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[導(dǎo)讀]嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實現(xiàn)

隨著嵌入式設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合,在單片機系統(tǒng)中引入TCPIP協(xié)議棧,以支持單片機接入網(wǎng)絡(luò),成為嵌入式領(lǐng)域的一個重要方向。在此對基于SST89E516RD單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法給予討論。選用SST89E516RD單片機實現(xiàn)了在線仿真和編程的功能,大大節(jié)約了開發(fā)成本。采用VB 6.0語言與Window 98/2000/XP等為軟件開發(fā)平臺,對系統(tǒng)進行了測試。經(jīng)過幾個月的軟硬件測試表明:系統(tǒng)設(shè)計合理、穩(wěn)定可靠,已基本實現(xiàn)了最初的設(shè)計目標。對其他類似系統(tǒng)移植該項技術(shù)奠定了基礎(chǔ),有很好的參考價值。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
    整個系統(tǒng)以SST89E516RD單片機為核心,通過RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)遠程通信。串口完成網(wǎng)卡參數(shù)的修改、在線仿真,在系統(tǒng)中還使用X5045作為外部擴展的E2PROM,用來存儲IP地址、物理地址以及網(wǎng)卡的其他配置信息,同時X5045還具有電壓監(jiān)控、看門狗定時器、上電復(fù)位三種功能,使用X5045監(jiān)控系統(tǒng)的運行過程,當系統(tǒng)不穩(wěn)定時可以進行有效地復(fù)位。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。



2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
    系統(tǒng)軟件主要包括客戶端和服務(wù)器端軟件的設(shè)計,主要有以下幾部分內(nèi)容:
    (1)RTL8019AS的初始化和驅(qū)動程序的設(shè)計;
    (2)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收子程序;
    (3)TCP/IP協(xié)議棧程序的設(shè)計;
    (4)客戶端和服務(wù)器端程序的設(shè)計;
    (5)X5045看門狗和E2PROM程序的設(shè)計。
    系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。


