其 他的过滤掉，每台连接到以太网上的计算机都有一个唯一的4 8 位物理地址，当一 个数据帧到达时，硬件会对这些数据进行过滤，根据帧结构中的目的地址，将属 于发送到本设备的数掘传输给操作系统，忽略其他任何数据”1 。 图2 3 以太网的数据帧格式 如图2 3 所示，以太网的数据帧格式的开始是一个7 字节的前导字段，其内 容模式为相互交替的0 和l 。数据帧格式中位于目标地址字段之前有1 个字节作为 数据帧开始的同步标志，这个字节通常为两个连接的1 ，主要用于同步。数据帧格 式中紧随同步标志之后的是目标地址和源地址字段，地址字段长度是6 字节，它 通常包含在以太网接口卡的硬件中。在以太网的数据帧中，源地址字段之后是两 个字节的类型字段，之后是数据及c r c 校验。协议规定，用户数据的最小长度为 4 6 字节，当小于4 6 字节时，必须填满4 6 字节，这是为了保证所有的站点都能检 测到冲突而做的规定。 重庆邮电学院顾士论文 2 2 2i p 地址及其分类” 在i n t e r n e t 上连接的所有计算机，从大型机到微型计算机都是以独立的身份 出现，我们称它为主机。为了实现各主机间的通信，每台主机都必须有一个唯一 的网络地址就好象每一个住宅都有唯一的门牌一样，才不至于在传输资料时出 现混乱。 i n t e r n e t 的网络地址是指连入i n t e r n e t 网络的计算机的地址编号。所以， 在i n t e r n e t 网络中，网络地址唯一地标识台计算机。 我们都已经知道，i n t e r n e t 是由几千万台计算机互相连接而成的。而我们要 确认网络上的每一台计算机，靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址，这个地 址就叫做i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l 的简写) 地址，即用i n t e r n e t 协议语言表示的 地址。 目前，在i n t e r n e t 里，i p 地址是一个3 2 位的二进制地址，为了便于记忆， 将它们分为4 组，每组8 位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分 开的每个字节的数值范围是0 2 5 5 ，如2 0 2 ，1 1 6 0 1 ，这种书写方法叫做点数表 示法。i p 地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其它网络或其中 的计算机，则是根据这些i p 地址的分类来确定的。一般将i p 地址按节点计算机 所在网络规模的大小分为a ，b ，c 三类，默认的网络屏蔽是根据i p 地址中的第一 个字段确定的。 1 a 类地址 a 类地址的表示范围为：0 0 0 o 1 2 6 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，默认网络屏蔽为： 2 5 5 ，0 o 0 ；a 类地址分配给规模特别大的网络使用。a 类网络用第一组数字表示 网络本身的地址，后面三组数字作为连接于网络上的丰机的地址。分配给具有大 量主机( 直接个人用户) 而局域网络个数较少的大型网络。例如i b m 公司的网络。 2 b 类地址 b 类地址的表示范围为：1 2 8 0 0 o 1 9 1 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，默认网络屏蔽为： 2 5 5 2 5 5 0 0 ；b 类地址分配给一般的中型网络。b 类网络用第一、二组数字表示 网络的地址，后面两组数字代表网络上的主机地址。 3 c 类地址 c 类地址的表示范围为：1 9 2 0 0 0 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，默认网络屏蔽为： 2 5 5 2 5 5 2 5 5 o ；c 类地址分配给小型网络，如一般的局域网和校园网，它可连接 的丰机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。