基于dsp和以太網的數據采集系統軟件設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 僅停留在企業與企業及與個人在商務方面的信息交上，例如電子商務 ebusiness 等，Inter 技術將會深入到人們日常生活和工作的電子設備中，而且勢不可擋，隨著 IA(信息電器)的出現，嵌入式網絡技術正逐步取代傳統的以 PC 為中的應用，成為未來 Inter 發展中的主力軍，將會廣泛應用于智能家居系統、工業智能化站系統、LED 網絡控制顯示屏系統、網絡安全加密系統等各個領域的各個方面。各國信息界仁都在密切關注并積極研究電子設備與 Inter 的連接問題。DSP 芯片是專門為實現各種數字信號處理算法而設計的、具有特殊結構的微處理器，其卓越的性能、不斷上升的性價比、日漸完善的開發方式使其應用越來越廣泛。將計算機網絡技術引入以 DSP 為核心的嵌入式系統，使其成為數字化、網絡化相結合，集通信、計算機和視聽功能于一體的電子產品，必將大大提升DSP 系統的應用價值和市場前景。“ 基于 DSP 和以太網數據采集系統”的研究工作解決了以 DSP 為核心的處理系統與 Inter 的連接問題，為 DSP 設備的應用開辟了更為廣闊的前景。 本章小結 在本章中，主紹介紹了基于 DSP 和以太網數據采集系統的畢業設計的背景和依據，同時結合設計的現實意義及設計中的關鍵問題做了一些簡單分析，從而提出了簡要的解決方案。做了有意的探索。 此外，對所設計課題的現狀和趨勢也做了必要的調查和了解，看到了它的潛在價值、意義和巨大的市場。西南科技大學本科生畢業論文 5第 2 章 網絡協議概述及規范本章主要討論我們將要實現的網絡協議 TCP/IP 協議簇中一些相關協議的基本理論和概念，它們的具體實現形式這章不做進一步的說明，待后續章節中再討論，本章是我們進行畢業設計網絡傳輸的理論基礎和行為規范，對設計圓滿完成起著重要的作用。 概述 引言 網絡協議是網絡通信的基礎,特別是 TCP/IP 協議簇已成為當今計算機間最常用的網絡通信標準，是全球互聯網(Inter)的基礎。很多不同型號的計算機，運行完全不同的操作系統，但 TCP/IP 協議簇卻允許它們之間相互通信，TCP/IP 協議簇的作用極其重要,在現代信息社會中的作用已經超出了原來期望成為網絡通信的重要組成部分,發揮著越來越大的效能 [4]。 網絡協議的分層 在計算機網絡中要想做到有條不紊的交換數據,就必須遵守一些事先約定好的規則,這些規則或標準就是網絡協議。網絡協議通常分不同層次，每一層分別負責不同的通信功能。不同的協議簇就有不同的層次劃分，我們這次設計采用 TCP/IP協議簇。TCP/IP 協議通常被認為是一個四層協議系統。每一層負責不同的功能: 鏈路層。有時也稱作數據鏈路層或網絡接口，通常包括操作系統中的設備驅動程序和計算機中對應的網絡接口卡。在發送數據時，數據鏈路層的任務是將在網絡層交下來的 IP 數據報組裝成幀，在兩個相鄰接點間的鏈路上傳送以幀為單位的數據。 網絡層。有時也稱作互聯網層，負責為分組交換網上的不同主機提供通信。網絡層在處理分組在網絡中的各種活動，例如分組的選路。在 TCP/IP 協議簇中，網絡層協議包 IP 協議(網際協議)，ICMP 協議等。運輸層。主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。在 TCP/IP 協議簇中，有兩個互不相同的傳輸協議:TCP(傳輸控制協議)和 UDP(用戶數據報協議)西南科技大學本科生畢業論文 6。TCP 為兩臺主機提供高可靠性的數據通信。它所做的工作包括把應用程序交給它的數據分成合適的小塊交給下面的網絡層，確認接收到的分組，設置發送最后確認分組的超時時鐘等。由于運輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應用層可以忽略所有這些細節。UDP 則為應用層提供一種非常簡單的服務。它只是把稱作數據報的分組從一臺主機發送到另一臺主機，但并不保證該數據報能到達另一端。任何必需的可靠性必須由應用層來提供。本課程設計采用了 UDP 用戶數據報協議。應用層。負責處理特定的應用程序細節。幾乎各種不同的 TCP/ IP 實現都會提供下面這些通用的應用程序: Tel 遠程登錄、FTP 文件傳輸協議、SMTP 簡單郵件傳送協議、SNMP 簡單網絡管理協議 [4]。 協議規范 地址解析協議(ARP) 以太網上數據的傳輸是采用網絡的 MAC 地址來進行識別的，這就要求系統有實現 IP 地址到 MAC 地址的轉換的功能，即 ARP(地址解析協議)。