嵌入式系統(tǒng)Internet打印的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文通過設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印的實(shí)現(xiàn)方案。該方案選用ATmega128為MPU、LAN91C111為網(wǎng)絡(luò)控制器，以通用的SPP打印并口作為物理輸出端口，硬件構(gòu)成上具有典型意義。軟件上精簡了TCP/IP協(xié)議棧，完成了網(wǎng)絡(luò)接口程序的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了嵌入式WEB服務(wù)器。在分析網(wǎng)絡(luò)打印模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了IPP網(wǎng)絡(luò)打印協(xié)議的基本功能。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；打印；IPP；LAN91C111

1    引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，硬件的性價(jià)比越來越高。本文介紹了一種嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)打印的實(shí)現(xiàn)方案，把并口打印機(jī)連接到能執(zhí)行IPP(Internet Printing Protocol)協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)打印。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)打印的模型如圖1所示[1]。這種應(yīng)用方案不僅可以整合到嵌入式系統(tǒng)中用來提供網(wǎng)絡(luò)打印支持，也可以單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)嵌入式打印服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印或?qū)ζ胀ù蛴C(jī)提供打印共享支持。

2       IPP因特網(wǎng)打印協(xié)議

IPP協(xié)議是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF，Internet Engineering Task Force）于1997年提出來的，目前最高版本為1.1。操作系統(tǒng)Windows2000和Red Hat Linux8.0以上提供了對IPP協(xié)議的支持。IPP 協(xié)議基于客戶機(jī)／服務(wù)器模式，客戶在操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序中重定向打印服務(wù)到服務(wù)器的知名端口631,通過雙方會(huì)話完成打印任務(wù)?？蛻舨檎掖蛴C(jī)時(shí)，只要輸入IPP打印機(jī)的網(wǎng)址便可獲取遠(yuǎn)程打印機(jī)的列表。應(yīng)用層協(xié)議IPP依賴于HTTP協(xié)議，雙方的會(huì)話數(shù)據(jù)和打印數(shù)據(jù)嵌在HTTP數(shù)據(jù)體中完成的。雙方會(huì)話時(shí)須使用POST方法，同時(shí)啟用了新的Content-Type，即“application / ipp”，用來指出MESSAGE-BODY是IPP數(shù)據(jù)[2]。

3    硬件設(shè)計(jì)

本方案采用ATMEL 公司８位芯片中性能最高的ATmega128，以及SMSC公司的第三代10/100M以太網(wǎng)控制芯片LAN91C111。 兩種芯片都是Little Endian字節(jié)順序，且ATmega128是8位機(jī)，數(shù)據(jù)線可直接連接。如圖2所示[3]，外部采用單一的外總線結(jié)構(gòu)，64K外部空間的低32K的分配給SRAM，另外的32K空間除了8個(gè)留給并行打印端口之外，其余地址取連續(xù)的16個(gè)分配給網(wǎng)卡使用。

LAN91C111工作電壓是3.3V，但I(xiàn)/O口是5V電平，本方案使用了一片LM3940作電壓轉(zhuǎn)換。采用雙絞線輸出時(shí)，必須在RBIAS引腳接一個(gè)下拉偏置電阻。本方案LAN91C111沒有外接EEPROM，將ENEEP接地，運(yùn)行參數(shù)初始化時(shí)由用戶通過主CPU寫入[4]。

圖 2 硬件原理圖

對LAN91C111的操作通過其內(nèi)部的寄存器讀寫進(jìn)行。內(nèi)部的寄存器分為BANK0-BANK3共四頁，頁面選擇通過頁選擇寄存器（Bank Select register, BSR）來進(jìn)行。不論當(dāng)前頁是哪一頁，改變BSR的值就可以切換BANK，利用16個(gè)字節(jié)地址空間映射到I/O口就能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)芯片的操作。

LAN91C111內(nèi)部有一個(gè)8K的SRAM作為發(fā)送/接收緩存，由存儲管理單元(Memory Management Unit, MMU)管理，方便了用戶的編程，減少了主CPU的開銷。8K的緩存固定分為4頁，編號為0-3，每頁為2K。以太幀最大為1518字節(jié)，每頁完全可以存放一個(gè)以太幀。對發(fā)送和接收沒有固定的分配頁，其分配和釋放可以通過寫寄存器相應(yīng)的位完成。

3.1          打印接口的設(shè)計(jì)

