一種uIP TCP/IP協(xié)議棧在51系列單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

　一 引言

　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對日常生活舒適度、方便度要求的提高，信息家電、智能儀表等產(chǎn)品越來越頻繁的出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中；人們也越來越熱衷于把家電、儀表等設(shè)備連接到Internet 中，從而可以方便、及時(shí)的對它們進(jìn)行遠(yuǎn)程察看、遠(yuǎn)程控制。把這些設(shè)備接入Internet ,就需要考慮TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

　　51單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。本文將簡要描述uIP的實(shí)現(xiàn)方法，分析uIP協(xié)議棧的應(yīng)用接口，并討論如何將其應(yīng)用到51系列單片機(jī)上。

　　二 uIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法簡述

　　uIP協(xié)議棧主要提供了三個(gè)函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用。即uip_init（）， uip_input（） 和uip_periodic（）。其與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL（ ）。ip_init（）是系統(tǒng)初始化時(shí)調(diào)用的，主要初始化協(xié)議棧的偵聽端口和默認(rèn)所有連接是封閉的。當(dāng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)收到一個(gè)輸進(jìn)包時(shí)，將放進(jìn)全局緩沖區(qū)uip_buf中，包的大小由全局變量uip_len約束。同時(shí)將調(diào)用uip_input（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將會(huì)根據(jù)包首部的協(xié)議處理這個(gè)包和需要時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序。當(dāng)uip_input（）返回時(shí)，一個(gè)輸出包同樣放在全局緩沖區(qū)uip_buf里，大小賦給uip_len.假如uip_len是0,則說明沒有包要發(fā)送。否則調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。uIP周期計(jì)時(shí)是用于驅(qū)動(dòng)所有的uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP連接都會(huì)調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）。類似于uip_input（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)返回時(shí)，輸出的IP包要放到uip_buf中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len的大小發(fā)送。

　　uIP實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個(gè)基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議， ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應(yīng)用，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)采用有針對性的方法，保持代碼大小和存儲(chǔ)器使用量最小。

　　1 實(shí)現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時(shí)為了節(jié)省存儲(chǔ)器，ARP應(yīng)答包直接覆蓋ARP請求包。

　　2 實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)對原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡化，它沒有實(shí)現(xiàn)分片和重組。

　　3 實(shí)現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議時(shí)，只實(shí)現(xiàn)echo（回響）服務(wù)。uIP在生成回響報(bào)文時(shí)并不重新分配存儲(chǔ)器空間，而是直接修改echo請求報(bào)文來生成回響報(bào)文。將ICMP類型字段從"echo"類型改變成 "echo reply"類型，重新計(jì)算校驗(yàn)和修改校驗(yàn)和字段。

　　4 uIP里的TCP沒有實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動(dòng)窗口。每個(gè)TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結(jié)構(gòu)保存，uip_conn結(jié)構(gòu)包括當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)端的TCP端口編號(hào)，遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，重發(fā)時(shí)間值，上一段重發(fā)的編號(hào)，和連接的段的最大尺寸等信息。一個(gè)uip_conn結(jié)構(gòu)數(shù)組用于保存所有的連接，數(shù)組的大小為支持的同時(shí)連接的最大數(shù)量。為了減少儲(chǔ)存器的使用量，在處理重發(fā)時(shí)uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應(yīng)用程序在需要重發(fā)時(shí)重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　三 uIP協(xié)議棧的接口

　　uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性，在實(shí)現(xiàn)時(shí)將底層硬件驅(qū)動(dòng)和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集"打包"在一個(gè)"庫"里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應(yīng)用"通信".通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨(dú)立性，移植到不同系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺(tái)無關(guān)性的特點(diǎn)。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的接口關(guān)系如圖（一）所示：

