嵌入式系统中IP协议专用ASIC器件电路设计

　　引 言

　　为了实现网络信息处理，嵌入式系统中必须具有强大的网络连接功能。嵌入式系统的网络连接功能不仅需要传输信息，同时还必须具有相应的信息识别能力，以提高系统的网络安全性。

　　近年来在嵌入式系统和SOC(片上系统)技术发展的推动下，嵌入IP协议的微处理器或单片机系统已经出现[3]，为嵌入式网络技术的应用奠定了基础。但对于工业设备来说，特别是对于工业生产中使用的仪器仪表，采用软件嵌入IP协议存在无法并行处理和成本过高的缺点。因此，采用硬件实现IP协议具有重要的意义。

　　IP硬件电路设计有嵌入处理器和ASIC两种方法。使用嵌入处理器的方法设计IP协议时，需要选择相应的处理器和附加电路，并根据所嵌入的处理器编制相应软件实现IP协议。这种方法可以采用已有的IP协议软件，软件实现比较方便。使用ASIC技术设计IP协议属于硬件实现IP方法，IP协议的执行全部为硬件执行。这种实现方法具有的优点就是IP协议的执行不受软件干扰，具有一定的IP协议层抗干扰能力。ASIC实现IP协议实现的是一个专用数字硬件电路，只需要通过相应的控制信号就可以实现IP协议的功能，具有比较高的性能价格比。

　　针对工业设备对IP协议的需要，本文设计并实现了一个能完成IP协议功能的ASIC器件。对于工业控制设备来说，这种器件就是一个实现IP功能的专用器件，只要把要发送的数据传送给该器件，就可以实现通信过程与控制系统并行操作。任何数字化的工业设备，都可以使用这个IP协议器件直接连接到基于IP的网络。

　　一、 协议分析与IP电路结构设计

　　IP协议的功能，是对来自上层协议的数据进行打包和解包处理，通过数据报在一个个IP协议模块间传送，直到数据报到达目的模块[2]。互联网网络中每个主机和网关设备上都有IP模块，数据报在一个个模块间通过路由处理网络地址传送到目的地址。IPv4的数据报报头格式如图1所示。IP在提供网络层服务时，采用了统一的报头，以使处于各子网中的IP都能根据报头对数据作出相应的处理。

　　IP中使用以下4个关键技术实现数据报传输：

　　(1)服务类型(ToS)。ToS是一个参数集，代表Internet能够提供的服务，用于指定用户所希望得到的服务质量。服务类型由网关使用，可用于特定的网络或是用于下一个要经过的网络，也可用于下一个要对数据报进行路由选择的网关上选择实际传送的参数。

　　(2)生存时间(TTL)。生存时间是用户设置的数据报在网络传输过程中的保存时间。生存时间由发送者设置，由所经过的路由处理。如果在到达目的节点之前生存时间已经为零，则IP就会自动抛弃此数据报。