基于S7600A的嵌入式系統Internet接入方案

摘要：TCP/IP協(xié)議棧大規模集成電路S7600A的結構、功能、硬件接口和應用程序接口；介紹一個(gè)基于實(shí)時(shí)任務(wù)操作系統μs/OS的S7600A應用方案，此方案實(shí)現了嵌入式系統的Internet接入。

關(guān)鍵詞：TCP/IP API 實(shí)時(shí)操作系統（RTOS） 多任務(wù) 嵌入式系統

隨著(zhù)電子設備智能化要求的提高和各種功能強大的微處理器的推出，嵌入式系統逐漸成為許多電子設備不可缺少的一部分，并處在前所未有的發(fā)展期；而互聯(lián)網(wǎng)概念的深入人心更為嵌入式系統與互聯(lián)網(wǎng)的結合提出了要求。嵌入式系統接入Internet以后，不僅實(shí)現了設備的遠程控制、維護和升級，而且從另外一層意義上講，接入Internet的設備已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )共享資源的一部分?？梢哉f(shuō)這是自電子設備智能化以來(lái)設計思想的又一次飛躍。

嵌入式系統接入Internet的關(guān)鍵是滿(mǎn)足TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是建立在數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層上的協(xié)議族，是Internet的基礎。各種型號計算機運行在不同操作系統之上，TCP/IP協(xié)議族允許它們互相通信。通常，一個(gè)嵌入式系統接入Internet，可選擇一個(gè)提供TCP/IP協(xié)議的嵌入式操作系統，或是在現有操作系統之上加入TCP/IP軟件協(xié)議棧，實(shí)現TCP/IP連接。對于嵌入式系統，TCP/IP軟件協(xié)議棧也構成了系統成本的一部分，而這部分投入占有不小的比例。同時(shí)，軟件協(xié)議棧的引入無(wú)疑要占用更多的系統資源，對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)是很可觀(guān)的。S7600A TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片很好地解決了資源和成本有限的嵌入式系統的Internet接入問(wèn)題。

1 S7600A的內部結構

S7600A內部結構如圖1所示，它由網(wǎng)絡(luò )棧、物理層接口、微控制器接口、SRAM接口和片內SRAM組成。（1）網(wǎng)絡(luò )棧是該芯片的核心。它建立在物理層上，包含有實(shí)現TCP/IP協(xié)議的特殊的層次化的數據結構，并完成數據的包裝或剝離。其內部又可以分為PPP（點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議）、IP（網(wǎng)際協(xié)議）、TCP（傳輸控制協(xié)議）/UDP（用戶(hù)數據報協(xié)議）幾個(gè)層次。（2）物理層接口是實(shí)現協(xié)議的最底層接口。在這里以UART的形式提供對外連接，可以通過(guò)外接Modem實(shí)現Internet接入。（3）微控制器接口提供了與68k/x86（Moterola/Intel）MPU的標準并行接口非標準的串行接口（串/并模式由PSX來(lái)選擇）。在x86/68k并行模式下，由C86來(lái)選擇x86或68k。SD[7:0]為地址/數據復用總線(xiàn)，CS為片選輸入，READX和WRITEX為讀寫(xiě)信號，RS為寄存器選擇輸入，用業(yè)指示地址和數據。在串行模式下，SD7為串行數據輸入，SD6為串行時(shí)鐘輸入，SD5為串行數據輸出，WRITEX用來(lái)切換讀和寫(xiě)。另外芯片提供了中斷輸出，用來(lái)給MPU發(fā)特定請求。BUSYX用做忙指示。

2 S7600A內部寄存器和數據傳輸實(shí)例

S7600A有36個(gè)內部寄存器，有單字節、多字節，也有變長(cháng)的（如PPP_String寄存器，用來(lái)存放PAP用戶(hù)名和指令，其長(cháng)度與用戶(hù)名和口令的實(shí)際長(cháng)度相關(guān)）。對內部寄存器的讀寫(xiě)可以實(shí)現對S7600A的各種操作，其中若干寄存器用來(lái)做TCP/IP的協(xié)議接口。由于寄存器數據量較多，這里不一一介紹，僅舉一個(gè)TCP數據的傳輸實(shí)例來(lái)說(shuō)明對該芯片的操作。

一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號可以稱(chēng)一個(gè)插口（Socket）。而一個(gè)插口對可以唯一地確定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )里一個(gè)TCP連接。在進(jìn)行以下操作之前事先要建立一個(gè)TCP連接。

