嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實(shí)現

　　隨著(zhù)嵌入式設備與網(wǎng)絡(luò )的日益結合，在單片機系統中引入TCP／IP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(gè)重要方向。在此對基于SST89E516RD單片機的TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現方法給予討論。選用SST89E516RD單片機實(shí)現了在線(xiàn)仿真和編程的功能，大大節約了開(kāi)發(fā)成本。采用VB 6．0語(yǔ)言與Window 98／2000／XP等為軟件開(kāi)發(fā)平臺，對系統進(jìn)行了測試。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的軟硬件測試表明：系統設計合理、穩定可靠，已基本實(shí)現了最初的設計目標。對其他類(lèi)似系統移植該項技術(shù)奠定了基礎，有很好的參考價(jià)值。

　　1 系統硬件實(shí)現

　　整個(gè)系統以SST89E516RD單片機為核心，通過(guò)RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現遠程通信。串口完成網(wǎng)卡參數的修改、在線(xiàn)仿真，在系統中還使用X5045作為外部擴展的E2PROM，用來(lái)存儲IP地址、物理地址以及網(wǎng)卡的其他配置信息，同時(shí)X5045還具有電壓監控、看門(mén)狗定時(shí)器、上電復位三種功能，使用X5045監控系統的運行過(guò)程，當系統不穩定時(shí)可以進(jìn)行有效地復位。圖1為系統硬件結構圖。

　　2 系統軟件實(shí)現

　　系統軟件主要包括客戶(hù)端和服務(wù)器端軟件的設計，主要有以下幾部分內容：

　　(1)RTL8019AS的初始化和驅動(dòng)程序的設計；

　　(2)數據幀的發(fā)送和接收子程序；

　　(3)TCP／IP協(xié)議棧程序的設計；

　　(4)客戶(hù)端和服務(wù)器端程序的設計；

　　(5)X5045看門(mén)狗和E2PROM程序的設計。

　　系統的主程序流程圖如圖2所示。

　　由圖2可知，系統首先完成對單片機定時(shí)器、串口、網(wǎng)卡芯片和以太網(wǎng)等部分的初始化，然后進(jìn)入以太網(wǎng)處理部分的主程序，通過(guò)定時(shí)器中斷進(jìn)行網(wǎng)口數據的超時(shí)出錯處理，并完成TCP定時(shí)器?；詈虯RP表生存時(shí)間的更新。

　　2．1 系統初始化

　　所謂初始化和驅動(dòng)程序是指實(shí)模式下一組硬件芯片的驅動(dòng)子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細節，同時(shí)向上層軟件提供與硬件無(wú)關(guān)的接口。主要包括定時(shí)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)卡的復位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS內部寄存器有4頁(yè)，與NE2000兼容的有3頁(yè)，第4頁(yè)不用。頁(yè)選擇由CR寄存器的PSl，PS0位確定。在零頁(yè)寄存器中可以設置接收、發(fā)送狀態(tài)配置以及發(fā)送緩存區的起始頁(yè)與接收緩存區起止頁(yè)地址等；在1頁(yè)寄存器中可以設置以太網(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(guò)程如下：