　　1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口

　　uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口和與系統(tǒng)定時(shí)器的接口兩類。

　　1.1 uIP與設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口

　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為了減少存儲(chǔ)器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收到一個(gè)IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應(yīng)該調(diào)用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當(dāng)uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0,沒有包要發(fā)送；如果uip_len大于0則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

　　1.2 uIP與系統(tǒng)計(jì)時(shí)接口

　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時(shí)事件，例如包重發(fā)、ARP表項(xiàng)更新。系統(tǒng)計(jì)時(shí)用于為所有uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件計(jì)時(shí)。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）。TCP連接編號(hào)作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值。當(dāng)uip_periodic（）函數(shù)返回后，應(yīng)該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡(luò)上。

　　ARP協(xié)議對于構(gòu)建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的，但對于構(gòu)建與其他網(wǎng)絡(luò)接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結(jié)構(gòu)化的目的，uIP將ARP協(xié)議作為一個(gè)可添加的模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。因此，ARP表項(xiàng)的定時(shí)更新要單獨(dú)處理。系統(tǒng)定時(shí)器對ARP表的更新進(jìn)行定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到則調(diào)用uip_arp_timer（）函數(shù)對過期表項(xiàng)進(jìn)行清除。

　　2 uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口

　　應(yīng)用程序作為單獨(dú)的模塊由用戶實(shí)現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。用戶需將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)按功能描述如下：

　　2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)。全局變量uip_appdata指針指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen（）函數(shù)獲得。

　　2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send（）函數(shù)采用兩個(gè)參數(shù)；一個(gè)指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個(gè)指明數(shù)據(jù)的長度。

　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調(diào)用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。

　　2.4 關(guān)閉連接接口：應(yīng)用程序通過調(diào)用uip_close（）函數(shù)關(guān)閉當(dāng)前連接。

　　2.5 報(bào)告錯(cuò)誤接口：uIP提供錯(cuò)誤報(bào)告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。應(yīng)用程序可以使用兩個(gè)測試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯(cuò)誤情況。

　　2.6 輪詢接口：當(dāng)連接空閑時(shí)，uIP會(huì)周期性地輪詢應(yīng)用程序，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應(yīng)用程序使用測試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。

　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個(gè)監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數(shù)，一個(gè)新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當(dāng)在一個(gè)監(jiān)聽端口上接收到一個(gè)新的連接請求時(shí)，uIP產(chǎn)生一個(gè)新的連接和調(diào)用該端口對應(yīng)的應(yīng)用程序。

　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個(gè)新連接。這個(gè)函數(shù)打開一個(gè)新連接到指定的IP地址和端口，返回一個(gè)新連接的指針到uip_conn結(jié)構(gòu)。如果沒有空余的連接槽，函數(shù)返回空值。

　　2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應(yīng)用程序可以通過函數(shù)uip_stop（）停止遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好接收更多數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)uip_restart（）通知遠(yuǎn)程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當(dāng)前連接是否停止。

　　四 uIP在51系列單片機(jī)上的應(yīng)用

　　51系列單片機(jī)具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內(nèi)核的8位單片機(jī)，被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。因此使用uIP這種免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內(nèi)核的單片機(jī)構(gòu)建的低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)簡單的WEB SERVER,遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲(chǔ)在單片機(jī)系統(tǒng)上的WEB頁面。

　　硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖（二）所示：其中單片機(jī)選用PHILIPS公司的P89C51RD2,64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲(chǔ)WEB頁面。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過MAX232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行連接，可以顯示調(diào)試信息。

　　uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加以下幾個(gè)模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)定時(shí)器。

　　RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化，包括設(shè)定網(wǎng)卡物理地址，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等；eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；eth_rcve（）函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與uIP協(xié)議棧通過兩個(gè)全局變量進(jìn)行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址；uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時(shí)修改uip_len的值。

　　uIP提供的源代碼中包括一個(gè)基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)靜態(tài)頁面，同時(shí)具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)說明實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層功能。用戶的應(yīng)用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務(wù)程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序?yàn)閔ttpd（）函數(shù)，則要進(jìn)行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd.