系統要同其它計算機通信，需要根據 IP 地址獲得 MAC 地址，就必須要支持 ARP 協議。 在 ARP 背后有一個基本概念，那就是網絡接口有一個硬件地址(一個 48 bit的值，標識不同的 Ether 或令牌環網絡接口)。在硬件層次上進行的數據幀交換必須有正確的接口地址。但是，TCP/IP 有自己的地址，即:32 bit 的 IP 地址。知道主機的 IP 地址并不能讓內核發送一幀數據給主機。內核 (如 Ether 驅動程序)必須知道目的端的硬件地址才能發送數據。ARP 的功能是在 32 bit 的 IP 地址和采用不同網絡技術的硬件地址之間提供動態映射。在 ARP 協議中，將檢索的地址(MAC 地址) 作為硬件地址，將檢索地址的原來地址(IP 地址)作為協議地址。 在 ARP 協議中的操作，對于連接在同一個 Ether 段上的所有主機來講，需要發送一個查詢包，即 ARP 請求包。對于指定地址的接口而言，要求通知其MAC 地址。在同一個 Ether 段上的所有主機都可以收到該 ARP 請求包，并且，ARP 協議將接收端的 IP 地址與接口的 IP 地址作比較，若相同，則使用 ARP 應答包來通知其 MAC 地址。我們還要檢索對應于 IP 地址的 MAC 地址。使用 ARP 協議檢索到的信息都記錄在一個 ARP 表中，ARP 表作為高速緩存器進行操作，在發送同一個 IP 地址的時候，從該表中可以檢索到 MAC 地址，值得注意的是，該標記錄的信息，在寫入數分鐘后就會被刪除，這是因為同一 NIC 可以設定任意的西南科技大學本科生畢業論文 7IP 地址，在表中記錄的信息刪除后，同一 IP 若要發送數據，則需再次執行 ARP協議的操作。 網際協議(IP) IP 是 TCP/IP 協議簇中最為核心的協議。所有的 TCP, UDP, ICMP 及 IGMP 數據都以 IP 數據報格式傳輸如圖 21。IP 提供不可靠、無連接的數據報傳送服務 [6]。圖21 IP數據報格式IP協議中各字段的含意為：版本：目前的協議版本號是4，因此IP有時也稱作 IPv4。新的協議版本號為Ipv6，但還沒有廣泛使用。首部長度：指的是首部占32 bit字的數目包括任何選項。由于它是一個4比特字段，因此首部最長為60個字節。普通IP數據報（沒有任何選擇）項字段的值是5，即頭部長度為20字節。服務類型字段：包括一個3bit的優先權子字段，現在已被忽略，4bit的TOS子字段和1 bit未用位，但必須置0，4bit的TOS分別代表：最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用，4 bit中只能置其中1 bit，如果所有4 bit均為0，那么就意味著是一般服務，現在大多數的TCP/IP實現都不支持TOS特性。該項一般設為全0。總長度字段：是指整個IP數據報的長度以字節為單位。利用首部長度字段和總長度字段，就可以知道IP數據報中數據內容的起始位置和長度。由于該字段長16比特，所以IP數據報最長可達65535字節。標識、標志、片偏移字段：這3個字段用來控制數據報的分片與重組。標識4位版本 4位首部長度 8位服務類型（TOS）16位總長度（字節數）16位標識 3位標識 13位片偏移8位生存時間 8位協議 16位首部檢驗和32位源IP地址32位目的IP地址選項數據西南科技大學本科生畢業論文 8字段唯一地標識主機發送的每一份數據報，通常每發送一份報文它的值就會加1。3bit的標志字段中的第一位決定是否進行分片，當該位置1時表示不分片，在該系統中傳輸只是在以太網中進行，其MTU（maximum transfer unit）為1500字節，而實際傳輸的數據量不會超過一個數據包，所以對IP 數據報不分片。所以，在系統中不必考慮數據報的分片與重組。TTL（ timetolive）：生存時間字段設置了數據報可以經過的最多路由器數。它指定了數據報的生存時間，TTL的初始值由源主機設置，通常為32bit或64bit，一旦經過一個處理它的路由器，它的值就減去1，當該字段的值為0時，數據報就被丟棄，并發送ICMP報文通知源主機。協議字段：該字段長度為8bit，標識IP包攜帶的是何種協議數據包。1表示為ICMP協議，2表示為IGMP協議，6表示為TCP協議，17表示為UDP協議。在本系統中，只用到了ICMP協議和 UDP協議。首部校驗和：為了計算一份數據報的IP檢驗和，首先把檢驗和字段置為 0，然后對首部中每個16bit進行二進制反碼求和，整個首部看成是由一串16 bit的字組成，結果存在檢驗和字段中。