　　(1)CR=0x21，選擇頁(yè)零的寄存器同時(shí)使芯片處于停止模式，不會(huì )發(fā)送和接收數據包；

　　(2)RCR=OxE0，設置接收結構寄存器，monitor方式，所有數據包都被拒絕；

　　(3)TCR=OxE2，設置發(fā)送配置寄存器，工作在內部lookback模式；

　　(4)PSTART=0x4C，接收緩沖區開(kāi)始頁(yè)面地址；

　　(5)PSTOP=0x80，接收緩沖區中止頁(yè)面地址；

　　(6)BNRY=0x4C，接收緩沖區最后頁(yè)面指針；

　　(7)TPSR=0x40，發(fā)送頁(yè)的起始頁(yè)地址，初始化為指向第一個(gè)發(fā)送緩沖區的頁(yè)即0x40；

　　(8)ISR=0xFF，清除所有中斷標志；

　　(9)DCR=OxC8，設置數據配置寄存器，使用FIFO緩存，普通模式，8位數據DMA；

　　(10)IMR=Ox00，設置中斷屏蔽寄存器；屏蔽所有中斷；

　　(11)CR=Ox61，選擇頁(yè)一的寄存器；

　　(12)CURR=Ox4D，網(wǎng)卡寫(xiě)內存的指針，指向當前正在寫(xiě)的頁(yè)的下一頁(yè)，初始化時(shí)指和0x4C+1=0x4D；

　　(13)設置多址寄存器MAR0～MAR5，均設置為Ox00；

　　(14)CR=0x22，使網(wǎng)卡芯片開(kāi)始工作；

　　(15)設置網(wǎng)卡地址寄存器PAR0～PAR5；

　　(16)CR=Ox21，選擇頁(yè)零的寄存器；

　　(17)RCR=OxCC，設置接收結構寄存器，設置為使用接收緩沖區，跟外部網(wǎng)絡(luò )連接；

　　(18)TCR=0xE0，設置發(fā)送配置寄存器，啟用CRC自動(dòng)生成和自動(dòng)校驗，工作在正常模式；

　　(19)CR=0x22，使網(wǎng)卡芯片開(kāi)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(shí)的協(xié)議分解都非常簡(jiǎn)單。封裝時(shí)，只需在上層封裝數據前面添加14B的以太網(wǎng)首部就可以了；接收到數據幀之后，根據頭信息中的幀類(lèi)型字段判斷是否屬于IP包或ARP包，若是就繼續相應的協(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(dòng)完成，只需對相關(guān)的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY進(jìn)行適當的初始化即可。以太網(wǎng)幀的發(fā)送過(guò)程如下：

　　(1)初始化命令寄存器CR，啟動(dòng)RTL8019AS；

　　(2)設置數據配置寄存器DCR，以字節方式通信；

　　(3)設置發(fā)送配置寄存器TCR，選擇RTL8019AS數據發(fā)送的工作方式；

　　(4)設置遠程開(kāi)始地址寄存器RSAR0(低位)，RSARl(高位)，指明遠程DMA操作時(shí)所傳送數據的起始地址；

　　(5)設置遠程字節計數寄存器RBCR0(低位)，RBCRl(高位)，指明遠程DMA操作時(shí)所傳送的數據的字節數；

　　(6)設置命令寄存器CR，開(kāi)始遠程DMA寫(xiě)操作。RTL8019AS自動(dòng)將數據I／O端口的數據寫(xiě)入其緩沖區中；

　　(7)開(kāi)始向數據I／O端口傳送需要發(fā)送的數據；

　　(8)數據傳送完畢后，設置發(fā)送頁(yè)起始地址寄存器TBCR，指明待發(fā)送數據的起始地址；

　　(9)設置發(fā)送字節計數寄存器TBCR0(低位)，TBCRl(高位)，指明待發(fā)送數據的字節數；

　　(10)設置命令寄存器CR，啟動(dòng)本地DMA操作。把緩沖區中的數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上；

　　(11)結束。

　　需要指出的是，數據在發(fā)送前必須先由上到下進(jìn)行層層封裝才能正確地發(fā)送出去，同時(shí)，接收到的數據包還必須自下而上層層解包才能為用戶(hù)所識別，即協(xié)議分解。在協(xié)議編程實(shí)現中，數據封裝與協(xié)議分解互為逆過(guò)程。這就是說(shuō)，必須在數據采集子系統中實(shí)現嵌入式TCP／IP協(xié)議才能完成數據的TCP／IP處理。