c 类网络用| j 三组数字表示网络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址。 连接到i n t e r n e t 上的每台计算机，不论其i p 地址属于哪类都与网络中的其 它计算机处于平等地位，因为只有i p 地址才是区别计算机的唯一标识。所以，以 6 重庆邮电学院硕l ：论文 上i p 地址的分类只适用于网络分类。在i n t e r n e t 中，一台计算机可以有一个或 多个i p 地址，就像一个人可以有多个通信地址一样，但两台或多台计算机却不能 共享一个i p 地址。如果有两台计算机的i p 地址相同，则会引起异常现象，无论 哪台计算机都将无法正常工作。 顺便提一下几类特殊的i p 地址，这几类特殊的i p 地址在实现t c p i p 数据包 转换成串口数据流的应用中发挥了很大的作用。 1 广播地址目的端为给定网络上的所有主机，一般主机段为全o 2 单播地址目的端为指定网络上的单个主机地址，在本系统设计中，将考 虑到客户机使用单播地址来向系统传输数据。 3 组播地址目的端为同一组内的所有主机地址 4 环回地址1 2 7 0 0 1 在作本系统的环回测试和广播测试时会使用到 2 3 异步串口通信协议 串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线 上，以每次一个二进制的o ，l 为最小单位进行传输。串行通信的传输速度要比并 行通信慢得多，但串行通信可显著降低通信线路的价格和简化通信设备，并可利 用现有的电话电缆线路，在任何两点通电话的设备之间，配置适当的通信接口实 行串行通信”3 。串行通信包括异步串行通信和同步串行通信，在日常应用中，我们 大多使用异步串行通信。 为实现异步串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循异步通信控 制规程，或称异步通信协议，其特点是通信双方以一帧作为数据传输单位。每一 帧从起始位开始、后跟数掘位( 位长度可选) 、奇偶位( 奇偶检验可选) ，最后以 停止位结束。l 帧的数据格式如下： 图3 1 串行通信的数据帧格式 瓣 铲l _黠| 三 皇丛型皇兰堕堡兰堡苎 一帧的传输经过大致有一下几个步骤”1 ： 无传输通信线路上处于逻辑“l ”状态，或称传号，表明线路无数据传输。 起始传输发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑1状态拉至逻辑0 状 态，发出一个空号，表明发送方要丌始传输数据。接收方在接收到空号后，开 始与发送方同步，并希望收到随后的数据。 数据传输起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码( 5 、 6 、7 或8 位不等，由双方协议确定并保持不变) 。数据位传输规定最低位在前， 最高位在后。数据位的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。 奇偶传输数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。奇偶位的逻辑状态取决 于奇偶校验的类型。必须保证在同一次传输过程中，每帧选择的奇偶校验类型 是一致的。 停止传输奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为“l ”，位时间 可在1 、1 5 或2 位选择，且必须保证在每帧传输其间均为相同。 第三章系统设计及系统指标 3 1 硬件系统设计 3 1 1总体设计 硬件系统是实现整个系统功能的基础，是整个设计实现的关键。 整个串口服务器的关键在于串口数据包与t c p i p 数据包之间的转换以及双方 数据因为速率不同而存在的速率匹配问题，我们在对串口服务器的实现过程中， 也着重考虑我们所做的设计和所选择的器件是否能够完成这些功能。 