MCS-51單片機嵌入式Internet技術(shù)的工作原理簡(jiǎn)述

　　8051 單片機P0 口的8 位數據總線(xiàn)D0-D7、P2口的5 根地址線(xiàn)A8-A12、讀信號線(xiàn)RD、寫(xiě)信號線(xiàn)WR、2 個(gè)定時(shí)器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線(xiàn)對應連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線(xiàn)方式。8051 單片機驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )控制芯片RTL8019AS,經(jīng)網(wǎng)絡(luò )隔離濾波器HR901170A 后實(shí)現Internet 接入。

　　3.1 嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

　　TCP/IP 協(xié)議是Internet 的核心協(xié)議。單片機實(shí)現嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實(shí)現TCP/IP 協(xié)議。由于TCP/IP 協(xié)議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實(shí)現TCP/IP協(xié)議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開(kāi)發(fā)了面向商用的嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，這些協(xié)議棧缺點(diǎn)是面向特定公司生產(chǎn)的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費。如果采用這類(lèi)協(xié)議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統不具有性?xún)r(jià)比上的優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)對比，最后在本系統中選用開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個(gè)適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，感興趣的用戶(hù)可以免費在網(wǎng)絡(luò )上下載其源代碼并對其進(jìn)行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9 協(xié)議棧采用模塊化設計，保留網(wǎng)絡(luò )通信所必要的協(xié)議機制，大大減少了協(xié)議代碼量(代碼量在幾千字節左右)，只需要幾百字節的內存就可以順利運行，降低了協(xié)議對系統資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統。

　　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。

　　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。