　　51系列單片機(jī)上都有2到3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，可以選擇其中的一個(gè)來為TCP/IP協(xié)議中與時(shí)間有關(guān)的事件定時(shí)。需要由用戶處理的定時(shí)事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準(zhǔn)，還要為ARP表項(xiàng)的更新定時(shí)。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表項(xiàng)每10秒更新一次。

　　uIP的設(shè)置單獨(dú)包含在一個(gè)叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應(yīng)根據(jù)自己的應(yīng)用在uipopt.h文件里設(shè)置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項(xiàng)。

　　添加了必須的模塊，對uIP進(jìn)行了正確地配置后，需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應(yīng)用，主程序在完成初始化后將不停的進(jìn)行查詢，如果有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input（）函數(shù)處理；如果沒有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則處理定時(shí)事件?？蚣艽a如下所示：

通過實(shí)際的代碼說明uIP協(xié)議棧的主控制循環(huán)。

　　void main（void）

　　{

　　/*省略部分代碼*/

　　/*設(shè)置TCP超時(shí)處理時(shí)間和ARP老化時(shí)間*/

　　timer_set（&periodic_timer, CLOCK_CONF_SECOND / 2）；

　　timer_set（&arp_timer, CLOCK_CONF_SECOND * 10）；

　　/*定時(shí)器初始化*/

　　init_Timer（）；

　　/*協(xié)議棧初始化*/

　　uip_init（）；

　　uip_arp_init（）；

　　/*應(yīng)用層初始化*/

　　example1_init（）；

　　/*驅(qū)動(dòng)層初始化*/

　　etherdev_init（）；

　　/*IP地址、網(wǎng)關(guān)、掩碼設(shè)置*/

　　uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,9）；

　　uip_sethostaddr（ipaddr）；

　　uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,16）；

　　uip_setdraddr（ipaddr）；

　　uip_ipaddr（ipaddr, 255,255,255,0）；

　　uip_setnetmask（ipaddr）；

　　/*主循環(huán)*/

　　while（1）

　　{

　　/*從網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)*/

　　uip_len = etherdev_read（）；

　　/*假如存在數(shù)據(jù)則按協(xié)議處理*/

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　/*收到的是IP數(shù)據(jù)，調(diào)用uip_input（）處理*/

　　if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））

　　{

　　uip_arp_ipin（）；

　　uip_input（）；

　　/*處理完成后，假如uip_buf中有數(shù)據(jù)，則調(diào)用etherdev_send 發(fā)送出往*/

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　uip_arp_out（）；

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　/*收到的是ARP數(shù)據(jù)，調(diào)用uip_arp_arpin（）處理*/

　　else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP）） {

　　uip_arp_arpin（）；

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　}

　　/*查看0.5S是否到了，到了則調(diào)用uip_periodic處理TCP超時(shí)程序*/

　　else if（timer_expired（&periodic_timer））

　　{

　　timer_reset（&periodic_timer）；

　　for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++）

　　{

　　uip_periodic（i）；

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　uip_arp_out（）；

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　/*查看10S是否到了，到了則調(diào)用ARP處理程序*/

　　if（timer_expired（&arp_timer））

　　{

　　timer_reset（&arp_timer）；

　　uip_arp_timer（）；

　　}

　　}

　　}

　　return;

　　}

　　以上實(shí)例在keil C51編譯器下設(shè)置大模式，優(yōu)化等級(jí)6（速度優(yōu)先）進(jìn)行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達(dá)進(jìn)行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺(tái)上運(yùn)行良好。

　　五 總結(jié)

　　uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結(jié)構(gòu)化的代碼，使其存儲(chǔ)器占用量很小并且可以很方便的應(yīng)用到不同的工程項(xiàng)目中。同時(shí)它又是免費(fèi)的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入提供了很好的解決方案，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。