基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

引言

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(jì)有效的數(shù)據(jù)傳輸方式。如何利用廉價(jià)的51單片機(jī)來 控制網(wǎng)卡芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加載TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信成了眾多設(shè)計(jì)者的目標(biāo)。但由于指令及資源的限制，實(shí)施過程會(huì)有許多困難。我們 在設(shè)計(jì)方案中舍棄了耗費(fèi)資源的高級(jí)協(xié)議，采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式以避免分段，來簡(jiǎn)化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)接入。

硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

為適應(yīng)上網(wǎng)的需求，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：一是要執(zhí)行對(duì)RTL8019AS等的控制功能，二是要執(zhí)行與連接Internet相關(guān)的功能，實(shí)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(duì)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(duì)RTL8019AS的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置完畢后，進(jìn)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(zhǔn)確快速傳輸。TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)現(xiàn)IP協(xié) 議，還要實(shí)現(xiàn)能報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)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(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議 組成。

在單片機(jī)里只實(shí)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(jī)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(yè)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(dòng)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(jī)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(bào)格式傳輸。就對(duì)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(jī)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(jì)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(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)的片內(nèi)資源十分有限，本系統(tǒng)對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議使用慢啟動(dòng)的滑動(dòng)窗口機(jī)制，如果 只使用單個(gè)窗口，就變成了一種簡(jiǎn)單確認(rèn)的處理方法。即只需對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送和確認(rèn)，節(jié)約了系統(tǒng)資源，也使維護(hù)更加方便。

編程實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議的另一個(gè)難點(diǎn)在于TCP建立連接和終止連接的具體過程的實(shí)現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個(gè)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(dāng)TCP發(fā)出一個(gè)段后，它啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待目的端確認(rèn)收到這個(gè)報(bào)文段。如果不能及時(shí)收到一個(gè)確認(rèn)，將重發(fā)這個(gè)報(bào)文段。另外，TCP將保持它首部和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和。

系統(tǒng)主應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入主程序循環(huán)的兩部分：一是對(duì)接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包，供應(yīng)用程序使用，一是對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)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2 系統(tǒng)的主應(yīng)用程序的流程圖

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的難點(diǎn)

51單片機(jī)的程序空間、可用的內(nèi)存RAM、運(yùn)算速度、指令集等原因，在UNIX或Windows上實(shí)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(jī)上。在51單片機(jī)上編寫代碼會(huì)受許多限制，特別是實(shí)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(shí)際情況盡可能挖掘51單片機(jī)的性能。 綜合來說，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與UNIX實(shí)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(jiǎn)單化，在單片機(jī)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(dòng)態(tài)的。而一般單片機(jī)只有外接的一塊32K字節(jié)的RAM,并同時(shí)被各個(gè)協(xié)議使用。一個(gè)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(gè)256×6=1536個(gè)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(yùn)行，所以它的指針都指向RAM.而單片機(jī)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(yùn)算的速度也不一樣，特別是“一般指針”運(yùn)算很慢，還會(huì)占用很多程序空間。UNIX實(shí)現(xiàn)TCP/IP的源代碼中，用得 最多的就是指針，而在單片機(jī)里一般要求少用指針，或使用特定類型的指針。對(duì)使用UNIX的源代碼需要作很多的改動(dòng)。

（4）參數(shù)傳遞：在 UNIX實(shí)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(jī)里允許傳遞的參數(shù)是有限的（因?yàn)槭艿絻?nèi)部RAM的限制），同時(shí)參數(shù)傳遞的過程要浪 費(fèi)程序代碼空間，也降低單片機(jī)執(zhí)行速度。所以在單片機(jī)的實(shí)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(shí)現(xiàn)調(diào)用的過程。

（5）硬件接口：在UNIX或Windows里，對(duì)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)無一例外都是采用中斷方式，因?yàn)镻C的處理速度快，一次中斷的處理時(shí)間也很短，不會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi) 的其它中斷。而在單片機(jī)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(jī)里卻只能用8位DMA 方式。這也使UNIX對(duì)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的代碼不能直接移植。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò) 接入方案，采用廉價(jià)的8位51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，并支持主動(dòng)和被動(dòng)連接、跨越網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，在被控設(shè)備與上位控制機(jī)之間提 供了一條透明的傳輸通道，用戶不需對(duì)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。