首先，將Serial_Port_Config寄存器（08H）里的SCTL標志位置1，把對串口的控制權交給硬件（S7600A），把要傳輸的數據寫(xiě)到Socket_Data寄存器（2EH）里，S7600A就會(huì )把數據通過(guò)該寄存器放到輸出緩沖區（1K字節長(cháng)度）。注意輸出緩沖區地址在Buffer_Out_Length寄存器（30H-31H）里，當輸出緩沖區為全空時(shí)，該寄存器里寫(xiě)一個(gè)字節的數據，用戶(hù)每向Socket_Data寄存器里寫(xiě)一個(gè)字節的數據，Buffer_Out_Length寄存器的值就會(huì )自動(dòng)減一。

當用戶(hù)要發(fā)送TCP數據時(shí)，只要向Data_Send寄存器（30H）里寫(xiě)任意個(gè)字節的數據，S7600A就會(huì )對輸出緩沖區里的數據進(jìn)行TCP數據處理（自動(dòng)加入TCP首部，形成TCP段；再加入IP首部，形成IP數據報；最后在串行鏈路上封裝IP數據報，形成PPP數據幀，如圖2所示。）然后通過(guò)UART接口發(fā)送出去。同時(shí)Buffer_Out_Length寄存器的值會(huì )復原到3FFH.注意輸出緩沖區最大1K字節，超過(guò)該值是不允許的。

3 基于S7600A的接入方案

3.1 系統構成

基于S7600A的接入方案如圖3所示，系統采用通用單片機AT89C51為控制核。單片機既可以通過(guò)并行總線(xiàn)又可以通過(guò)串行總線(xiàn)與S7600A相連（在串行時(shí)用I/O口實(shí)現串行時(shí)序），通過(guò)對S7600A的操作實(shí)現TCP/IP協(xié)議。S7600A經(jīng)UART接口與嵌入式Modem相接，經(jīng)電話(huà)線(xiàn)接入Internet。應用程序與遠程服務(wù)器或客戶(hù)機建立TCP或UDP連接，在此基礎上實(shí)現多種應用，如FTP、SMTP、POP3、Telnet、IP電話(huà)服務(wù)等。從網(wǎng)上獲取的信息可以經(jīng)系統總線(xiàn)傳給嵌入系統的其他部分或者直接顯示在LCD上，同樣系統產(chǎn)生的信息也可發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。

3.2 系統的軟件設計

（1）嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統

在這個(gè)系統里，引入了實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）。通常對單片機的開(kāi)發(fā)是在硬件的基礎上直接進(jìn)行編程，這種方法一般用于規模較小、較簡(jiǎn)單的系統，對于規模較大、較為復雜的系統會(huì )產(chǎn)生一定的隱患，屬于較低層次的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，在嵌入式應用中使用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)、一種時(shí)尚，從本質(zhì)意義上講，是系統開(kāi)發(fā)層次的一種提高。在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統的支持下，多個(gè)任務(wù)可以按照一定關(guān)系并行工作，CPU資源得到充分利用，系統可靠性得到很好的保證，同時(shí)方便組織開(kāi)發(fā)任務(wù)。

當前出現了很多商業(yè)的RTOS，但一般價(jià)格比較昂貴，代碼不公開(kāi)。本系統使用了開(kāi)放源代碼的RTOS μC/OS，這個(gè)RTOS已經(jīng)在很多系統上進(jìn)行了成功的應用，同時(shí)已經(jīng)被移植到8051上。

（2）S7600A應用程序接口（API）

S7600A以硬件的形式提供了TCP/IP協(xié)議的簡(jiǎn)單端口。即便如此，對其內部眾多寄存器進(jìn)行尋址操作了并不容易，建立TCP/IP連接仍然是比較復雜的過(guò)程。幸運的是，廠(chǎng)商為其提供API函數集，通過(guò)調用該函數集，可以實(shí)現S7600A的所有功能。這個(gè)函數集是建立在RTOS上的。但是這套API又具有硬件和平臺的獨立性，非常有利于在各種系統上移植，這種特性為實(shí)際開(kāi)發(fā)項目的層次公組織創(chuàng )造了非常有利的條件。其硬件獨立性是通過(guò)API里的兩個(gè)文件iHwIFace.h和iHwIFace.c實(shí)現的，用戶(hù)在重寫(xiě)這兩個(gè)文件后，可以使API用在不同的CPU上，它實(shí)際相當于S7600A的底層驅動(dòng)程序。在這個(gè)系統里要根據AT89C51和S7600A的編址連接來(lái)確定這兩個(gè)文件，其平臺獨立性是通過(guò)API里的iSys.h和iSys.c實(shí)現的，用戶(hù)在重寫(xiě)這兩個(gè)文件后，可以使API運行在不同的操作系統上，在該公司提供的這套API里已經(jīng)附帶了基于μC/OS的這兩個(gè)文件。