重庆邮电学院硕士论文 一、硬件系统组成模块 图3 1串口服务器硬件结构示意图 在制定设计方案和选定器件时遇到的技术难点是如何利用处理器对串口数据 信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在互联网上传输的i p 数据包。目前解 决这个问题大多采用的是3 2 位m c u 十r t o s 的方案，这种方案是采用3 2 位高速处 理器，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中 实现t c p i p 的协议处理。它的缺点是：单片机价格较高，开发周期较长；需要购 买昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高”1 。 借鉴上述方案的优缺点，我们决定把串口服务器的硬件部分分为几个模块设 计，这就是主处理模块、串口数据处理模块和以太网接口及控制模块等几大模块 来共同完成串口服务器的功能。 在器件的选择上，综合考虑开发难度和成本，我们预先采用运算速度较高的8 位兼容c 5 1 的单片机，考虑到串口数据速率较低而以太网的数据传输速率高所造 成的两边速率不匹配的问题，我们决定采用符合总线规范的大容量存储器来作为 数据存储器；由于主处理模块还涉及到数据线地址线复用、串并转换、器件中断 信号译码、时钟信号生成、控制信号接入等功能，若是选用不同的器件来完成， 势必会造成许多诸如时延不均等的问题，我们选用了一片大容量的高性能可编程 逻辑器件来完成上述所提到的功能，这样的优点在于，我们保证了稳定性和高可 靠性，并且可编程逻辑器件的可编程功能使得对于信号的处理的空问更大，且具 有升级的优势； 以太网接口及控制模块在串口服务器的硬件里面起着很重要的作用，它所处 理的是来自予以太网的i p 数据包，考虑到通用性的原则，我们采用一片以太网控 重生些塑主堕竺主笙苎 制芯片来完成这些功能。通过主处理模块对于以太网控制芯片数据及寄存器的读 写，我们可以完成对i p 数据包的分析、解压包的工作； 串口数据处理模块主要完成的是对于串口数据流的电平转换和数据格式的处 理，判断串行数据的起始位及停止位，完成对数据和校验位的提取。一般的设计 采用的是m a x 2 3 2 和一片u a r t 的设计思想，这里我们也是遵从这种设计理念，不 过我们采用的是集成了m a x 2 3 2 + u a r t 功能的芯片，小尺寸、低成本、低功耗，而 且采用与s p i t m q s p i t m m i c r o w i r e t m 兼容的串行接口，节省线路板尺寸与微控制 器的i o 端口。 我们提出的这种模块化的方案的优点在于：采用高速度、低成本的的8 位微 控制器，外围器件少，系统成本低；并且采用通用的开发平台，可以大幅度地缩 短开发周期并降低开发成本。 二、硬件工作流程及应用架构 主处理器首先初始化网络及串i z i 设备，当有数据从以太网传过来，处理器对 数据包进行分析，如果是a r p ( 物理地址解析) 数据包，则程序转入a r p 处理程序； 如果是i p 数据包且传输层使用u d p 协议，端口正确，则认为数据包正确，数据解 包后，将数据部分通过端口所对应的串口输出。反之，如果从串i e l 收到数据，则 将数据按照u d p 协议格式打包，送入以太网控制芯片，由其将数据输出到以太网 网中叫。 可以知道，主处理模块主要处理t c p i p 协议的网络层和传输层，链路层部分 由以太网控制芯片完成。应用层交付软件系统来处理，用户可以根据需求对收到 的数据进行处理。 一“茜擎6 8 ! ， 图3 ，2 串口服务器简要工作流程 1 0 一影八j一 重庆邮l 乜学院颂士论文 图3 3 和图3 4 是串口服务器基于应用的两种架构模式，可以看到，不同的 应用所对应的信号的传送模式不同。 