當收到一份IP數據報后，同樣對首部中每個 16bi進行二進制反碼的求和，由于接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯，那么接收方計算的結果應該為全1；如果結果不是全1，即檢驗和錯誤，那么I P就丟棄收到的數據報。但是不生成差錯報文，由上層去發現丟失的數據報并進行重傳。接下來是源IP地址與目的IP地址，長度都為32位。系統只接收目的地址為本地IP的及廣播地址的數據報。目的地址為廣播地址的數據報用于DHCP 協議中，對系統IP 地址的獲得。發送數據前，程序將高層協議傳遞過來的數據包封裝成IP報文。在發送一份IP數據報之前，首先要在ARP 緩存表中查找目的IP 地址對應的硬件地址（以太網地址），然后按照硬件地址進行以太網數據包封裝。如果不能查到目的IP地址對應的硬件地址，則發送查找該目的IP地址的ARP 請求（如果該IP 地址不是本地局域網內IP 地址，則發送查找網關的IP地址的ARP 請求），將待發送的 IP數據包設置為等待發送狀態，在收到對應的ARP響應并建立完整的地址映射之后再發送出去。西南科技大學本科生畢業論文 9IP提供不可靠、無連接的數據報傳送。不可靠的就是它不保證IP 數據報能成功地到達目的地。無連接就是IP并不維護任何關于后續數據報的狀態信息，每個數據報的處理是相互獨立的，也就是IP數據報可以不按發送順序接收。接收到的每一個數據包，系統程序都根據首部檢驗和、版本號和分片標志等字段的內容檢測數據是否正確，如果數據內容正確再根據協議字段的內容交給相應的協議處理。 互聯網控制報文協議(ICMP) ICMP 經常被認為是 IP 層的一個組成部分。它傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。ICMP 報文通常被 IP 層或更高層協議(TCP 或 UDP )使用。一些 ICMP報文把差錯報文返回給用戶進程。ICMP 報文的格式如圖 22 所示。所有報文的前 4 個字節都是一樣的，但是剩下的其他字節則互不相同。類型字段可以有巧個不同的值，以描述特定類型的ICMP 報文，某些 ICMP 報文還使用代碼字段的值來進一步描述不同的條件。例如:報文“ICMP 不能到達目的地”為類型 8，又可分為 “由于網絡原因不能到達目的地”( 編碼 0) ,“由于主機原因無法到達目的地”(編碼 1) ,“由于協議原因無法到達目的地”( 編碼 2) .....,等等 [6]。8 位類型 8 位代碼 16 位檢驗和不同類型和代碼有不同的內容圖 22 ICMP 報文的格式 當發送一份 ICMP 差錯報文時，報文始終包含 IP 的首部和產生 ICMP 差錯報文的 IP 數據報的前 8 個字節。這樣，接收 ICMP 差錯報文的模塊就會把它與某個特定的協議(根據 I P 數據報首部中的協議字段來判斷)和用戶進程(根據包含在 IP數據報前 8 個字節中的 TCP 或 UDP 報文首部中的 TCP 或 UDP 端口號來判斷) 聯系起來。 用戶數據報協議(UDP) UDP 是一個簡單的面向數據報的運輸層協議:進程的每個輸出操作都正好產生一個 UDP 數據報，并組裝成一份待發送的 IP 數據報。這與面向流字符的協議不同，如 TCP，應用程序產生的全體數據與真正發送的單個 IP 數據報可能沒有什么聯系。 UDP 不提供可靠性:它把應用程序傳給 IP 層的數據發送出去，但是并不保證西南科技大學本科生畢業論文 10它們能到達目的地。應用程序必須關心 IP 數據報的長度。如果它超過網絡的MTU，那么就要對 IP 數據報進行分片。如果需要，源端到目的端之間的每個網絡都要進行分片，并不只是發送端主機連接第一個網絡才這樣做。UDP 數據報和 TCP 段都包含一個 12 字節長的偽首部。偽首部包含 IP 首部一些字段。其目的是讓 UDP 兩次檢查數據是否己經正確到達目的地(例如，IP 沒有接收地址不是本主機的數據報，以及 IP 沒有把應傳給另一高層的數據報傳給UDP )。UDP 協議首部字段包括 12 字節的偽首部和 8 字節的 UDP 首部。UDP 偽首部的作用不是用戶數據的真正首部，只是為了計算檢驗和時，臨時和 UDP 用戶數據連接在一起，得到一個過度的 UDP 數據報，用于就算檢驗和，偽首部即不向下傳輸，也不向上傳輸。UDP 首部和偽首部結構如圖 23 所示：圖 23 UDP 首部和偽首部結構UDP長度字段指的是UD