    由圖2可知,系統(tǒng)首先完成對單片機定時器、串口、網(wǎng)卡芯片和以太網(wǎng)等部分的初始化,然后進入以太網(wǎng)處理部分的主程序,通過定時器中斷進行網(wǎng)口數(shù)據(jù)的超時出錯處理,并完成TCP定時器?;詈虯RP表生存時間的更新。
2.1 系統(tǒng)初始化
    所謂初始化和驅(qū)動程序是指實模式下一組硬件芯片的驅(qū)動子程序,它們屏蔽了底層硬件處理細節(jié),同時向上層軟件提供與硬件無關(guān)的接口。主要包括定時器初始化,初始化PING表、ARP表,初始化TCP,RTL8019AS的初始化等。RTL8019AS的初始化主要包括網(wǎng)卡的復(fù)位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括網(wǎng)卡的復(fù)位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS內(nèi)部寄存器有4頁,與NE2000兼容的有3頁,第4頁不用。頁選擇由CR寄存器的PSl,PS0位確定。在零頁寄存器中可以設(shè)置接收、發(fā)送狀態(tài)配置以及發(fā)送緩存區(qū)的起始頁與接收緩存區(qū)起止頁地址等;在1頁寄存器中可以設(shè)置以太網(wǎng)接口的MAC地址和組播地址。對網(wǎng)卡的初始化就是對相關(guān)寄存器初始化,這些寄存器包括CR,RCR,TC-R,PSTART,PSTOP,BNRY,TPSR,ISR,DCR,IMR,CURR,PAGO~PAG5,MAR0~MAR5等。初始化過程如下:[!--empirenews.page--]
    (1)CR=0x21,選擇頁零的寄存器同時使芯片處于停止模式,不會發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包;
    (2)RCR=OxE0,設(shè)置接收結(jié)構(gòu)寄存器,monitor方式,所有數(shù)據(jù)包都被拒絕;
    (3)TCR=OxE2,設(shè)置發(fā)送配置寄存器,工作在內(nèi)部lookback模式;
    (4)PSTART=0x4C,接收緩沖區(qū)開始頁面地址;
    (5)PSTOP=0x80,接收緩沖區(qū)中止頁面地址;
    (6)BNRY=0x4C,接收緩沖區(qū)最后頁面指針;
    (7)TPSR=0x40,發(fā)送頁的起始頁地址,初始化為指向第一個發(fā)送緩沖區(qū)的頁即0x40;
    (8)ISR=0xFF,清除所有中斷標志;
    (9)DCR=OxC8,設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器,使用FIFO緩存,普通模式,8位數(shù)據(jù)DMA;
    (10)IMR=Ox00,設(shè)置中斷屏蔽寄存器;屏蔽所有中斷;
    (11)CR=Ox61,選擇頁一的寄存器;
    (12)CURR=Ox4D,網(wǎng)卡寫內(nèi)存的指針,指向當前正在寫的頁的下一頁,初始化時指和0x4C+1=0x4D;
    (13)設(shè)置多址寄存器MAR0~MAR5,均設(shè)置為Ox00;
    (14)CR=0x22,使網(wǎng)卡芯片開始工作;
    (15)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器PAR0~PAR5;
    (16)CR=Ox21,選擇頁零的寄存器;
    (17)RCR=OxCC,設(shè)置接收結(jié)構(gòu)寄存器,設(shè)置為使用接收緩沖區(qū),跟外部網(wǎng)絡(luò)連接;
    (18)TCR=0xE0,設(shè)置發(fā)送配置寄存器,啟用CRC自動生成和自動校驗,工作在正常模式;
    (19)CR=0x22,使網(wǎng)卡芯片開始工作;
    (20)ISR=0xFF,清除所有中斷標志;
2.2 TCP/IP協(xié)議棧的移植
    以太網(wǎng)幀的發(fā)送與接收屬于協(xié)議層中的最底層。發(fā)送前的協(xié)議封裝和接收時的協(xié)議分解都非常簡單。封裝時,只需在上層封裝數(shù)據(jù)前面添加14 B的以太網(wǎng)首部就可以了;接收到數(shù)據(jù)幀之后,根據(jù)頭信息中的幀類型字段判斷是否屬于IP包或ARP包,若是就繼續(xù)相應(yīng)的協(xié)議分解,否則將被丟棄,不予處理。幀的接收工作由網(wǎng)卡自動完成,只需對相關(guān)的寄存器如PSTART,P8TOP,CURR和BNRY進行適當?shù)某跏蓟纯伞R蕴W(wǎng)幀的發(fā)送過程如下:
    (1)初始化命令寄存器CR,啟動RTL8019AS;
    (2)設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器DCR,以字節(jié)方式通信;
    (3)設(shè)置發(fā)送配置寄存器TCR,選擇RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送的工作方式;
    (4)設(shè)置遠程開始地址寄存器RSAR0(低位),RSARl(高位),指明遠程DMA操作時所傳送數(shù)據(jù)的起始地址;
    (5)設(shè)置遠程字節(jié)計數(shù)寄存器RBCR0(低位),RBCRl(高位),指明遠程DMA操作時所傳送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);
    (6)設(shè)置命令寄存器CR,開始遠程DMA寫操作。RTL8019AS自動將數(shù)據(jù)I/O端口的數(shù)據(jù)寫入其緩沖區(qū)中;
    (7)開始向數(shù)據(jù)I/O端口傳送需要發(fā)送的數(shù)據(jù);
    (8)數(shù)據(jù)傳送完畢后,設(shè)置發(fā)送頁起始地址寄存器TBCR,指明待發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址;
    (9)設(shè)置發(fā)送字節(jié)計數(shù)寄存器TBCR0(低位),TBCRl(高位),指明待發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);
    (10)設(shè)置命令寄存器CR,啟動本地DMA操作。把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上;
    (11)結(jié)束。
    需要指出的是,數(shù)據(jù)在發(fā)送前必須先由上到下進行層層封裝才能正確地發(fā)送出去,同時,接收到的數(shù)據(jù)包還必須自下而上層層解包才能為用戶所識別,即協(xié)議分解。在協(xié)議編程實現(xiàn)中,數(shù)據(jù)封裝與協(xié)議分解互為逆過程。這就是說,必須在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議才能完成數(shù)據(jù)的TCP/IP處理。
2.3 客戶端和服務(wù)器端程序的設(shè)計
    分別設(shè)計客戶端和服務(wù)器端程序。適應(yīng)于不同的工作場合。在面向連接的TCP協(xié)議中,服務(wù)器和客戶機開始通信之前必須首先建立連接。在連接之前,服務(wù)器程序必須正在運行并處于監(jiān)聽模式,等待客戶端的連接。TCP的連接是通過3次握手協(xié)議來完成的。首先,客戶端發(fā)送1個SYN標志位的TCP段給服務(wù)器,其帶有所選擇段的初始序號。服務(wù)器端收到該報文段后,以1個帶有SYN標志的段作為應(yīng)答,其中也給出根據(jù)本身情況選擇的初始序號,并包含對客戶端的確認。
    而客戶端收到服務(wù)器端的應(yīng)答后,再次送回1個報文段,其中帶有對服務(wù)器端SYN的確認。這樣雙方的連接就建立了,以后就能開始傳送數(shù)據(jù)。同樣終止1條TCP連接實際上也需3次握手過程。