圖 3 SPP打印接口原理圖

Centronics并行口雖然速度較慢，但其SPP (Standard Parallel Port)模式控制方便，這是許多打印機(jī)都支持的接口模式。實(shí)驗(yàn)中用ATmega128的I/O口作打印數(shù)據(jù)傳輸線，其余的信號線最簡潔的接法只需連接選通信號nSTB和忙信號BUSY[5]。本方案為節(jié)省硬件，只對打印機(jī)數(shù)據(jù)輸出采用地址譯碼的控制方式。ATmega128不用的口線較多，可將打印機(jī)的缺紙、打印出錯(cuò)等信號狀態(tài)線也接上。采用中斷編程的方法時(shí)，要將nACK接到ATmega128的一根中斷請求線上并設(shè)置為低電平中斷。為避免損壞打印口，減少干擾，中間使用74HC244作為三態(tài)緩沖，具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意CMOS和TTL電平的匹配，原理圖如圖3所示。

4    軟件設(shè)計(jì)

4.1         LAN91C111復(fù)位

可以通過兩種方法使芯片（MAC&PHY）復(fù)位。一是將復(fù)位引腳置位至少100ns；二是將接收控制寄存器（Receive Control Register）的SOFT_RST位先寫1，至少50ms后再寫0使其復(fù)位。復(fù)位后，物理層模塊處于隔離模式（Isolation Mode），芯片不能收發(fā)數(shù)據(jù)包，必須設(shè)置PHY層的串行口控制寄存器（Control Register）的MII_DIS位才能使芯片正常工作。

4.2     LAN91C111初始化

初始化發(fā)送控制寄存器，寫入0x8010，打開自動(dòng)填充符功能和自動(dòng)添加CRC功能。初始化接收控制寄存器，寫入0x0000，自動(dòng)去除幀尾的CRC檢驗(yàn)碼。初始化接收/物理層控制寄存器(Receive/Phy Control Register, RPCR)，設(shè)置為0X3010，選擇自動(dòng)偵察模式，兩個(gè)LED分別設(shè)置成連接指示和收發(fā)指示。初始化配置寄存器，寫入缺省值0XA0B1，本系統(tǒng)無外接E²PROM，使用內(nèi)部物理層模塊。初始化基址寄存器，采用缺省地址值300H。初始化芯片物理地址寄存器，此值不能和子網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備重復(fù)。初始化控制寄存器，寫入初值0x1A10，CRC校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)，不產(chǎn)生中斷信號且所占用的緩存被自動(dòng)釋放， AUTO_RELEASE位置1。 初始化早期接收寄存器，去掉早期接收功能，設(shè)置ERCV寄存器ERCV_THRESHOLD位為1FH。只有接收的字節(jié)數(shù)超過閾值，早期中斷才會(huì)產(chǎn)生。

4.3     以太幀的收發(fā)

4.3.1   以太幀的發(fā)送

發(fā)送和接收以太幀采用中斷和查詢方式都可以。以太幀的發(fā)送分為五步：

(1)    通過向MMU命令寄存器MMUCR寫入0x0020，請求MMU分配一頁緩存；

(2)    測試分配是否完成，如果完成則返回緩存包序號在Allocation Result Register；

(3)    將包序號復(fù)制到Packet Number Register中，寫Pointer Register為0x4000, 表明是發(fā)送過程、寫操作且指針自動(dòng)增1；

(4)    寫數(shù)據(jù)入緩存，由Data Register依次寫入status word、 byte count、 destination address、 source address、packet type、packet data、 control word ；

(5)    加入發(fā)送隊(duì)列，等待發(fā)送中斷，主CPU向MMUCR寫入隊(duì)指令0x00C0。

接著主CPU就等待發(fā)送中斷出現(xiàn)，判斷是否發(fā)送成功并進(jìn)行后續(xù)處理。

4.3.2   以太幀的接收

主程序中將RCR的RXEN位置1，允許接收數(shù)據(jù)包，即將0x0300寫入RCR。如果接收正確，且前面的接收包已被處理，則新接收的包序號位于RX FIFO的隊(duì)頭，接下來的任務(wù)都在接收中斷程序中完成：

(1)  設(shè)置數(shù)據(jù)包的Pointer Register 中的RCV, RD, AUTOINC三個(gè)位都為1，寫入0xE000。

(2)  從Data Register中讀取緩存中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，處理后交上層協(xié)議。

