基于單片機的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計方案

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛的今天，網(wǎng)絡(luò)傳輸是最經(jīng)濟有效的數(shù)據(jù)傳輸方式。如何利用廉價的51單片機來控制網(wǎng)卡芯片進行數(shù)據(jù)傳輸，加載TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信成了眾多設(shè)計者的目標。但由于指令及資源的限制，實施過程會有許多困難。我們在設(shè)計方案中舍棄了耗費資源的高級協(xié)議，采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式以避免分段，來簡化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，實現(xiàn)互聯(lián)接入。

硬件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的微控制器是Winbond公司的78E58，網(wǎng)絡(luò)接口芯片是與NE2000系列兼容的ReaLTEk公司的RTL8019AS。RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，外接一個隔離LPF濾波器，經(jīng)RJ-45接口輸出。外部RAM是62256，24C02是I2C總線的 EEPROM。

圖1 嵌入式協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件框圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

為適應(yīng)上網(wǎng)的需求，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分內(nèi)容：一是要執(zhí)行對RTL8019AS等的控制功能，二是要執(zhí)行與連接Internet相關(guān)的功能，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。本文著重介紹第二部分，主程序采用C51語言編寫。

RTL8019AS初始化

要將嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，首先要設(shè)置RTL8019AS的工作方式和工作狀態(tài)，分配收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過對地址及數(shù)據(jù)口的讀寫來完成以太網(wǎng)幀的接收與發(fā)送。然后設(shè)置RTL8019AS的工作參數(shù)，亦即設(shè)置內(nèi)部控制寄存器。對RTL8019AS的工作參數(shù)進行設(shè)置完畢后，進入正常工作狀態(tài)，接下來就讀寫RTL8019AS的RAM以完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。由于篇幅有限，這里就不再詳述。

TCP/IP模型

TCP/IP協(xié)議是一套把Internet上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議族，保證Internet上數(shù)據(jù)的準確快速傳輸。TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。

本系統(tǒng)中，應(yīng)用層傳遞來自以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)報作打包拆包處理。傳輸層采用傳輸控制協(xié)議TCP或用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)IP協(xié)議，還要實現(xiàn)能報告數(shù)據(jù)傳輸差錯等情況的ICMP協(xié)議。鏈路層部分由RTL8019AS完成，鏈路層由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成。

在單片機里只實現(xiàn)與需要有關(guān)的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。單片機應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議大多是為了完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，而不需要網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸這些功能。

ARP協(xié)議(地址解析協(xié)議)

以太網(wǎng)是TCP/IP協(xié)議主要采用的局域網(wǎng)技術(shù)，是系統(tǒng)接入Internet的基礎(chǔ)。ARP本質(zhì)是完成網(wǎng)絡(luò)地址到以太網(wǎng)物理地址的動態(tài)映射。UNIX系統(tǒng)的ARP協(xié)議支持以太網(wǎng)、令牌環(huán)等網(wǎng)絡(luò)，但我們的單片機系統(tǒng)里只支持以太網(wǎng)。

IP協(xié)議(網(wǎng)際協(xié)議)

IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。就對某些協(xié)議而言，IP包最大可以為65K，可以分段傳輸，而在單片機里根本無法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此一般是不支持分段的。我們的設(shè)計中采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式，以避免分段。

TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)

TCP數(shù)據(jù)封裝在一個IP數(shù)據(jù)報中，并具有自己的TCP首部， TCP協(xié)議定義十分復(fù)雜，鑒于51單片機的片內(nèi)資源十分有限，本系統(tǒng)對TCP協(xié)議進行了一定的簡化處理。標準的TCP協(xié)議使用慢啟動的滑動窗口機制，如果只使用單個窗口，就變成了一種簡單確認的處理方法。即只需對單個數(shù)據(jù)報發(fā)送和確認，節(jié)約了系統(tǒng)資源，也使維護更加方便。

編程實現(xiàn)TCP協(xié)議的另一個難點在于TCP建立連接和終止連接的具體過程的實現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個面向連接的協(xié)議，連接的雙方無論是哪一方向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)，都必須先通過“三次握手”過程在雙方之間建立一條連接，和通過“四次握手”終止連接。