主机 串口设备 图3 3 基于主机的连接方式 3 1 2 硬件系统模块分析 图3 4 点对点的通信方式 根据硬件系统的具体结构和不同功能，我们可以将硬件系统划分以下几大模 块来分别进行设计： 处理器模块 模块概述 该模块是串口服务器的核心部分，主要出毛处理器、可编程逻辑器件、数据 及程序存储器等器件构成，图3 5 给出了主处理模块内部的信号流程。 主处理模块完成的功能主要有： 重庆邮电学院硕士论文 p 在串口数据和以太网i p 数据之问建立数据链路； 通过对以太网控制芯片的控制读写来实现对i p 数据包的接收与发 送； 判别串行数据的格式，完成对串口设备的选择以及对串行数据流格 式的指定； 实现串口数据流与i p 数据包之间的速率控制，对接收和发送的数据 进行缓冲处理： 对u a r t 年e i 以太网控制芯片的寄存器进行读写操作，并存储、转发器 件状态； 图3 5 丰处理模块内部信号流程 完成对总线数据的串并行转换；完成总线地址锁存功能“：完成对 各个串 2 1 以及各个存储器件的片选功能；完成对各个串口的中断口 重庆邮屯学院硕士论文 的状态判别等功能。本模块的信号处理单元内部信号流程图如图3 6 所示。 部分器件 在器件的选择中，我们充分考虑了串口服务器所要完成的各项功能和技术要 求，选用了以下一些器件来完成主处理模块的功能： 地址线 串行 墒出教据 井行 辅出数据 并打 输 数据 并行 输 数据 串行 锖 散据 控制信日、 时钟信号 图3 6 信号处理单元内部信号流程图 岍m e g a l 2 8 1 a t m e g a l 2 8 芯片作为主处理模块的处理器芯片，它是一种非常适合于嵌入式 应用的高性能、高集成度的8 位微处理器，功耗低。该主处理模块还可实现数据 线地址线复用、串并转换、器件中断信号译码、时钟信号生成、数模信号接入、 l c d 液晶显示控制等功能，保证了稳定性和高可靠性和具有升级的优势。 匝亟囹 e p m 7 1 2 8 s ，逻辑密度2 5 0 0 个可用门，1 2 8 个宏单元，对外有6 8 个i o 引脚， 组合传播延时短，1 6 位计数器的频率为1 2 5 m h z ，支持在线现场可编程操作，只要 用一根专用电缆接到芯片的特定引脚上，无需拆下芯片，不需要编程器及芯片适 配器，通过上位机打印口就可对芯片编程。 二以太网接口及控制模块 模块概述 这个模块主要由以太网接口部分和以太网控制部分所构成1 “。 l 以太网接口部分l 重庆邮电学院硕上论文 3 7 。 其中，以太网接口部分完成的是串口服务器与以太网接口电路的功能，见图 发送 敏据 接收 数据 发送接收 控制 以 太 网 状志指示 图3 7 以太网接口部分信号流程图 图中，控制器对所有模块均有控制作用，使整个接口电路能协调的配合后续 电路完成以太网的收发功能。 图3 8以太网接口的工作流程图 由于以太网采用c s m a c d ，所以它是半双工的，既是说在发送的时候就不能接 收，接收时就不能发送，因而在设计电路时必须充分的考虑这一点。图3 8 是以 太网接口的工作流程。 图中，t p o 是以太网发送端，t p i 是以太网接收端，t e n 是发送使能端，c o l 为冲突输出端；a 代表有效，i 为无效。 可见，以太网的收发对时序是有相当高的要求的。其具体收发时序如下： 开始部分 1 4 重庆邮电学院硕士论文 t p l p ，t p i n c d r c l k 结束部分 r x d t p i p ，t p i n c d r c l k r x d 10 i1 ii1 0 11t o i l 11l0 i 1t o1 c0 1 11 0 1 1l0 ( i 10 1 10 l 10 10 开始部分 t e n t c l k t x d t p o 10 i1 0 i 1 io t10 i11i 10 1 1 0 11l0 i1i o i 110 0 结束部分 重庆邮电学院硕上论文 i 以太网控制模测 以太网控制部分由收端和发端组成，在他们之间还有以太网状态检测和控制 单元，以及收发协调控制器。由于以太网是半双工工作的，所以这个部分必须随 时的监视以太网的状态，并且要根据需要对以太网芯片进行控制，同时还要协调 好内部收发端电路的工作状态。以太网检测单元和收发协调控制器就是完成这样 一个功能。