嵌入式TCP／IP協(xié)議棧在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)
1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)以SST89E516RD單片機(jī)為核心，通過(guò)RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。串口完成網(wǎng)卡參數(shù)的修改、在線仿真，在系統(tǒng)中還使用X5045作為外部擴(kuò)展的E2PROM，用來(lái)存儲(chǔ)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(jiān)控、看門狗定時(shí)器、上電復(fù)位三種功能，使用X5045監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)可以進(jìn)行有效地復(fù)位。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。
2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)軟件主要包括客戶端和服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)，主要有以下幾部分內(nèi)容：
(1)RTL8019AS的初始化和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)；
(2)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收子程序；
(3)TCP／IP協(xié)議棧程序的設(shè)計(jì)；
(4)客戶端和服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)；
(5)X5045看門狗和E2PROM程序的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。
由圖2可知，系統(tǒng)首先完成對(duì)單片機(jī)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(shù)據(jù)的超時(shí)出錯(cuò)處理，并完成TCP定時(shí)器保活和ARP表生存時(shí)間的更新。
2．1 系統(tǒng)初始化
所謂初始化和驅(qū)動(dòng)程序是指實(shí)模式下一組硬件芯片的驅(qū)動(dòng)子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細(xì)節(jié)，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(fù)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(fù)位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS內(nèi)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(shè)置接收、發(fā)送狀態(tài)配置以及發(fā)送緩存區(qū)的起始頁(yè)與接收緩存區(qū)起止頁(yè)地址等；在1頁(yè)寄存器中可以設(shè)置以太網(wǎng)接口的MAC地址和組播地址。對(duì)網(wǎng)卡的初始化就是對(duì)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：[!--empirenews.page--]
(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(shù)據(jù)包；
(2)RCR=OxE0，設(shè)置接收結(jié)構(gòu)寄存器，monitor方式，所有數(shù)據(jù)包都被拒絕；
(3)TCR=OxE2，設(shè)置發(fā)送配置寄存器，工作在內(nèi)部lookback模式；
(4)PSTART=0x4C，接收緩沖區(qū)開(kāi)始頁(yè)面地址；
(5)PSTOP=0x80，接收緩沖區(qū)中止頁(yè)面地址；
(6)BNRY=0x4C，接收緩沖區(qū)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(qū)的頁(yè)即0x40；
(8)ISR=0xFF，清除所有中斷標(biāo)志；
(9)DCR=OxC8，設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器，使用FIFO緩存，普通模式，8位數(shù)據(jù)DMA；
(10)IMR=Ox00，設(shè)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(nèi)存的指針，指向當(dāng)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(shè)置多址寄存器MAR0～MAR5，均設(shè)置為Ox00；
(14)CR=0x22，使網(wǎng)卡芯片開(kāi)始工作；
(15)設(shè)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(shè)置接收結(jié)構(gòu)寄存器，設(shè)置為使用接收緩沖區(qū)，跟外部網(wǎng)絡(luò)連接；
(18)TCR=0xE0，設(shè)置發(fā)送配置寄存器，啟用CRC自動(dòng)生成和自動(dòng)校驗(yàn)，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(biāo)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(shù)據(jù)前面添加14 B的以太網(wǎng)首部就可以了；接收到數(shù)據(jù)幀之后，根據(jù)頭信息中的幀類型字段判斷是否屬于IP包或ARP包，若是就繼續(xù)相應(yīng)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(duì)相關(guān)的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟纯?。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(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器DCR，以字節(jié)方式通信；
(3)設(shè)置發(fā)送配置寄存器TCR，選擇RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送的工作方式；
(4)設(shè)置遠(yuǎn)程開(kāi)始地址寄存器RSAR0(低位)，RSARl(高位)，指明遠(yuǎn)程DMA操作時(shí)所傳送數(shù)據(jù)的起始地址；
(5)設(shè)置遠(yuǎn)程字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器RBCR0(低位)，RBCRl(高位)，指明遠(yuǎn)程DMA操作時(shí)所傳送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；
(6)設(shè)置命令寄存器CR，開(kāi)始遠(yuǎn)程DMA寫(xiě)操作。RTL8019AS自動(dòng)將數(shù)據(jù)I／O端口的數(shù)據(jù)寫(xiě)入其緩沖區(qū)中；
(7)開(kāi)始向數(shù)據(jù)I／O端口傳送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)；
(8)數(shù)據(jù)傳送完畢后，設(shè)置發(fā)送頁(yè)起始地址寄存器TBCR，指明待發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址；
(9)設(shè)置發(fā)送字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器TBCR0(低位)，TBCRl(高位)，指明待發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；