連接建立后，TCP就可以發(fā)送數(shù)據(jù)塊，稱為數(shù)據(jù)段。當TCP發(fā)出一個段后，它啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發(fā)這個報文段。另外，TCP將保持它首部和數(shù)據(jù)的檢驗和。

系統(tǒng)主應(yīng)用程序的實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化后，進入主程序循環(huán)的兩部分：一是對接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行解包，供應(yīng)用程序使用，一是對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送，使采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)內(nèi)的所有計算機都能收到此數(shù)據(jù)幀。圖2是系統(tǒng)的主應(yīng)用程序的流程圖。

圖3 系統(tǒng)的主應(yīng)用程序的流程圖

單片機實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的難點

51單片機的程序空間、可用的內(nèi)存RAM、運算速度、指令集等原因，在UNIX或Windows上實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的源代碼并不能夠直接移植到8位的單片機上。在51單片機上編寫代碼會受許多限制，特別是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議這樣關(guān)系復(fù)雜的程序，我們必須根據(jù)實際情況盡可能挖掘51單片機的性能。綜合來說，單片機實現(xiàn)與UNIX實現(xiàn)TCP/IP有如下區(qū)別：

(1)操作系統(tǒng)：Windows或UNIX都是多任務(wù)操作系統(tǒng)，這使得代碼編寫簡單化，在單片機只能是單任務(wù)系統(tǒng)，代碼結(jié)構(gòu)為順序執(zhí)行+硬件中斷的方式，無法并發(fā)執(zhí)行。

(2)內(nèi)存分配：Windows或UNIX的內(nèi)存分配是動態(tài)的。而一般單片機只有外接的一塊32K字節(jié)的RAM，并同時被各個協(xié)議使用。一個最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包有1.5K字節(jié)，分配一包的緩沖區(qū)就要1.5K字節(jié)。為此，我們分配一個256×6=1536個字節(jié)的固定的RAM來存放收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。收到一包就處理一包。

(3)指針：在PC里所有程序都必須先放在RAM里才能運行，所以它的指針都指向RAM。而單片機的結(jié)構(gòu)和PC的結(jié)構(gòu)有很大差別，指針類型很多，各指針運算的速度也不一樣，特別是“一般指針”運算很慢，還會占用很多程序空間。UNIX實現(xiàn)TCP/IP的源代碼中，用得最多的就是指針，而在單片機里一般要求少用指針，或使用特定類型的指針。對使用UNIX的源代碼需要作很多的改動。

(4)參數(shù)傳遞：在UNIX實現(xiàn)的TCP/IP源代碼中，一般有很多的參數(shù)傳遞，而在單片機里允許傳遞的參數(shù)是有限的(因為受到內(nèi)部RAM的限制)，同時參數(shù)傳遞的過程要浪費程序代碼空間，也降低單片機執(zhí)行速度。所以在單片機的實現(xiàn)里，一般不要做太多的參數(shù)傳遞，而多使用公共的全局變量來實現(xiàn)調(diào)用的過程。

(5)硬件接口：在UNIX或Windows里，對網(wǎng)卡驅(qū)動無一例外都是采用中斷方式，因為PC的處理速度快，一次中斷的處理時間也很短，不會影響系統(tǒng)內(nèi)的其它中斷。而在單片機的應(yīng)用中，大部分的方案都是查詢式的。PC的NE2000的網(wǎng)卡，一般都是用16位DMA的方式，而在單片機里卻只能用8位DMA方式。這也使UNIX對網(wǎng)卡驅(qū)動的代碼不能直接移植。

結(jié)語

本文設(shè)計的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入方案，采用廉價的8位51單片機實現(xiàn)了簡化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，并支持主動和被動連接、跨越網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，在被控設(shè)備與上位控制機之間提供了一條透明的傳輸通道，用戶不需對原有串口設(shè)備或其他數(shù)字設(shè)備做任何修改，就可享受到網(wǎng)絡(luò)的好處。目前，本文的系統(tǒng)已被成功使用在網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集器中。