基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術(shù)

3.2 uIP 的體系結構

uIP 協(xié)議根據嵌入式系統的需要，去掉了TCP/IP協(xié)議中許多不常用的功能，保留網(wǎng)絡(luò )通信中所需要的ARP(可選)、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等最核心的部分。協(xié)議全部用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節，使用的RAM 只需要360字節。其應用層接口和設備驅動(dòng)層接口非常簡(jiǎn)單。

uIP 協(xié)議將設計重點(diǎn)放在IP、ICMP 和TCP 協(xié)議的實(shí)現上，而將UDP 和ARP 協(xié)議實(shí)現作為可選模塊。uIP協(xié)議的體系結構如圖3 所示。

圖3 uIP 協(xié)議棧結構圖。

3.3 uIP 的底層設備驅動(dòng)接口和應用程序接口

uIP 是一個(gè)僅包含三層網(wǎng)絡(luò )層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP 自身不包含任何類(lèi)型的底層網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)和上層應用程序，它只提供接口函數供用戶(hù)開(kāi)發(fā)使用。因此為了完成與網(wǎng)絡(luò )設備的交互，用戶(hù)必須根據網(wǎng)絡(luò )設備的類(lèi)型，在uIP 中自行實(shí)現對底層網(wǎng)絡(luò )設備的驅動(dòng)。對本例來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )設備是RTL8019AS 網(wǎng)卡，因此需要在uIP 中實(shí)現對RTL8019AS 網(wǎng)卡的驅動(dòng)。如果用戶(hù)需要在Internet 上通過(guò)http 協(xié)議瀏覽和獲取現場(chǎng)數據，還必須在uIP 上實(shí)現基于HTTP 協(xié)議的WEB 應用服務(wù)。

RTL8019AS 網(wǎng)卡驅動(dòng)首先是對網(wǎng)卡芯片的上電初始化，通過(guò)函數init_8019as()進(jìn)行，用于設定網(wǎng)卡物理地址，設定收發(fā)緩沖區位置和大小等。其次是發(fā)送數據函數eth_send()和接收數據函數eth_rcve()。

而uIP 協(xié)議棧則通過(guò)內核中的uip_input()函數實(shí)現對底層網(wǎng)絡(luò )設備的驅動(dòng)，該函數是uIP 協(xié)議的底層設備入口。它包含兩個(gè)全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數據包，后者表示接收發(fā)送緩沖區里的數據長(cháng)度。uip_input()函數處理從網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)發(fā)送來(lái)的IP 包。處理結束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒(méi)有數據要發(fā)送。不為0 則調用網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序eth_send()函數來(lái)將uip_buf 里的uip_len 長(cháng)度的數據發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve()函數將接收到的數據存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區中，系統調用uip_input()函數，并在需要時(shí)調用應用程序。

uip_periodic()可以理解為是一個(gè)周期時(shí)鐘函數，通常每一秒執行一次，單片機用它周期性地輪詢(xún)各連接。因為uIP 協(xié)議要處理許多定時(shí)事件，例如包重發(fā)、ARP 表項更新。當周期計時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP 連接調用uip_periodic()，其TCP 連接編號作為參數傳遞給uip_periodic()函數。uip_periodic()函數檢查參數指定的連接的狀態(tài)。當uip_periodic()函數返回后，會(huì )檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區中的數據包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。

uIP 協(xié)議的應用程序接口用于實(shí)現web 之類(lèi)的應用服務(wù)。uIP 定義了一個(gè)宏UIP_APPCALL()作為該接口，供用戶(hù)使用。當用戶(hù)要編程實(shí)現某應用服務(wù)時(shí)，只需要將宏UIP_APPCALL()定義成實(shí)際的應用程序函數名。uIP 在接收到底層傳來(lái)的數據包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL()。不同的連接則通過(guò)判斷當前連接的端口號來(lái)確定。同時(shí)uIP 還提供一些應用程序接口函數供用戶(hù)編程時(shí)使用。常用的uIP 應用程序接口函數有：關(guān)閉連接接口函數uip_close();輪詢(xún)接口函數uip_poll();打開(kāi)連接接口函數uip_connect()等。通過(guò)調用不同的應用程序接口函數，用戶(hù)可以實(shí)現相應的功能。

4 單片機主程序的設計

完成了底層設備驅動(dòng)模塊和應用服務(wù)程序模塊的添加以及對uIP 進(jìn)行了正確配置之后，軟件編寫(xiě)的主體部分是單片機主程序函數。主程序視用戶(hù)需要達到何種功能而定。對于本例通過(guò)以太網(wǎng)卡接入到Internet實(shí)現WEB 應用服務(wù)來(lái)說(shuō)，單片機主程序首先啟動(dòng)初始化工作，包括定時(shí)器初始化、網(wǎng)卡芯片初始化、UIP 協(xié)議棧初始化、用戶(hù)應用程序初始化等等[5]。在完成初始化之后，主程序將不停的進(jìn)行查詢(xún)，如果網(wǎng)卡上有新的IP 數據包到達則送uip_input()函數處理;如果沒(méi)有新數據包到達則由uip_priodic()函數處理定時(shí)事件。由于uIP 協(xié)議棧采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，所以為了方便單片機主程序與uIP 協(xié)議交互，單片機主程序也采用C 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。下面是單片機主程序的部分設計代碼。

TCP/IP 協(xié)議棧的鏈路層部分由網(wǎng)絡(luò )控制器RTL8019AS 完成，網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層由單片機來(lái)處理。

應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶(hù)或終端設備完成。除了WEB 服務(wù)之外，其它應用層服務(wù)像SMTP 協(xié)議支持功能也可以根據需要編寫(xiě)相應的代碼。

5 系統測試

在完成上述工作的基礎上，我們?yōu)槭袇^中心停車(chē)場(chǎng)設計了一個(gè)停車(chē)監測管理系統。由于市區中心停車(chē)場(chǎng)業(yè)務(wù)量非常繁忙，車(chē)位經(jīng)常飽和，不僅管理人員而且客戶(hù)經(jīng)常需要實(shí)時(shí)掌握該停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)位空閑信息。數據采集系統的前端通過(guò)傳感器監測各停車(chē)位的空閑狀態(tài)。并及時(shí)將信息反饋到單片機，反饋的信息包括停車(chē)位空閑狀態(tài)，停車(chē)起始時(shí)間和時(shí)長(cháng)等。據此監測系統計算整個(gè)停車(chē)場(chǎng)空閑停車(chē)位的個(gè)數，并將信息返回到客戶(hù)端，同時(shí)以公告信息形式顯示在停車(chē)場(chǎng)出入口的LED 顯示屏上。方便客戶(hù)作出決策。根據停車(chē)時(shí)長(cháng)計算的計費信息也可以顯示在客戶(hù)端上。結合上述要求，我們在單片機上實(shí)現了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。Http 網(wǎng)頁(yè)能夠完成接收數據、發(fā)送網(wǎng)頁(yè)數據、關(guān)閉連接等應用，并且能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地進(jìn)行數據更新?？蛻?hù)端使用最常用的Windows 操作系統和Internet Explorer 瀏覽器，客戶(hù)端不需要安裝其它特殊的服務(wù)程序。系統僅設置為最多4 個(gè)并發(fā)客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)單片機Web 服務(wù)器。圖4 是訪(fǎng)問(wèn)單片機Web服務(wù)器的結果。

圖4 客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)單片機Web 服務(wù)器。