　　2．3 客戶(hù)端和服務(wù)器端程序的設計

　　分別設計客戶(hù)端和服務(wù)器端程序。適應于不同的工作場(chǎng)合。在面向連接的TCP協(xié)議中，服務(wù)器和客戶(hù)機開(kāi)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聽(tīng)模式，等待客戶(hù)端的連接。TCP的連接是通過(guò)3次握手協(xié)議來(lái)完成的。首先，客戶(hù)端發(fā)送1個(gè)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(gè)帶有SYN標志的段作為應答，其中也給出根據本身情況選擇的初始序號，并包含對客戶(hù)端的確認。

　　而客戶(hù)端收到服務(wù)器端的應答后，再次送回1個(gè)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(kāi)始傳送數據。同樣終止1條TCP連接實(shí)際上也需3次握手過(guò)程。

　　3 應用系統實(shí)現

　　為了驗證系統的可行性，應用VB開(kāi)發(fā)了接口程序，構建了軟硬件測試平臺，用來(lái)設置網(wǎng)卡的配置參數并實(shí)現數據的發(fā)送與接收。所有配置參數包括(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(guò)串口動(dòng)態(tài)地更改。系統能實(shí)現Ping的功能，以方便檢查以太網(wǎng)的狀態(tài)。

　　3．1 參數設置界面

　　用串口線(xiàn)將測試板(數據采集和控制系統模塊，下同)與計算機連接起來(lái)，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“已經(jīng)連接”，說(shuō)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了。在參數設置欄中填寫(xiě)正確的參數值后，按“設定”按鈕，接收狀態(tài)欄中會(huì )提示參數設置成功，然后按測試板上的復位鍵，網(wǎng)卡的參數配置就被寫(xiě)到了X5045中。參數設置界面如圖3所示。

　　3．2 數據收發(fā)測試界面

　　分別測試客戶(hù)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(kāi)客戶(hù)端測試界面，如圖4所示，設置連接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(guò)圖3修改配置界面，將服務(wù)器端需要的參數寫(xiě)入X5045，參數配置包括；“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，還需要設置MAC地址，這里設為121314151617(一般選擇任意的12位數即可)；“服務(wù)器端口號”設為3330(必須與客戶(hù)端一致)；網(wǎng)關(guān)設為192．168．O．1(要與上位機保持在同一個(gè)網(wǎng)段內)。設置好所有參數后，可以進(jìn)行數據的收發(fā)了。

　　(2)客戶(hù)端程序的測試

　　打開(kāi)服務(wù)器端測試界面，如圖5所示。

　　設置連接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(hù)端設置的“服務(wù)器端IP地址”一致)，設置連接端口號為3330(該端口號須與客戶(hù)端設置的“服務(wù)器端口號”一致)。將作為客戶(hù)端的程序燒人到系統的微處理器中，參數配置：“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”可以不用設置(因為系統僅作為客戶(hù)端)，“服務(wù)器端口號”設為3330(必須與客戶(hù)端一致)，網(wǎng)關(guān)設為192．168．0．1(要與上位機保持在同一個(gè)網(wǎng)段內)。設置好所有參數之后，即可進(jìn)行數據收發(fā)。服務(wù)器端的數據可以被發(fā)送到串口，同樣，數據也可以從串口發(fā)送到服務(wù)器端。測試表明：上位機通過(guò)以太網(wǎng)與系統之間的通信正常。

　　4 結語(yǔ)

　　在此實(shí)現了TCP／IP協(xié)議棧在單片機上的移植，完成了系統的硬件電路和相關(guān)嵌入式軟件的設計，應用VB開(kāi)發(fā)了上位機修改參數界面，通過(guò)串口完成對網(wǎng)卡等參數的配置和修改，解決了數據包的超時(shí)重發(fā)、定時(shí)?；?、參數配置、硬件看門(mén)狗復位等一系列問(wèn)題。實(shí)驗表明，整套程序比較穩定，收發(fā)數據正常，TCP超時(shí)重傳效果很好。經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的測試，沒(méi)有出現任何丟包和堵塞的現象。