以太网状态检测单元与以太网接1 5 的控制器接口，将接1 5 1 的状态送到 收发协调控制器，同时将协调控制器的控制信号进行处理，并送到以太网接口的 控制器，以控制接口的状态“。 它们的信号流程图如图3 9 所示，在收端，接受到的串行数据流信号通过主 处理模块进行串并转换和编码，以太网控制单元控制各部分协调，将产生的地址、 数据、写信号送到r a m 读写控制单元进行处理。相应的，发端的工作流程和收端 相反。 图3 9以太网控制部分信号流程图 重庆邮电学院顾士论文 部分器件 i 墨! 坚! ! ! 围 r t l 8 0 1 9 a s 支持i e e e 8 0 2 3 ：支持8 位或1 6 位数据总线；内置1 6 k b 的s r a m ， 用于收发缓冲；全双工，收发同时达到l o m b p s ；支持l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、l o b a s e t ， 并能自动检测所连接的介质，支持i o b a s e t 的自动判别，8 线程中断请求，1 6 个 i o 基地址选择等功能。r t l 8 0 1 9 a s 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器组和p n p 寄存 器组( 本系统不用到p n p 寄存器组) 。n e 2 0 0 0 寄存器分为4 页，都映射到1 6 个i o 端口地址上。主机通过命令寄存器( c r ) 中的p s o 、p s l 位来寻址不同的页，通过 1 6 个i o 口地址来寻址页内寄存器。 一竺位上k b 五甚去? 冀堕坠 一一立雉盔殛摩配直避避墨堑卫担銎墨骆 。二二= ! i 0 卫一i j 一焉，川! j | ! 。【蓬蔫i ii i 【蓟i 望li 川ll | _ 、r ：1 癜 、起竺l 丽醢魅：，盥甚噬匿高叠0 鼍怛， 一墨盟盔翌耋兰雹四窭虹里箜譬玉旦婴已e ! r l 二= 墓匹重基_ 一一i i - z ：e 五羹孽五日直孟强美雹匠譬髓蔷噩删 图3 1 0 串口接口模块数掘处理信号流程图 垂庆邮电学院顾l 论文 g 一- - - j 篁：固j 1 富 口 图3 1 l 接口信号流程图 主要器件 这个部分的器件用于完成对串口数据流电平转换和数据格式处理，为串口服 务器系统提供串口数据通道。 匦墨! ! ! ! 目 m a x 3 1 i o e 将全功能通用异步收发器( u a r t ) 与带有1 5 k ve s d 保护的2 收2 发r s 一2 3 2 收发器、电荷泵电容集成于单片2 8 脚i c 内，适用于小尺寸、低成本、 低功耗等应用。采用与s p i t m q s p i t m m i c r o w i r e t m 兼容的串行接口，节省线路板 尺寸与微控制器的i o 端口。 m a x i m 特有的低压差输出级使其内部r s 一2 3 2 收发器在v c c = + 3 v 时仍能满足 r s 一2 3 2 标准；电流损耗仅为6 0 0ua ，停机模式下，电流降至1 0ua ，而接收器仍 保持有效以对外部电路进行监测。m a x 3 1 i o e 的u a r t 包括晶振和波特率发生器， 通过软件控制分频比可获得通用的3 0 0 波特至2 3 0 k 波特的波特率，内部u a r t 与 r s 一2 3 2 收发器能够独立工作。 3 。1 3 存储器大小的确定及访问方案 要使目的设备、连接目的串口设备的系统和网络内的客户作为一个整体具有 良好的性能，运输协议的设计与实现特别重要。 由于我们要连接的一方是很高速率的以太网，一方是速率很低的串行数据流， 因而引进存储器用来做缓冲的必然的。而使用了缓冲存储器必然就会引起信号传 输的时延。为了尽量减小时延，必须考虑使用一定的存储方案。 我们基于实现及控制难度的考虑，首先确定缓冲区的大小与t c p i p 数据传输 速率的最优比值。我们考虑到从低速的串口数据传输到高速的以太网数据包传输 对于缓冲区的要求不大，所以，下面的模型建立和算法实现丰要针对的是从高速 雩 皇堡! ! ! ! ! 