PC104计算机网络通讯系统设计与研究

摘要：本文介绍了基于DOS操作系统下嵌入式PC104计算机的UDP网络通讯的实现基理，重点提出了如何解决不可靠的、非面向连接的UDP通讯丢帧问题。给出了实际某火控系统中UDP网络通讯的硬件设计和部分软件代码、相关流程图。
关键词：DOS；嵌入式PC104计算机；TCP；UDP；SOCKET；丢帧

1．引言

  随着互联网技术的飞速发展以及系统工程中对嵌入式计算机的体积、功耗、硬件开销等方面要求的加强，嵌入式计算机不仅仅要实现单一的串行数据的传输，还要实现网络通讯。特别是DOS操作系统以其内核小、操作简单、技术成熟等优点使其在嵌入式操作系统领域占有重要的地位。但是，DOS操作系统没有Windows操作系统中Winsock这样的API，使得网络通讯的开发工作量及难度相对较大，下面介绍某火控系统中基于DOS操作系统的UDP网络通讯软、硬件系统设计，并在保证UDP通讯快速交付、传输等优点的同时，又针对UDP网络通讯系统的不可靠性做了必要防护设计，很好的克服了UDP网络通讯中的丢帧、误码这一实际工程难题。

2．网络通讯系统的硬件组成

      

型号为SCM/SDXa的 PC104采用增强型的80486处理器做CPU，板上包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中断控制器及定时器，ROM-BIOS，32M字节的DRAM及键盘、喇叭接口；在板的外部接口包括两个串行口、并口、IDE接口、软盘接口、CRT接口、平板显示接口、重要的是与NE2000兼容的RTL8019网络接口。该款PC104做为硬件PCB电路设计的主要核心部件。ST16C554的四串口卡实现串行通讯，isp1032E门电路作为各个分系统的同步基准信号源，8255A并口电路来控制响应外部按键。系统编译软件采用的是Borland C++。

3．非面向连接的UDP数据报套接字网络通讯

在UDP网络应用中，首先要调用Socket建立套接字，然后用bind绑定本地地址、与端口。与面向连接的TCP流式套接字不同的是它不需要侦听和建立连接，此时通过调用Recvfrom()和sendto()函数就可以进行数据读写了，客户端与此相同。

 

图2  UDP数据报套接字调用过程图

4．DOS下的UDP网络通讯设计

4．1网卡驱动

    型号为SCM/SDXa 的PC104内嵌的网卡为RTL8019网络接口芯片，首先要运行RSET8019.exe来设置网卡参数。主要设置网卡的中断号为中断15，基地址为320H（根据不同款的PC104，进行不同的设置）。然后需要运行NE2000.COM来安装网卡的底层信息包驱动。需要设置网卡的软中断为0x62.软中断可以在60H到70H之间的任何数。 运行格式如下NE2000 0x62 15 0x320; 最后需要在autoexec.bat里设置：ne2000  0x62 15 0x320。

4．2 UDP网络通讯工程模型建立

需要在Borland C++下建立工程文件，工程文件中要加入DSOCK.LIB和dsock.h。DSOCK.LIB是DOS 模式下的Dsock库的支持文件，它是把网络通讯底层驱动文件和应用层C编译文件连接的桥梁。dsock.h是支持Dsock的C语言的头文件。还要在工程文件夹下根据不同工程要求修改DSOCK.CFG文件。

  DSOCK.CFG文件修改如下：

ip=192.21.209.61

netmask=255.255.255.0

4．3 UDP网络通讯特点及防丢帧设计与研究

UDP协议的网络通讯是非面向连接的、不可靠的，但是UDP协议在某些方面有其特殊的优点：发送数据之前不需要建立连接，减少了开销和发送数据之前的时延;不使用拥塞控制，也不保证可靠交付,主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表;用户数据报只有8个字节的首部开销，要比TCP的20个字节的首部要短;由于UDP没有拥塞控制，网络出现的拥塞不会使主机的发送速率降低。

