摘 要：隨著Internet的迅速發(fā)展，TCP／IP協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，成為嵌入式Internet發(fā)展的瓶頸。用ASIC設(shè)計(jì)TCP／IP協(xié)議器時(shí)，根據(jù)嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)，將TCP／IP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化。從協(xié)議處理器簡(jiǎn)化宏?duì)顟B(tài)轉(zhuǎn)移圖出發(fā)，根據(jù)TCP／IP協(xié)議的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)微程序控制單元，該控制單元根據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、定時(shí)部分和數(shù)據(jù)通道中的狀態(tài)信號(hào)和控制標(biāo)志，完成對(duì)數(shù)據(jù)通道、定時(shí)部分的控制及與數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層通信的接口，來實(shí)現(xiàn)連接的建立、斷開和異常情況的處理。
關(guān)鍵詞：Internet；TCP／IP協(xié)議；微程序控制

中圖分類號(hào)：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

因特網(wǎng)從出現(xiàn)到如今的巨大規(guī)模，其發(fā)展速度令人驚嘆。因特網(wǎng)發(fā)展的原動(dòng)力在于微電子技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化的TCP／IP協(xié)議，TCP／IP協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)的格式以及數(shù)據(jù)傳送的方式和過程。目前，TCP／IP協(xié)議是在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的支持下，由軟件來實(shí)現(xiàn)的。但是對(duì)于家用電器、移動(dòng)電子設(shè)備等簡(jiǎn)單用戶數(shù)據(jù)終端，即目前大量使用的8bit和一些16bit嵌入式系統(tǒng)來說，沒有TCP／IP協(xié)議可以依附的硬件基礎(chǔ)。因此，它們無法接入Internet，限制了其更快的發(fā)展與更廣泛的應(yīng)用。為了使簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)用戶終端與Internet相連，我們需要用ASIC設(shè)計(jì)TCP／IP協(xié)議器或設(shè)計(jì)成IP核嵌入到系統(tǒng)芯片內(nèi)部[1]，來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單用戶終端與Internet共享數(shù)據(jù)資源。而TCP／IP協(xié)議處理器的控制部分是處理器的，它控制TCPdP協(xié)議處理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移及其對(duì)數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送與接收，對(duì)TCP／IP協(xié)議處理器的性能優(yōu)劣起決定作用。本文提出用微代碼控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議處理器的數(shù)據(jù)路徑和定時(shí)部分的控制，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單用戶數(shù)據(jù)終端的Internet連接提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 TCP／IP協(xié)議處理器控制部分的原理

TCP／IP協(xié)議處理器獨(dú)立于傳輸媒質(zhì)(如光纖、以太網(wǎng)和無線傳輸?shù)?和用戶應(yīng)用，該處理器實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議簇中網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的兩種主要協(xié)議TCP和IP協(xié)議，而且根據(jù)嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)，可以分別將TCP／IP協(xié)議簡(jiǎn)化，使它們用ASIC設(shè)計(jì)時(shí)所占的芯片面積減少，以降低成本。

IP提供一種不可靠的、五連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它只是盡力傳送數(shù)據(jù)報(bào)，希望能到達(dá)主機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)中主要實(shí)現(xiàn)尋址和分段功能[2]。在大部分嵌入式Internet中，由于只需傳送一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)和命令，一般數(shù)據(jù)報(bào)的長度很小，足以適合在任何網(wǎng)絡(luò)中傳送，因此對(duì)于分段的功能可以裁減不要。在IP數(shù)據(jù)包頭中，服務(wù)類型是指一些服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)，這些參數(shù)用于在特定網(wǎng)絡(luò)指示所需要的服務(wù)，還有包括時(shí)間戳、安全和特殊路由等選項(xiàng)，在數(shù)據(jù)報(bào)中都可以沒有。

