嵌入式系統Internet打印的設計與實(shí)現

摘要：本文通過(guò)設計實(shí)例介紹了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò )打印的實(shí)現方案。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，硬件構成上具有典型意義。軟件上精簡(jiǎn)了TCP/IP協(xié)議棧，完成了網(wǎng)絡(luò )接口程序的設計，構建了嵌入式WEB服務(wù)器。在分析網(wǎng)絡(luò )打印模型的基礎上，實(shí)現了IPP網(wǎng)絡(luò )打印協(xié)議的基本功能。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統；打??；IPP；LAN91C111

1 引言

隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，硬件的性?xún)r(jià)比越來(lái)越高。本文介紹了一種嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )打印的實(shí)現方案，把并口打印機連接到能執行IPP(Internet Printing Protocol)協(xié)議的嵌入式系統上，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )打印。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )打印的模型如圖1所示[1]。這種應用方案不僅可以整合到嵌入式系統中用來(lái)提供網(wǎng)絡(luò )打印支持，也可以單獨設計成一個(gè)嵌入式打印服務(wù)器，實(shí)現遠程打印或對普通打印機提供打印共享支持。

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(lái)的，目前最高版本為1.1。操作系統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(hù)機／服務(wù)器模式，客戶(hù)在操作系統或應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(guò)雙方會(huì )話(huà)完成打印任務(wù)?？蛻?hù)查找打印機時(shí)，只要輸入IPP打印機的網(wǎng)址便可獲取遠程打印機的列表。應用層協(xié)議IPP依賴(lài)于HTTP協(xié)議，雙方的會(huì )話(huà)數據和打印數據嵌在HTTP數據體中完成的。雙方會(huì )話(huà)時(shí)須使用POST方法，同時(shí)啟用了新的Content-Type，即“application / ipp”，用來(lái)指出MESSAGE-BODY是IPP數據[2]。

3 硬件設計

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字節順序，且ATmega128是8位機，數據線(xiàn)可直接連接。如圖2所示[3]，外部采用單一的外總線(xiàn)結構，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，其余地址取連續的16個(gè)分配給網(wǎng)卡使用。

LAN91C111工作電壓是3.3V，但I/O口是5V電平，本方案使用了一片LM3940作電壓轉換。采用雙絞線(xiàn)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(méi)有外接EEPROM，將ENEEP接地，運行參數初始化時(shí)由用戶(hù)通過(guò)主CPU寫(xiě)入[4]。

圖 2 硬件原理圖

對LAN91C111的操作通過(guò)其內部的寄存器讀寫(xiě)進(jìn)行。內部的寄存器分為BANK0-BANK3共四頁(yè)，頁(yè)面選擇通過(guò)頁(yè)選擇寄存器（Bank Select register, BSR）來(lái)進(jìn)行。不論當前頁(yè)是哪一頁(yè)，改變BSR的值就可以切換BANK，利用16個(gè)字節地址空間映射到I/O口就能實(shí)現對整個(gè)芯片的操作。

LAN91C111內部有一個(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(hù)的編程，減少了主CPU的開(kāi)銷(xiāo)。8K的緩存固定分為4頁(yè)，編號為0-3，每頁(yè)為2K。以太幀最大為1518字節，每頁(yè)完全可以存放一個(gè)以太幀。對發(fā)送和接收沒(méi)有固定的分配頁(yè)，其分配和釋放可以通過(guò)寫(xiě)寄存器相應的位完成。

3.1 打印接口的設計

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，這是許多打印機都支持的接口模式。實(shí)驗中用ATmega128的I/O口作打印數據傳輸線(xiàn)，其余的信號線(xiàn)最簡(jiǎn)潔的接法只需連接選通信號nSTB和忙信號BUSY[5]。本方案為節省硬件，只對打印機數據輸出采用地址譯碼的控制方式。ATmega128不用的口線(xiàn)較多，可將打印機的缺紙、打印出錯等信號狀態(tài)線(xiàn)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(xiàn)上并設置為低電平中斷。為避免損壞打印口，減少干擾，中間使用74HC244作為三態(tài)緩沖，具體應用時(shí)，應注意CMOS和TTL電平的匹配，原理圖如圖3所示。

4 軟件設計

4.1 LAN91C111復位

可以通過(guò)兩種方法使芯片（MACPHY）復位。一是將復位引腳置位至少100ns；二是將接收控制寄存器（Receive Control Register）的SOFT_RST位先寫(xiě)1，至少50ms后再寫(xiě)0使其復位。復位后，物理層模塊處于隔離模式（Isolation Mode），芯片不能收發(fā)數據包，必須設置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(xiě)入0x8010，打開(kāi)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(xiě)入0x0000，自動(dòng)去除幀尾的CRC檢驗碼。初始化接收/物理層控制寄存器(Receive/Phy Control Register, RPCR)，設置為0X3010，選擇自動(dòng)偵察模式，兩個(gè)LED分別設置成連接指示和收發(fā)指示。初始化配置寄存器，寫(xiě)入缺省值0XA0B1，本系統無(wú)外接E²PROM，使用內部物理層模塊。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)內其它設備重復。初始化控制寄存器，寫(xiě)入初值0x1A10，CRC校驗有錯時(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，設置ERCV寄存器ERCV_THRESHOLD位為1FH。只有接收的字節數超過(guò)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(xún)方式都可以。以太幀的發(fā)送分為五步：

