基于DCS系统DPU的UDP数据报与TCP传输系统软件设计

BYTE QueueSize； BYTE WritePos； / * 下一个写位置* / BYTE ReadPos； ｝； 这个队列提供队列初始化、写入、读出等函数， 以及完成队列操作。 f． 模块和模块间接口 各个模块中有 3 种类型子模块： 一般函数，中 断函数和进程。由于采用队列方式作为模块或层 间接口，所 以 必 须 反 复 查 询 各 个 模 块 的 输 入 队 列， 所有含有输入对列的模块必须有一个反复被调用 的函数及进程。在进程 main 函数中，反复调用这些 进程。
0 引言
近年来随着 ARM 处理器的市场价格下降和其 工业控制性能的不断完善，在嵌入式 DCS 系统分散 处理单元（ DPU） 中已广为应用，因此，为了 ARM 适 用于新型 DCS 主控系统的应用软件的开发，更好地 发挥其主控制器的性能，ARM 处理器各种功能的应 用软件设计就显现得尤为重要。
1 UDP 与 TCP 数据传输原理
TCP / IP 协议可分为一下层次： 应用层，TCP / IP 协议层，网卡驱动。
a． 应用层和 TCP 层的接口 若是客户端，则包括： bind： 绑定本地端口； connect： 当调用 connect 函数时，TCP 负责建立 连接，返回指示值； send： 用其发送应用层数据； receive： 当 TCP 层有数据到达时，TCP 层将触发 On receive 函数，用户可在其中做接收处理； — 266 —
的分散处理单元（ DPU） ，另外在软件设计方面，要通过避免复杂的窗口算法，提高系统通讯效率。该系统软件设计
在协议栈中共创建了网卡接收、TCP、UDP 三个任务。TCP 任务优先级最高，三者通过操作系统提供的功能，实现任
务之间的切换。
关键词： DCS 系统分散处理单元； 软件设计； 传输控制协议 / 互联网协议； 用户数据报协议
close： 需使用其主动与对方断开连接，返回真， 断开超时返回假。
若是服务器，则包含： bind； listen： 在绑定的本地端口监听； 对方发来 连接； send； receive； close。 总的说来，TCP 要提供以上函数给应用层。 b． 协议与网卡驱动接口 发送时，网卡提供 send 函数，当协议调用 send 函数时，网卡驱动负责发送这个包。 接收时，当 网 卡 接 收 到 一 个 数 据 包 以 后，产 生 一个中断，系 统 提 供 一 个 中 断 处 理 函 数，在 此 函 数 中将这个包提交给 TCP / IP 层。 c． TCP / IP 内部层接口 应用层调用 send，要求 TCP 层发送，TCP 层填 好 TCP 头部信息以后，要求 IP 层发送，IP 层检查是 否能在 ARP 缓存中找到 IP 对应物理地址，如没有 则要 ARP 协议发送一个 ARP 请求，如果有，则填写 IP 头。再设一个网络接口层，负责填写 MAC 层头 部，这一层的另外一个功能是将接收网络数据 流 分流。 d． 实现队列层间接口 为了解决底层多余数据包发送问题，将在层次 间设立一个队列，程序循环检测各个层间队列中是 否有元素，若有，提取后处理［3］。队列结构体如下： Struct Queue ｛ BYTE * pQueue； / * buffer cach* /
第 33 卷 第 4 期
黑龙江电力
2011 年 8 月
基于 DCS 系统 DPU 的 UDP 数据报与 TCP 传输系统软件设计
肖楠
（ 黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030）
摘 要： 为了提高 DCS 系统数据传输效率与可靠性，提出该系统应采用基于以低功耗、高性能的 ARM 控制器为主控
1． 1 UDP 工作原理 DCS 系统中通信的信息量比较小，而且通信环
境可靠性比较高，不需要完整的 TCP / IP 栈，这时可
以选择 UDP，简化软件设计 ［1］。UDP 属于 IP 下层 协议，它的字节与 ICMP 中定义的相同，格式如图 1 所示。
UDP 包头由 4 个域组成，每个占 2 字节。UDP 是定义用来在互联网环境中提供数据报的计算机 通信协议。此协议属于 IP 下层协议，不需要连接确 认、保护复制，所以在软件实现上比较简单，需要内 存空间比 TCP 要小。 1． 2 TCP 工作原理
（ Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin 150030，China）
Abstract： In order to enhance the transmission efficiency and reliability of DCS data transmission，this paper proposes to adopt the Distributed Processing Unit （ DPU） based on the ARM controller with low power consumption and high performance as the main controller and points out that the complicated Sliding Window Algorithm should be avoided to enhance communication rate from the aspect of software design． This system software design creates network connection，TCP and UDP，among which the priority of TCP is the highest． The three tasks switch by the function provided by the system． Key words： Distributed Processing Unit of DCS； software design； Transmission Control Protocol / Internet Protocol； User Datagram Protocol（ UDP）