TCP即傳輸控制協(xié)議，通過使用序列號(hào)和確認(rèn)信息，為不同主機(jī)的進(jìn)程之間提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)，只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)端口，并且還可以根據(jù)具體應(yīng)用的情況將TCP狀態(tài)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后狀態(tài)轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)連接的被動(dòng)建立與主動(dòng)斷開。

在上述簡(jiǎn)化條件下，經(jīng)過簡(jiǎn)化后的TCP／IP協(xié)議處理器的宏?duì)顟B(tài)轉(zhuǎn)移圖[3]如所示。

一開始協(xié)議處理器處于偵聽狀態(tài)，收到遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送syn報(bào)文時(shí)，發(fā)送ack+syn報(bào)文，進(jìn)入接收連接請(qǐng)求狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)包。收到ack報(bào)文時(shí)，進(jìn)人數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)中協(xié)議處理器可以與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)接收到上層用戶發(fā)出的close，就開始關(guān)閉，并發(fā)送fin報(bào)文，進(jìn)入關(guān)閉等待1狀態(tài)，接收到ack報(bào)文，到關(guān)閉等待2狀態(tài)，接收到fin報(bào)文，發(fā)送ack報(bào)文，回到偵聽狀態(tài)等待被動(dòng)打開。

控制部分的主要功能是：從應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、數(shù)據(jù)通信的控制標(biāo)志位和定時(shí)器接收狀態(tài)轉(zhuǎn)移信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)處理器宏?duì)顟B(tài)和微狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通道、定時(shí)部分的控制，完成應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信接口；使定時(shí)部分正確對(duì)TCP／IP頭長度、數(shù)據(jù)長度和重發(fā)進(jìn)行定時(shí)，使數(shù)據(jù)通道對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并取其TCP／IP頭控制信息；使協(xié)議處理器能順利地建立和撤銷連接、接收、發(fā)送數(shù)據(jù)和對(duì)異常進(jìn)行處理。

3 TCP／IP協(xié)議處理器的微程序控制

處理器控制部分可用微程序控制和硬布線控制來實(shí)現(xiàn)。硬布線控制方法是，尋找微操作控制信號(hào)的布爾代數(shù)表達(dá)式，化簡(jiǎn)表達(dá)式之后直接利用門電路、觸發(fā)器等器件實(shí)現(xiàn)組成的有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。由于TCP／IP協(xié)議處理器的復(fù)雜性，采用硬布線來實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，設(shè)計(jì)過程很復(fù)雜而且容易出錯(cuò)[4]。微程序控制方法的基本思想是：控制單元的每個(gè)狀態(tài)周期應(yīng)發(fā)出的控制信號(hào)由微程序控制單元發(fā)出一條微指令來完成，使整個(gè)過程變得簡(jiǎn)單可行。

3.1 微程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)

微程序控制部分主要由三部分組成：微程序ROM、地址產(chǎn)生邏輯和微指令寄存器。微程序ROM大小為256個(gè)單元，用于存放微指令，每條指令的字長為64bit，微指令的格式如所示。

Controlsignal字段，包含了執(zhí)行該微指令時(shí)輸出的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通道、定時(shí)部分的控制，并給出協(xié)議處理器，與應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層通信的接口信號(hào)；Sensitivity item select字段，采用“單熱”編碼來選擇在執(zhí)行該指令的狀態(tài)時(shí)所敏感的條件信號(hào)；Next address給出了當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，接下來應(yīng)執(zhí)行的微指令的地址，否則順序執(zhí)行。由于TCP／IP協(xié)議應(yīng)用在不同具體系統(tǒng)時(shí)的要求不同，各個(gè)字段留出了一定余地，以適應(yīng)不同系統(tǒng)的要求。

