一種uIP TCP/IP協(xié)議棧在51系列單片機上的實現(xiàn)

　一 引言

　　隨著信息技術的不斷發(fā)展，以及人們對日常生活舒適度、方便度要求的提高，信息家電、智能儀表等產(chǎn)品越來越頻繁的出現(xiàn)在我們的生活當中；人們也越來越熱衷于把家電、儀表等設備連接到Internet 中，從而可以方便、及時的對它們進行遠程察看、遠程控制。把這些設備接入Internet ,就需要考慮TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)。

　　51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機一般不具備自編程能力。本文將簡要描述uIP的實現(xiàn)方法，分析uIP協(xié)議棧的應用接口，并討論如何將其應用到51系列單片機上。

　　二 uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法簡述

　　uIP協(xié)議棧主要提供了三個函數(shù)供系統(tǒng)底層調用。即uip_init（）， uip_input（） 和uip_periodic（）。其與應用程序的主要接口是UIP_APPCALL（ ）。ip_init（）是系統(tǒng)初始化時調用的，主要初始化協(xié)議棧的偵聽端口和默認所有連接是封閉的。當網(wǎng)卡驅動收到一個輸進包時，將放進全局緩沖區(qū)uip_buf中，包的大小由全局變量uip_len約束。同時將調用uip_input（）函數(shù)，這個函數(shù)將會根據(jù)包首部的協(xié)議處理這個包和需要時調用應用程序。當uip_input（）返回時，一個輸出包同樣放在全局緩沖區(qū)uip_buf里，大小賦給uip_len.假如uip_len是0,則說明沒有包要發(fā)送。否則調用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)送到網(wǎng)絡上。uIP周期計時是用于驅動所有的uIP內部時鐘事件。當周期計時激發(fā)，每一個TCP連接都會調用uIP函數(shù)uip_periodic（）。類似于uip_input（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)返回時，輸出的IP包要放到uip_buf中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len的大小發(fā)送。

　　uIP實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議， ICMP網(wǎng)絡控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應用，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實現(xiàn)時采用有針對性的方法，保持代碼大小和存儲器使用量最小。

　　1 實現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時為了節(jié)省存儲器，ARP應答包直接覆蓋ARP請求包。

　　2 實現(xiàn)IP網(wǎng)絡協(xié)議時對原協(xié)議進行了極大的簡化，它沒有實現(xiàn)分片和重組。

　　3 實現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡控制報文協(xié)議時，只實現(xiàn)echo（回響）服務。uIP在生成回響報文時并不重新分配存儲器空間，而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。將ICMP類型字段從"echo"類型改變成 "echo reply"類型，重新計算校驗和修改校驗和字段。

　　4 uIP里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口。每個TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結構保存，uip_conn結構包括當?shù)睾瓦h端的TCP端口編號，遠程主機的IP地址，重發(fā)時間值，上一段重發(fā)的編號，和連接的段的最大尺寸等信息。一個uip_conn結構數(shù)組用于保存所有的連接，數(shù)組的大小為支持的同時連接的最大數(shù)量。為了減少儲存器的使用量，在處理重發(fā)時uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應用程序在需要重發(fā)時重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　三 uIP協(xié)議棧的接口

　　uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性，在實現(xiàn)時將底層硬件驅動和頂層應用層之外的所有協(xié)議集"打包"在一個"庫"里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應用"通信".通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨立性，移植到不同系統(tǒng)和實現(xiàn)不同的應用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺無關性的特點。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應用程序之間的接口關系如圖（一）所示：

　　1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口

　　uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設備驅動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類。

　　1.1 uIP與設備驅動接口

　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實現(xiàn)與設備驅動的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為了減少存儲器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當設備驅動接收到一個IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應該調用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0,沒有包要發(fā)送；如果uip_len大于0則調用網(wǎng)絡設備驅動發(fā)送數(shù)據(jù)包。

　　1.2 uIP與系統(tǒng)計時接口

　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時事件，例如包重發(fā)、ARP表項更新。系統(tǒng)計時用于為所有uIP內部時鐘事件計時。當周期計時激發(fā)，每一個TCP連接應該調用uIP函數(shù)uip_periodic（）。TCP連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值。當uip_periodic（）函數(shù)返回后，應該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡上。

　　ARP協(xié)議對于構建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的，但對于構建與其他網(wǎng)絡接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結構化的目的，uIP將ARP協(xié)議作為一個可添加的模塊單獨實現(xiàn)。因此，ARP表項的定時更新要單獨處理。系統(tǒng)定時器對ARP表的更新進行定時，定時時間到則調用uip_arp_timer（）函數(shù)對過期表項進行清除。

　　2 uIP協(xié)議棧與應用程序的接口

　　應用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調用。用戶需將應用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應用程序的接口函數(shù)按功能描述如下：

　　2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測是否有新數(shù)據(jù)到達。全局變量uip_appdata指針指向實際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen（）函數(shù)獲得。

　　2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send（）函數(shù)采用兩個參數(shù)；一個指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個指明數(shù)據(jù)的長度。

　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。

　　2.4 關閉連接接口：應用程序通過調用uip_close（）函數(shù)關閉當前連接。

　　2.5 報告錯誤接口：uIP提供錯誤報告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯誤。應用程序可以使用兩個測試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯誤情況。