(10)設(shè)置命令寄存器CR，啟動(dòng)本地DMA操作。把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；
(11)結(jié)束。
需要指出的是，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包還必須自下而上層層解包才能為用戶所識(shí)別，即協(xié)議分解。在協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)中，數(shù)據(jù)封裝與協(xié)議分解互為逆過(guò)程。這就是說(shuō)，必須在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP／IP協(xié)議才能完成數(shù)據(jù)的TCP／IP處理。
2．3 客戶端和服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)
分別設(shè)計(jì)客戶端和服務(wù)器端程序。適應(yīng)于不同的工作場(chǎng)合。在面向連接的TCP協(xié)議中，服務(wù)器和客戶機(jī)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(yùn)行并處于監(jiān)聽(tīng)模式，等待客戶端的連接。TCP的連接是通過(guò)3次握手協(xié)議來(lái)完成的。首先，客戶端發(fā)送1個(gè)SYN標(biāo)志位的TCP段給服務(wù)器，其帶有所選擇段的初始序號(hào)。服務(wù)器端收到該報(bào)文段后，以1個(gè)帶有SYN標(biāo)志的段作為應(yīng)答，其中也給出根據(jù)本身情況選擇的初始序號(hào)，并包含對(duì)客戶端的確認(rèn)。
而客戶端收到服務(wù)器端的應(yīng)答后，再次送回1個(gè)報(bào)文段，其中帶有對(duì)服務(wù)器端SYN的確認(rèn)。這樣雙方的連接就建立了，以后就能開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。同樣終止1條TCP連接實(shí)際上也需3次握手過(guò)程。
3 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，應(yīng)用VB開(kāi)發(fā)了接口程序，構(gòu)建了軟硬件測(cè)試平臺(tái)，用來(lái)設(shè)置網(wǎng)卡的配置參數(shù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。所有配置參數(shù)包括(本地IP地址、服務(wù)器端IP地址、端口號(hào)、網(wǎng)卡物理地址、ping的IP地址、串口號(hào)等)都能通過(guò)串口動(dòng)態(tài)地更改。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)Ping的功能，以方便檢查以太網(wǎng)的狀態(tài)。
3．1 參數(shù)設(shè)置界面
用串口線將測(cè)試板(數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模塊，下同)與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，選擇好串口號(hào)，然后按“連接單片機(jī)”按鈕，連接狀態(tài)工具欄里出現(xiàn)“已經(jīng)連接”，說(shuō)明測(cè)試板與計(jì)算機(jī)已經(jīng)連接上，然后就可以修改配置參數(shù)了。在參數(shù)設(shè)置欄中填寫(xiě)正確的參數(shù)值后，按“設(shè)定”按鈕，接收狀態(tài)欄中會(huì)提示參數(shù)設(shè)置成功，然后按測(cè)試板上的復(fù)位鍵，網(wǎng)卡的參數(shù)配置就被寫(xiě)到了X5045中。參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。[!--empirenews.page--]
3．2 數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試界面
分別測(cè)試客戶端和服務(wù)器端軟件通信是否正常。
(1)服務(wù)器端程序的測(cè)試
打開(kāi)客戶端測(cè)試界面，如圖4所示，設(shè)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(shè)置連接端口號(hào)為3330(該端口號(hào)必須與服務(wù)器端端口號(hào)一致)。將作為服務(wù)器端的程序燒入到測(cè)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(shù)寫(xiě)入X5045，參數(shù)配置包括；“單片機(jī)IP地址”(指的是測(cè)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(shè)置(因?yàn)闇y(cè)試板本身就即服務(wù)器端)；如果是新網(wǎng)卡芯片，還需要設(shè)置MAC地址，這里設(shè)為121314151617(一般選擇任意的12位數(shù)即可)；“服務(wù)器端口號(hào)”設(shè)為3330(必須與客戶端一致)；網(wǎng)關(guān)設(shè)為192．168．O．1(要與上位機(jī)保持在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi))。設(shè)置好所有參數(shù)后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。
(2)客戶端程序的測(cè)試
打開(kāi)服務(wù)器端測(cè)試界面，如圖5所示。
設(shè)置連接IP地址為192．168．0．44(該地址指的是上位機(jī)自身的IP，必須與客戶端設(shè)置的“服務(wù)器端IP地址”一致)，設(shè)置連接端口號(hào)為3330(該端口號(hào)須與客戶端設(shè)置的“服務(wù)器端口號(hào)”一致)。將作為客戶端的程序燒人到系統(tǒng)的微處理器中，參數(shù)配置：“服務(wù)器IP地址”(指的是上位機(jī)的IP地址)為192．168．0．44，“單片機(jī)IP地址”可以不用設(shè)置(因?yàn)橄到y(tǒng)僅作為客戶端)，“服務(wù)器端口號(hào)”設(shè)為3330(必須與客戶端一致)，網(wǎng)關(guān)設(shè)為192．168．0．1(要與上位機(jī)保持在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi))。設(shè)置好所有參數(shù)之后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。服務(wù)器端的數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到串口，同樣，數(shù)據(jù)也可以從串口發(fā)送到服務(wù)器端。測(cè)試表明：上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與系統(tǒng)之間的通信正常。
4 結(jié)語(yǔ)
在此實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議棧在單片機(jī)上的移植，完成了系統(tǒng)的硬件電路和相關(guān)嵌入式軟件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用VB開(kāi)發(fā)了上位機(jī)修改參數(shù)界面，通過(guò)串口完成對(duì)網(wǎng)卡等參數(shù)的配置和修改，解決了數(shù)據(jù)包的超時(shí)重發(fā)、定時(shí)?；?、參數(shù)配置、硬件看門狗復(fù)位等一系列問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，整套程序比較穩(wěn)定，收發(fā)數(shù)據(jù)正常，TCP超時(shí)重傳效果很好。經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)任何丟包和堵塞的現(xiàn)象。
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