3 應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)
    為了驗證系統(tǒng)的可行性,應(yīng)用VB開發(fā)了接口程序,構(gòu)建了軟硬件測試平臺,用來設(shè)置網(wǎng)卡的配置參數(shù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。所有配置參數(shù)包括(本地IP地址、服務(wù)器端IP地址、端口號、網(wǎng)卡物理地址、ping的IP地址、串口號等)都能通過串口動態(tài)地更改。系統(tǒng)能實現(xiàn)Ping的功能,以方便檢查以太網(wǎng)的狀態(tài)。
3.1 參數(shù)設(shè)置界面
    用串口線將測試板(數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模塊,下同)與計算機連接起來,選擇好串口號,然后按“連接單片機”按鈕,連接狀態(tài)工具欄里出現(xiàn)“已經(jīng)連接”,說明測試板與計算機已經(jīng)連接上,然后就可以修改配置參數(shù)了。在參數(shù)設(shè)置欄中填寫正確的參數(shù)值后,按“設(shè)定”按鈕,接收狀態(tài)欄中會提示參數(shù)設(shè)置成功,然后按測試板上的復(fù)位鍵,網(wǎng)卡的參數(shù)配置就被寫到了X5045中。參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。[!--empirenews.page--]


3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)測試界面
    分別測試客戶端和服務(wù)器端軟件通信是否正常。
    (1)服務(wù)器端程序的測試
    打開客戶端測試界面,如圖4所示,設(shè)置連接IP地址為192.168.O.44(該地址必須與服務(wù)器端的IP地址一致),設(shè)置連接端口號為3330(該端口號必須與服務(wù)器端端口號一致)。將作為服務(wù)器端的程序燒入到測試板的微處理器中,通過圖3修改配置界面,將服務(wù)器端需要的參數(shù)寫入X5045,參數(shù)配置包括;“單片機IP地址”(指的是測試板自身的IP地址)為192.168.O.44,“服務(wù)器端IP地址”可以不用設(shè)置(因為測試板本身就即服務(wù)器端);如果是新網(wǎng)卡芯片,還需要設(shè)置MAC地址,這里設(shè)為121314151617(一般選擇任意的12位數(shù)即可);“服務(wù)器端口號”設(shè)為3330(必須與客戶端一致);網(wǎng)關(guān)設(shè)為192.168.O.1(要與上位機保持在同一個網(wǎng)段內(nèi))。設(shè)置好所有參數(shù)后,可以進行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。
    (2)客戶端程序的測試
    打開服務(wù)器端測試界面,如圖5所示。


    設(shè)置連接IP地址為192.168.0.44(該地址指的是上位機自身的IP,必須與客戶端設(shè)置的“服務(wù)器端IP地址”一致),設(shè)置連接端口號為3330(該端口號須與客戶端設(shè)置的“服務(wù)器端口號”一致)。將作為客戶端的程序燒人到系統(tǒng)的微處理器中,參數(shù)配置:“服務(wù)器IP地址”(指的是上位機的IP地址)為192.168.0.44,“單片機IP地址”可以不用設(shè)置(因為系統(tǒng)僅作為客戶端),“服務(wù)器端口號”設(shè)為3330(必須與客戶端一致),網(wǎng)關(guān)設(shè)為192.168.0.1(要與上位機保持在同一個網(wǎng)段內(nèi))。設(shè)置好所有參數(shù)之后,即可進行數(shù)據(jù)收發(fā)。服務(wù)器端的數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到串口,同樣,數(shù)據(jù)也可以從串口發(fā)送到服務(wù)器端。測試表明:上位機通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)之間的通信正常。

4 結(jié)語
    在此實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧單片機上的移植,完成了系統(tǒng)的硬件電路和相關(guān)嵌入式軟件的設(shè)計,應(yīng)用VB開發(fā)了上位機修改參數(shù)界面,通過串口完成對網(wǎng)卡等參數(shù)的配置和修改,解決了數(shù)據(jù)包的超時重發(fā)、定時?;睢?shù)配置、硬件看門狗復(fù)位等一系列問題。實驗表明,整套程序比較穩(wěn)定,收發(fā)數(shù)據(jù)正常,TCP超時重傳效果很好。經(jīng)過近1個月的測試,沒有出現(xiàn)任何丟包和堵塞的現(xiàn)象。

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