4.4     TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)接口層處理以太幀，實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議的封裝和解析。根據(jù)以太幀中的類型字節(jié)，數(shù)據(jù)包分為三類：ARP、RARP和IP，逐層解析。由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)如IP地址、網(wǎng)關(guān)地址等可以通過DHCP協(xié)議自動(dòng)獲取，也可以由手工進(jìn)行設(shè)置，因此本系統(tǒng)提供了手動(dòng)配置和DHCP協(xié)議自動(dòng)配置的功能。為方便系統(tǒng)的運(yùn)行，將上次成功運(yùn)行的參數(shù)保存在ATmega128的EEPROM中。由于本服務(wù)器主要是對服務(wù)請求做出響應(yīng)，接收要打印的數(shù)據(jù)，以及上傳打印機(jī)的工作狀態(tài)，因此發(fā)送的數(shù)據(jù)加上協(xié)議的封裝不會(huì)超過網(wǎng)絡(luò)的MTU。由于系統(tǒng)本身資源有限，為減少TCP協(xié)議解析的復(fù)雜度，采用定長緩存。系統(tǒng)中發(fā)送接收緩存容量為256×6=1536字節(jié)，可以容納最大以太幀。通過調(diào)整滑動(dòng)窗口，以確保數(shù)據(jù)包大小不超過緩存容量，接收一包處理一包。從每包的特征字節(jié)可判斷數(shù)據(jù)包是獨(dú)立包還是上一包的繼續(xù)[6]。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)3KB定長的打印隊(duì)列，打印數(shù)據(jù)直接送入打印隊(duì)列。

本方案需要的協(xié)議有RAP協(xié)議，UDP協(xié)議，DHCP協(xié)議，IP協(xié)議，TCP協(xié)議， ICMP協(xié)議，HTTP協(xié)議，IPP協(xié)議。解析的流程[7]如圖4：

圖 4以太幀解析流程

待發(fā)送的數(shù)據(jù)可分為兩大類，一類是IPP服務(wù)器的應(yīng)答數(shù)據(jù)，二是輔助信息，如ARP請求、數(shù)據(jù)包的確認(rèn)等。系統(tǒng)根據(jù)需要裝配數(shù)據(jù)，最后由網(wǎng)絡(luò)接口層發(fā)送出去。所有協(xié)議中TCP協(xié)議的處理最復(fù)雜，約占了整個(gè)代碼的1/3。

4.5  IPP的子集的構(gòu)建

IPP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)打印模型有兩類對象：

(1)  打印機(jī)對象（IPP Printer Object），執(zhí)行服務(wù)器的IPP的協(xié)議，負(fù)責(zé)受理打印請求、作業(yè)排隊(duì)、驗(yàn)證，將打印數(shù)據(jù)提交給打印機(jī)，回應(yīng)用戶打印狀態(tài)的查詢請求。

(2)  作業(yè)對象(IPP Job Object)。當(dāng)打印機(jī)對象創(chuàng)建打印作業(yè)時(shí)就生成相應(yīng)的作業(yè)對象。作業(yè)對象包含要打印的文檔或文檔的引用(URI，Uniform Resource Identifier)。

IPP的1.1版本中并不含有通知服務(wù)。所謂通知服務(wù)是指當(dāng)打印機(jī)或作業(yè)對象發(fā)生改變，例如出現(xiàn)打印故障時(shí)，服務(wù)器端主動(dòng)通知客戶端。由于打印機(jī)種類繁多，對打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序處理采用給出URI的方法，系統(tǒng)不提供下載。

IPP打印申請和打印過程是通過服務(wù)器和客戶端的一組請求及響應(yīng)操作完成的。屬于打印機(jī)對象的操作有：直接傳送文檔的打印；作業(yè)的驗(yàn)證；作業(yè)的創(chuàng)建；打印機(jī)屬性的獲取與應(yīng)答。下面的五種操作不予實(shí)現(xiàn)：通過URI獲取打印文檔；打印作業(yè)列表；暫停所有打?。换謴?fù)打??；清除所有打印作業(yè)。屬于打印作業(yè)對象的操作有：文檔發(fā)送；打印作業(yè)取消；打印作業(yè)屬性的獲?。淮蛴∽鳂I(yè)的掛起；打印作業(yè)的就緒。

IPP協(xié)議的請求與響應(yīng)的屬性比較復(fù)雜，下面列出提交到服務(wù)器的打印作業(yè)請求的IPP包片斷[2]：

表1 IPP打印作業(yè)請求包格式

5    結(jié)束語

利用ATmega128和網(wǎng)絡(luò)控制芯片LAN91C111，我們設(shè)計(jì)了基于IPP協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)打印方案。系統(tǒng)外接了小型熱敏并口打印機(jī)，利用VB直接在程序中處理IPP會(huì)話，使用ESC打印語言構(gòu)造打印數(shù)據(jù)，經(jīng)測試，可以滿足一般的打印需求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本方案只實(shí)現(xiàn)了IPP的基本功能，在雙向打印端口的設(shè)計(jì)、打印數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)安全等方面還有許多地方有待完善。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了高性價(jià)比的嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件接口，在精簡的TCP/IP協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)打印協(xié)議IPP的基本功能，為設(shè)計(jì)通用的嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印方案提供了新思路。