2 软件设计
2． 1 UDP 数据报传输 UDP 数据报传输关键部分是处理 packet RAM
［］中内容，packet RAM 用来存储网络中收到的数据 及发送至网络的数据。程序的核心是处理 TFTP 数
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黑龙江电力
2011 年 8 月
据报 文，它 是 一 种 用 来 传 输 文 件 的 简 单 协 议，运 行 于 UDP 上［4］。TFTP 工作流程是： PC 端发送一个写 请求 帧，硬 件 板 上 返 回 应 答 帧，这 便 建 立 了 访 问 连 接； 而后 PC 端开始发送数据，硬件板接收数据并存 入内存中； 当接收的文件长度小于 512 字节时，把 内存中数据全部写入 FLASH 中，向串口发出标志结 束符号。 / ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 将数据报读取到 packet RAM［］中 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ / Static void read packet（ int i） ｛ packet RAM［i］= low2high（ CS8900_RTDATA） ； ｝ / ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 数据处理及写入 ram 主程序 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ /
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Vol． 33 No． 4
Heilongjiang Electric Power
Aug． 2011
图 1 UDP 数据包头结构
图 2 TCP 数据包头结构
TCP 传给 IP 的数据单元称作 TCP 段，IP 传给 网络接口层的数据单元叫 IP 数据报，通过以太网传 输的数据流叫帧，长度在 46 ～ 1 500 之间。当用程 序 TCP 传输数据时，数据先送入协议栈中，然后逐 个通过每 一 层，直 到 被 当 作 一 串 比 特 流 送 入 网 络， 每一层对收到的数据均增加一些首部信息（ 有时增 加尾部信息） 。 1． 3 层间接口设计
if（ packet RAM［tftp_op］= = 0x0005） ｛ / /清空所有的标记
sdrampoint = 0； pktcount = 0； return； ｝ 2． 2 TCP 数据传输实现
在 TCP 开发中有很多文件，用户编写应用层软 件时，最好建立 main． h 和 main． cpp 作为应用层程 序的头文件和程序文件。主要函数及功能如下：
a． void TCPIPProcess（ ） 在这个函数中将调用运行 TCP / IP 协议栈所需 的所有进 程，所 以 要 求 应 用 层 反 复 调 用 这 个 函 数， 调用的顺序是从上到下发送，然后从下到上接收。 b． TCPPeerClosing（ ） 在任何时候都可以调用这个函数得到的状态， 如果 TCP 包或者 ARP 包重发次数过多，则表明对 方断线； 如果自己的 TCP 状态大于等于 TCP_STATE _CLOSEWAIT，则表明对方希望断开连接。 c． TCpSocket（ ） 这个 Socket 函数为连接分配必要的存储空间， 这里主要是初始化队列。 d． TCPBind（ ） 用于初始化 tab 中变量的值。设置本地端口， 产生一个随机的初始序号。 e． TCPConnect （ DWORD DestIP，WORD DestPort） 用户调用这个函数和指定的 IP、指定的端口建 立连 接。 TCPConnect 发 送 一 个 SYN 标 志 的 TCP 包，然后等待 TCP 连接的建立。注意： 等待 TCP 建 立是在函数内部，此时 TCPIPProcess（ ） 函数没有反 复调用，所以必须在函数中反复调用函数 TCPIProcess（ ） ［5］。调用以后 TCP 状态不再是 Close，然后连 接建立，或者被对方 Reset 从而回到 Close 状态，连 接建立成功返回 TRUE。 f． TCPSend（ BYTE * buff，WORD size） 用户调用这个函数来发送一个数据包。它的 功能是分配一个数据包，然后将这个数据包写入应 用层输出队列。 g． void TCPClose（ ） 将主动发起关闭这个连接，或者发现对方发起 关闭连接，于是调用 TCPClose 也发起关闭［6］。函数 的开始是根据状态转化图做相应的处理和状态转 化，然后调用三个 TCPIPProcess（ ） 来保证在 IP 层 或者 NetIntef 层 的 数 据 包 都 发 送 出 去，否 则 程 序 退出。