(1) 通過(guò)向MMU命令寄存器MMUCR寫(xiě)入0x0020，請求MMU分配一頁(yè)緩存；

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

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

(4) 寫(xiě)數據入緩存，由Data Register依次寫(xiě)入status word、 byte count、 destination address、 source address、packet type、packet data、 control word ；

(5) 加入發(fā)送隊列，等待發(fā)送中斷，主CPU向MMUCR寫(xiě)入隊指令0x00C0。

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

4.3.2 以太幀的接收

主程序中將RCR的RXEN位置1，允許接收數據包，即將0x0300寫(xiě)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的隊頭，接下來(lái)的任務(wù)都在接收中斷程序中完成：

(1) 設置數據包的Pointer Register 中的RCV, RD, AUTOINC三個(gè)位都為1，寫(xiě)入0xE000。

(2) 從Data Register中讀取緩存中的數據到內存中，處理后交上層協(xié)議。

4.4 TCP/IP協(xié)議的實(shí)現

TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò )接口層處理以太幀，實(shí)現高層協(xié)議的封裝和解析。根據以太幀中的類(lèi)型字節，數據包分為三類(lèi)：ARP、RARP和IP，逐層解析。由于網(wǎng)絡(luò )運行參數如IP地址、網(wǎng)關(guān)地址等可以通過(guò)DHCP協(xié)議自動(dòng)獲取，也可以由手工進(jìn)行設置，因此本系統提供了手動(dòng)配置和DHCP協(xié)議自動(dòng)配置的功能。為方便系統的運行，將上次成功運行的參數保存在A(yíng)Tmega128的EEPROM中。由于本服務(wù)器主要是對服務(wù)請求做出響應，接收要打印的數據，以及上傳打印機的工作狀態(tài)，因此發(fā)送的數據加上協(xié)議的封裝不會(huì )超過(guò)網(wǎng)絡(luò )的MTU。由于系統本身資源有限，為減少TCP協(xié)議解析的復雜度，采用定長(cháng)緩存。系統中發(fā)送接收緩存容量為2566=1536字節，可以容納最大以太幀。通過(guò)調整滑動(dòng)窗口，以確保數據包大小不超過(guò)緩存容量，接收一包處理一包。從每包的特征字節可判斷數據包是獨立包還是上一包的繼續[6]。系統中設計了一個(gè)3KB定長(cháng)的打印隊列，打印數據直接送入打印隊列。

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)送的數據可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是IPP服務(wù)器的應答數據，二是輔助信息，如ARP請求、數據包的確認等。系統根據需要裝配數據，最后由網(wǎng)絡(luò )接口層發(fā)送出去。所有協(xié)議中TCP協(xié)議的處理最復雜，約占了整個(gè)代碼的1/3。

4.5 IPP的子集的構建

IPP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )打印模型有兩類(lèi)對象：

(1) 打印機對象（IPP Printer Object），執行服務(wù)器的IPP的協(xié)議，負責受理打印請求、作業(yè)排隊、驗證，將打印數據提交給打印機，回應用戶(hù)打印狀態(tài)的查詢(xún)請求。

(2) 作業(yè)對象(IPP Job Object)。當打印機對象創(chuàng )建打印作業(yè)時(shí)就生成相應的作業(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)是指當打印機或作業(yè)對象發(fā)生改變，例如出現打印故障時(shí)，服務(wù)器端主動(dòng)通知客戶(hù)端。由于打印機種類(lèi)繁多，對打印機驅動(dòng)程序處理采用給出URI的方法，系統不提供下載。

IPP打印申請和打印過(guò)程是通過(guò)服務(wù)器和客戶(hù)端的一組請求及響應操作完成的。屬于打印機對象的操作有：直接傳送文檔的打??；作業(yè)的驗證；作業(yè)的創(chuàng )建；打印機屬性的獲取與應答。下面的五種操作不予實(shí)現：通過(guò)URI獲取打印文檔；打印作業(yè)列表；暫停所有打??；恢復打??；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??；打印作業(yè)的掛起；打印作業(yè)的就緒。

IPP協(xié)議的請求與響應的屬性比較復雜，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 結束語(yǔ)

利用ATmega128和網(wǎng)絡(luò )控制芯片LAN91C111，我們設計了基于IPP協(xié)議的嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )打印方案。系統外接了小型熱敏并口打印機，利用VB直接在程序中處理IPP會(huì )話(huà)，使用ESC打印語(yǔ)言構造打印數據，經(jīng)測試，可以滿(mǎn)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)現了IPP的基本功能，在雙向打印端口的設計、打印數據的網(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)：設計了高性?xún)r(jià)比的嵌入式網(wǎng)絡(luò )硬件接口，在精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧上實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )打印協(xié)議IPP的基本功能，為設計通用的嵌入式網(wǎng)絡(luò )打印方案提供了新思路。