皇兰堕堡主笙塞 以太网数据传输往低速串口数据传输的方向“。 在我们的系统实现中，对于串口数据传输方向，我们一般事先设定双方的波 特率，这样，在串口一方，数据的传输速率可以认为是常量w ，而在以太网一方， 数据传输的速率r 在大部分时段是高于w 的，这样在两种相异的速率之间，必须 要一个数据存储区来缓冲速率的不同，从而使得数据传输正确和系统工作的正常， 而存储区的大小是不是越大越好呢? 越大的存储器，成本越高，而且，c p u 处理 不同大小的存储器，代码段的长度也有不同，地址读取和数据读写难易度也有所 不同，在这几个变量之间，我们需要寻找一个最优化的值，既使得成本较低，又 可以让存储效率较高。 3 1 3 1 理想水池模型的建立 首先，我们根据这些条件先建立一个最理想化的模型，用以作为整个系统的模 型，从这个模型中，我们再分析缓冲区的大小到底与哪些变量相关，然后根据对 这些量的分析和模型建立，最后建立个完整的系统模型。 如图4 一l 所示，这个系统理想模型我们可以把它看作是一个水池模型，水池 的容量q 代表存储器的大小，进水龙头代表的是网络数据流量l ，这个流量l 是 变化的；水从龙头到水池的所流经水管的时间t 代表的是系统处理数据的相应 时间，水管越长，水流到池子的时间t 也就越长：出水口流量v 代表的是串口 设备数据流量，这里v 可以根据系统和模型建立的需要由系统设定为一个恒定的 常量。 我们首先来计算q 的大小与什么相关。出这个模型可以看出，在固定的时间 长度t 内，池子的大小q 与流入的总水量，流出的水量，管子的长度相关，管子 越长，t 越长，那么，流出的水就越多，池子的空余空间也就越大，就可以容 纳更多的进水。 图3 1 2 理想水池模型 模型建立起来，我们开始寻找相应的算法予以支持，在这里我们先根据模型 设定几个变量和常量。 l ( t ) ：进水口的水流速率； 1 9 重庆邮电学院硕f 论文 上：r 7 三o 如则代表t 时间片内流入的水量多少。在实际系统中，它所代表 的是以太网络中客户的i p 数据在t 时间长度中流入系统的流量。 q ：水池容量大小，这个是我们所要求的值。q 在实际中为系统缓冲区的大小。 为了算法的简便，我们设定在初始时刻水池中有少量的水支持出水口的流量； t ：在模型中，我们设定k 为水管长度，根据实际的系统应用，这个长度k 随着q 的大小变化而变化，也就是k = f ( q ) ，另设s 为水管横截面的面积。在系 统中，它所代表的是系统在t 时间长度里处理数据的相应时间； 这样： k x s = r 三o 谤 出。f 面 代入k = f ( q ) 可得 拈f r i 纰o ) s2 尚 设定： t ：总时间长度。 v ：出水口流量大小，这里是一个恒定值 算法描述： q = f o 胁一y x ， 扯尚。尚 联立求得 m - f 靴批尚 可见，q 的大小与l ( t ) 相关，所以，我们先必须根据需要建立一个关于网络流 量的模型来确定l ( t ) ，再由l ( t ) 来确定l ( t ) 一q 的关系，并用此关系式来求得一 个容量最优的值。 3 1 3 2 以太网网络流量模型的建立“” 网络流量模型是网络性能分析和通信网络规划设计的基础，精确的流量模型 对于系统的运行机制，流量控制机制的确立和编程思想都有很大的帮助。 重壅型鱼兰堕堡主笙苎 一 在通信网络技术发展的3 0 年里流量模型研究一直倍受人们关注。7 0 年代和 8 0 年代的早期人们主要借鉴p s t n 的流量模型，用p o f s s o n 模型来描述数据网络 的流量模型，我们一般称其为经典流量模型，基本假设为： ( 1 ) 外部数据源产生流量的时间间隔为指数分布，即数据源到达过程为一 p o l s s o b 过程，令 g ( f 】j = 1 , 2 ，一n g ( i ) 为数据包i 和i + l 的间隔时间； ( 2 ) 数据源一次产生流量的长度服从指数分布，令 口( f l f = l ，2 ，n ，h ( i ) 为数据包i 的数据长度； ( 3 ) g ( i ) 和h ( i ) 相互独立。 