該API包括兩個(gè)主要部分：iStacApi（實(shí)現PPP）和iSockApi（實(shí)現Socket連接），對S7600A的功能進(jìn)行了簡(jiǎn)單而有效的封裝，為應用軟件的開(kāi)發(fā)提供了方便。如表1、表2所示。

表1 iStacApi

表2 IsockApi

（3）應用程序

應用程序建立在RTOS和API之上，并可以實(shí)現多任務(wù)，在編譯完畢后和RTOS庫以及API庫一起連接生成可執行代碼，如圖4所示。

在系統需接入Internet傳輸數據的時(shí)候，首先要通過(guò)Modem撥號，建立PPP連接，然后再根據數據傳輸的具體需要決定建立TCP連接還是UDP連接。一般情況下，TCP建立可靠的連接，可以實(shí)現諸如FTP、SMTP等服務(wù)；而像IP電話(huà)這樣強調實(shí)時(shí)性的場(chǎng)合，需要建立UDP連接。

在需要上網(wǎng)的時(shí)候，運行以下程序要，可以實(shí)現與ISP（網(wǎng)絡(luò )服務(wù)提供商）之間的撥號連接。首先，程序調用IsInitStack()，初始化S7600A的硬件協(xié)議棧子系統。如果初始化成功（得到RET_CODE_OK的返值），就開(kāi)始進(jìn)行撥號連接。調用IsPPPCheck()檢查是否已經(jīng)連接，如果還沒(méi)有連接，就調用IsPPPConnect（）進(jìn)行撥號（該函數的參數含有進(jìn)行撥號連接的要素：phata.name表示撥號上網(wǎng)的用戶(hù)名，例如撥169時(shí)，用戶(hù)名就指定為“169”；pdata.passwd表示用戶(hù)口令，例如撥169時(shí)，該口令指定為“169”；pdata.modemInitStrings存放初始化Modem用的指令，符合Modem AT指令集，“AT”為Modem指令的前綴。例如，“AT+FAE=0”表示關(guān)閉data/fax自動(dòng)應答模式，“ATE0”表示禁止指令回應；pdata.baudRate為波特率；pdata.modemDialString為撥號號碼，此處為電話(huà)號碼169,“DT”表示用雙音頻撥號）；如果已經(jīng)建立了連接，就調用IsGetOurIP()得到IP地址或者調用IsPPPKeepAlive（）保持連接。

#includeiReady.h>

#includeiRtacApi.h>

#define L_Time 10000

static int do_connect=1,was_connect=0;

static iIPAddr ip;

ppp_task(void)

{

RET_CODE rc; //RET_CODE為API函數執行狀態(tài)返值的數據類(lèi)型

iPPPData pdata; //該數據結構包含建立PPP連接的必要數據

static char *initSrtings[5];

initStrings[]=“AT+FAE=0”; //在字符串數組里存放Modem初始化指令

initStrings[]=“ATE0”；

initStrings[]=0; //設定該字符為NULL

initStrings[]=0;

initStrings[]=0;

pdata.name=“169”； //撥號上網(wǎng)的用戶(hù)名

pdata.passwd=“169”； //撥號上網(wǎng)的用戶(hù)口令

pdata.baudRate=28800; //設置波特率

pdata.hwFlowCtrl=1; //啟用硬件流控制

pdata.useModem=1;

pdata.modemDialString=“ATDT 169”； //ATDT為雙音頻撥號指令

pdata.auth=IPPP_AUTH_PAP; //提供PAP驗證

pdata.modemInitStrings=initstrings； //Modem初始化的系統指令，必須以NLLL結尾

rc=IsInitStack(); //初始化硬件棧子系統

if{re= =RET_CODE_OK}

{

while(do_connect)

{

rc=IsPPPCheck(); //檢查PPP連接是否激活

if(rc= =RET_CODE_OK)

{

if(was_connect= =0)

{

rc=IsGetOurIP(ip); //獲取IP地址

was_connect=1;

}

}

else if(was_connect)

{

was_connect=0;

rc=IsPPPkeepAlive(L_TIME)//在連接失效時(shí)重新建立連接

}

else

{

rc=IsPPPConnect(pdata,L_TIME); //撥號并與ISP建立PPP連接

continue；

}

smallSleep(L_TIME);

}

}

}

基于RTOS和S7600A的嵌入式系統Internet接入方案硬件上簡(jiǎn)潔可靠、成本適中；軟件開(kāi)發(fā)上體現了較好的層次思想和較高的技術(shù)水準，可維護性好，可擴展性好。