微程序計(jì)數(shù)器(MPC)用于存放ROM的地址。地址選擇邏輯根據(jù)定時(shí)器、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層給出的狀態(tài)信號(hào)、數(shù)據(jù)通道給出的控制標(biāo)志和當(dāng)前指令的Sensitivity item select來決定下一條微指令的地址。實(shí)現(xiàn)／頃序執(zhí)行或轉(zhuǎn)移到Next address。當(dāng)應(yīng)用層檢測(cè)到有發(fā)生，就發(fā)出復(fù)位信號(hào)(reset)，把程序計(jì)數(shù)器復(fù)位，即可使協(xié)議處理器回到初始狀態(tài)，完成對(duì)異常的處理。

微指令寄存器MIR，用于緩存微指令，以改善控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，消除由于ROM的延時(shí)引起的控制單元速度變慢[5]，并基本上可以消除ROM的延時(shí)對(duì)時(shí)鐘周期的影響，而且還加快了控制信號(hào)的輸出，保證數(shù)據(jù)路徑有足夠的時(shí)間來完成時(shí)鐘周期內(nèi)的操作。

3．2 微程序控制單位的時(shí)序分析

從ROM中讀出一種控制信號(hào)分兩步進(jìn)行：步，在主時(shí)鐘的下降沿，將ROM的地址載人微程序計(jì)數(shù)器；第二步，在主時(shí)鐘的上升沿，把微指令載人MIR，由MIR給數(shù)據(jù)路徑和定時(shí)部分提供控制信號(hào)。以上分析可知，控制部分對(duì)主時(shí)鐘周期(T)的要求是：

T>2(MPC_delay+ROM_delay+MIR_setup_time)且，T>2(MIR_delay+地址產(chǎn)生_delay+MPC_Setup_time)。

為了提高頻率，從可看出，微程序計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘的下降沿載人，這就要求ROM的地址要盡早產(chǎn)生，可以采取兩種策略：一是在數(shù)據(jù)通道、定時(shí)部分減小控制標(biāo)志和狀態(tài)標(biāo)志產(chǎn)生的延時(shí)；二是在設(shè)計(jì)過程中，微指令中的Sensitivity item select字段采用“單熱編碼”，以犧牲ROM的指令空間為代價(jià)，減小控制器的地址產(chǎn)生邏輯的延時(shí)，以便提高速度。

3．3 微程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)簡(jiǎn)化的TCPAP協(xié)議處理器的宏?duì)顟B(tài)轉(zhuǎn)移圖和控制器硬件結(jié)構(gòu)，微程序設(shè)計(jì)流程圖如所示。由于微指令字段中采用“單熱”編碼方式，所以對(duì)于某個(gè)特定的控制狀態(tài)，控制器只能檢測(cè)單個(gè)信號(hào)。微程序轉(zhuǎn)移時(shí)只有順序執(zhí)行和轉(zhuǎn)移兩種選擇，所以設(shè)計(jì)微程序時(shí)要避免多分支。為了解決在控制過程中需要檢測(cè)多個(gè)控制標(biāo)志導(dǎo)致的多分支狀態(tài)，可以將其狀態(tài)分解，如在發(fā)送syn+ack的后續(xù)狀態(tài)時(shí)，要檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)“超時(shí)”和“是否有數(shù)據(jù)要接收”，來判斷是保持原狀態(tài)還是接收數(shù)據(jù)或重發(fā)數(shù)據(jù)。用一個(gè)狀態(tài)一條微指令無法實(shí)現(xiàn)上述三分支狀態(tài)，必須將該狀態(tài)分解成兩個(gè)狀態(tài)。如所示，通過“檢測(cè)是否接收數(shù)據(jù)”和“檢測(cè)是否超時(shí)”，來實(shí)現(xiàn)雙重檢測(cè)和多分支狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜上所述，微程序控制單元能根據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、定時(shí)部分和數(shù)據(jù)通道中的狀態(tài)信號(hào)和控制標(biāo)志，產(chǎn)生協(xié)議處理器數(shù)據(jù)通道和定時(shí)部分所需的控制信號(hào)，發(fā)出與應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層的接口信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)建立端到端的連接、數(shù)據(jù)的雙向傳送、連接的斷開和異常情況的處理等任務(wù)。