　　2.6 輪詢接口：當連接空閑時，uIP會周期性地輪詢應用程序，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應用程序使用測試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。

　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數(shù)，一個新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當在一個監(jiān)聽端口上接收到一個新的連接請求時，uIP產(chǎn)生一個新的連接和調用該端口對應的應用程序。

　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個新連接。這個函數(shù)打開一個新連接到指定的IP地址和端口，返回一個新連接的指針到uip_conn結構。如果沒有空余的連接槽，函數(shù)返回空值。

　　2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應用程序可以通過函數(shù)uip_stop（）停止遠程主機發(fā)送數(shù)據(jù)。當應用程序準備好接收更多數(shù)據(jù)，調用函數(shù)uip_restart（）通知遠程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當前連接是否停止。

　　四 uIP在51系列單片機上的應用

　　51系列單片機具有悠久的歷史和廣泛的應用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內核的8位單片機，被應用在各個領域內。因此使用uIP這種免費的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內核的單片機構建的低端嵌入式設備的網(wǎng)絡接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機上實現(xiàn)簡單的WEB SERVER,遠端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機系統(tǒng)上的WEB頁面。

　　硬件平臺結構如圖（二）所示：其中單片機選用PHILIPS公司的P89C51RD2,64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲WEB頁面。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過MAX232實現(xiàn)與PC機的串行連接，可以顯示調試信息。

　　uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡驅動和上層應用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加以下幾個模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅動、應用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實現(xiàn)、系統(tǒng)定時器。

　　RTL8019AS的驅動主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化，包括設定網(wǎng)卡物理地址，設定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等；eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；eth_rcve（）函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。底層網(wǎng)絡設備驅動程序與uIP協(xié)議棧通過兩個全局變量進行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址；uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值。

　　uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲器中存儲靜態(tài)頁面，同時具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應用程序的接口函數(shù)說明實現(xiàn)自己的應用層功能。用戶的應用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序為httpd（）函數(shù)，則要進行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd.

　　51系列單片機上都有2到3個定時計數(shù)器，可以選擇其中的一個來為TCP/IP協(xié)議中與時間有關的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準，還要為ARP表項的更新定時。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表項每10秒更新一次。

　　uIP的設置單獨包含在一個叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應根據(jù)自己的應用在uipopt.h文件里設置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項。

　　添加了必須的模塊，對uIP進行了正確地配置后，需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應用，主程序在完成初始化后將不停的進行查詢，如果有新數(shù)據(jù)包到達則送uip_input（）函數(shù)處理；如果沒有新數(shù)據(jù)包到達則處理定時事件?？蚣艽a如下所示：

通過實際的代碼說明uIP協(xié)議棧的主控制循環(huán)。

　　void main（void）

　　{

　　/*省略部分代碼*/

　　/*設置TCP超時處理時間和ARP老化時間*/

　　timer_set（&periodic_timer, CLOCK_CONF_SECOND / 2）；

　　timer_set（&arp_timer, CLOCK_CONF_SECOND * 10）；

　　/*定時器初始化*/

　　init_Timer（）；

　　/*協(xié)議棧初始化*/

　　uip_init（）；

　　uip_arp_init（）；

　　/*應用層初始化*/

　　example1_init（）；

　　/*驅動層初始化*/

　　etherdev_init（）；

　　/*IP地址、網(wǎng)關、掩碼設置*/

　　uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,9）；

　　uip_sethostaddr（ipaddr）；

　　uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,16）；

　　uip_setdraddr（ipaddr）；

　　uip_ipaddr（ipaddr, 255,255,255,0）；

　　uip_setnetmask（ipaddr）；

　　/*主循環(huán)*/

　　while（1）

　　{

　　/*從網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)*/

　　uip_len = etherdev_read（）；

　　/*假如存在數(shù)據(jù)則按協(xié)議處理*/

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　/*收到的是IP數(shù)據(jù)，調用uip_input（）處理*/

　　if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））

　　{

　　uip_arp_ipin（）；

　　uip_input（）；

　　/*處理完成后，假如uip_buf中有數(shù)據(jù)，則調用etherdev_send 發(fā)送出往*/

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　uip_arp_out（）；

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　/*收到的是ARP數(shù)據(jù)，調用uip_arp_arpin（）處理*/

　　else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP）） {

　　uip_arp_arpin（）；

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　}

　　/*查看0.5S是否到了，到了則調用uip_periodic處理TCP超時程序*/

　　else if（timer_expired（&periodic_timer））

　　{

　　timer_reset（&periodic_timer）；

　　for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++）

　　{

　　uip_periodic（i）；

　　if（uip_len > 0）

　　{

　　uip_arp_out（）；

　　etherdev_send（）；

　　}

　　}

　　/*查看10S是否到了，到了則調用ARP處理程序*/

　　if（timer_expired（&arp_timer））

　　{

　　timer_reset（&arp_timer）；

　　uip_arp_timer（）；

　　}

　　}

　　}

　　return;

　　}

　　以上實例在keil C51編譯器下設置大模式，優(yōu)化等級6（速度優(yōu)先）進行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達進行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺上運行良好。

　　五 總結

　　uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結構化的代碼，使其存儲器占用量很小并且可以很方便的應用到不同的工程項目中。同時它又是免費的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設備的網(wǎng)絡接入提供了很好的解決方案，具有很高的應用價值。