由假设( 1 ) ，随着数据源的增加，累计流量将趋近一个平均流量值，但实验 测试的结果并不是如此。在数据通信网络技术发展的多年以来，网络研究者意识 到统计模型越来越不适合表示数据通信网流量特征，一直在试图描述精确的数据 通信网流量模型。 根据流量的突发性特征，可以采用非概率统计的方法建立一个突发性约束的 流量模型，它的基本模型可以描述为： 假设lr 表示t 时刻网络的流量速率，f l ( t ) d t 表示在i x ，y 时段网络的数据 包数，设6 为突发流量，p 为平均流量，则存在6 0 并且p 0 ，满足 f 三( t 占+ p i y x i 即实际网络的流量必然满足突发性约束。根据网络( j ，p ) 约束还计算了 网络延迟上界和网络单元缓冲区大小上界等问题，描述各种不同组网技术、不同 应用的网络流量特征。 我们把网络传输速率分为趋势传输速率分量矿( f ，) 和周期性传输速率分量 a ( i ) ( 不变分量) ，如下式所示。 0 ，) = 4 ( f ) + y ( f ，) 其中l ( i ，) 表示网络被开始测试后的第j 个时间片的i 时刻的传输速率 ( b p s ) ，矿( f ，) 表示第j 个时间片对传输速率影响因素( 趋势因素) ，彳o ) 表示去 除趋势发展因素外的周期性传输速率。v ( i ，) 暂时考虑和时刻无关，我们采用( 2 ) 来预测y ( f ，) 。 2 l 蕈庆邮电学院硕士论文 v ( f ，) ( ，一1 ) t = ( f ，卜1 ) 血一上( f ，o ) f ( 2 ) 由式( 1 ) 和( 2 ) ，只要求取4 ( f ) ，则网络传输速率l ( i ，_ ，) 可知。以下我们将 讨论爿( f ) 。 对于任意的通信链路l ，任意的一段时间( x ，y ) ，一定存在非负常数 ( 6 ，p ) 满足 f 4 ( i ) d y 万+ p k y l ( 3 ) 其中f a ( i ) d i 表示, ( x ，y ) 时间段的周期性网络流量，即实际网络流量减去 历史增长趋势的网络流量“。 证明：假设网络的极限传输速率为p ( b p s ) ，例如e t h e r n e t 极限传输速率 为l o m b p s ，由( 1 ) 式知一( f ) = v ( i ) 一l ( i ，) ， f a ( i ) d i = r ( 三( f ，) 一v ( i ，朋讲( 卢一v ( i ，j ) ) l y x l 令p = 一y ( f ，) ，易知( 3 ) 成立。 假设y 斗。，由( 3 ) 知，p 大于平均传输速率；假设j ，斗x ，由( 3 ) 知，6 大 于网络的突发流量。因此我们只要求取最小的fj ，p 土即可得f 爿( f ) 折的上界， 并由( 1 ) 式估计预期最大的网络流量。 为了配合后面实现的系统模型的建立，假设在l o t 时间长度中以时间间隔为 a t ( s e c ) 采集参数，由( 1 ) 式得到一系列的传输速率 上( 1 ，) ， 上( 2 ，) ，l ( 1 0 t a t ，) ) ，其中( f ，_ ，) 意义同( 1 ) 式。由( 1 ) 、( 2 ) 式易得 爿o ) ， a ( 2 ) ，a ( 1 0 t a t ) 。利用( 4 ) 求取不变链路传输速率平均值，m 为时间片的个 数： 1 0 t ，a t j = z a ( o ( m + l o t a t l ( 4 ) 丁在i 时刻与实际不变链路传输速率爿( j ) 的差值为： 8 ( i ) = a ( 0 一一a ( 5 ) 重庆邮电学院坝士论文 万= 6 ( o l i n ( 6 ) 易证( 一6 ，一a ) 为( 占，爿) 的无偏估计1 “。 建立预测流量模型的作用在于，在我们已知一些时间段内网络流量大小的前 提下，对网络的最大流量进行预测，并得到最大流量邻域内的流量预测分布”。 在解决了网络流量模型的问题后，我们结合系统来分析缓冲区大小与网络流 量之间的关系值。 3 1 33 缓冲区大小的确定 我们同样可以通过建立一