为了克服UDP通讯的不可靠性可以通过软件做类似像TCP“握手”一样的通讯过程，但是这样便大大折扣了UDP通讯的优点，增加了开销和延时。为了即保证UDP的交付、通讯的快速性又要避免UDP通讯的不可靠性，在控制软件中做了以下设计。

1．    在传输的每一帧中，我们规定报头信息状态字包含了报头单元序号，即与本地端口号唯一对应的报头单元序号。例如：在信源（information origin）规定了报头单元序号为0x7d对应的端口号为1600，网络连通后，信宿(information end-result)判断接收的数据报头单元序号是否为0x7d，是则表示接收来自端口号为1600的数据。否则可能是因网络数据发生碰撞、拥塞而产生的误码、误帧错误。

2．    在传输的每一帧中，我们规定报头信息状态字包含了信息单元序号，即与每一帧唯一对应的信息单元序号。例如：在第一个时间周期内发送的一帧的信息单元序号为00，而在下一个时间周期内发送的一帧的信息单元序号则做加一处理为01，依次类推直到255完成一个循环。这样实现了信源单元序号从0-255的连续循环发送，信宿可以通过检查信息单元序号的连续性、完整性来判断接收到的数据是否有丢帧现象。

3．    对数据帧做校验和运算，所谓的校验和就是信源对除去信息单元序号、报头单元序号、信息长度、报文标志等报头信息外的具体数据字节段做逻辑异或处理。校验和运算结果做帧尾送至信宿，信宿接收后对也做解校验和的运算，如果与信源的一致就表明这帧为有效的网络信道传输数据，否则丢弃。

4．    设置时间戳信息，信源的每一帧中包含了发送该帧时刻的四个字节时间戳信息，精度为1ms。信宿把本周期内接收到的时间戳再打包回送到信源，信源将时间戳与上一周期帧数据发送时刻的时间戳做信息比较，如果一致则说明没有丢帧现象。

5．    设计了丢帧、误码错误判断累加信息，即针对上述四种情况而产生的错误信息次数做累加统计。并且在显示器上实时的显示，这样可以很直观的显示出每次网络通讯过程中具体的错误信息次数，以便更好的改进UDP网络通讯的不足。

通过以上设计满足1%的误码率测试要求。

4．4 UDP网络通讯系统的工程应用

在某工程中，我们采用了10MB/S带宽的以太网，通讯分系统和上级火控系统通过网络传输，通讯分系统和伺服分系统、电视分系统通过串行通讯进行连接。isp1032E门阵列时统电路产生不同频率的时统信号，以达到各个分系统之间同步的目的。UDP通讯主要函数及流程图如下：

BOOL Dsock_Open()函数实现的功能是打开一个Dsock socket 库。

BOOL Dsock_LoadConfigFile(char *szFile) 函数是加载网络设置的配置文件，即我们上边所提到的dsock.cfg文件。

SOCKET SocketCreate(int nType)函数创建一个socket类。nType的类型可以为TCP_SOCKET或UDP_SOCKET.

BOOL SocketBind(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort)函数是实现绑定本地IP地址和本地端口。dwAddr为本地IP地址，wPort为本地端口号。

int SocketDataReady(SOCKET s)函数实现查询通过建立的套接字s返回的数据。该函数的返回值为socket 接收到数据的个数。

int SocketRecvFrom(SOCKET s,DWORD *pdwAddr,WORD *pwPort,BYTE *pby,int nlen)函数为通过UDP Socket 接收到的数据。

int SocketSendTo(SOCKET s,DWORD dwAddr,WORD wPort,BYTE *pby,int nlen) 函数为通过UDP Socket 发送的数据。

 

图3 UDP通讯主要实现流程图

5．结语

   本文介绍了基于DOS下PC104计算机UDP网络通讯系统的软、硬件设计原理和过程，文中提到的一些理论和方法，在某实际工程项目中得到了很好的验证，并达到实际丢帧碰撞技术指标。本通讯系统的防止丢帧设计设计思想可以推广到其它嵌入式UDP通讯设备。本文作者创新点：设计如何在DOS操作系统下更好的解决UDP通讯的优点与不可靠性这一矛盾问题。

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