怎樣在單片機上實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的移植？

隨著嵌入式設備與網絡的日益結合，在單片機系統(tǒng)中引入TCP／IP協(xié)議棧，以支持單片機接入網絡，成為嵌入式領域的一個重要方向。在此對基于SST89E516RD單片機的TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法給予討論。選用SST89E516RD單片機實現(xiàn)了在線仿真和編程的功能，大大節(jié)約了開發(fā)成本。采用VB 6．0語言與Window 98／2000／XP等為軟件開發(fā)平臺，對系統(tǒng)進行了測試。經過幾個月的軟硬件測試表明：系統(tǒng)設計合理、穩(wěn)定可靠，已基本實現(xiàn)了最初的設計目標。對其他類似系統(tǒng)移植該項技術奠定了基礎，有很好的參考價值。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

整個系統(tǒng)以SST89E516RD單片機為核心，通過RTL8019AS以太網控制芯片實現(xiàn)遠程通信。串口完成網卡參數(shù)的修改、在線仿真，在系統(tǒng)中還使用X5045作為外部擴展的E2PROM，用來存儲IP地址、物理地址以及網卡的其他配置信息，同時X5045還具有電壓監(jiān)控、看門狗定時器、上電復位三種功能，使用X5045監(jiān)控系統(tǒng)的運行過程，當系統(tǒng)不穩(wěn)定時可以進行有效地復位。圖1為系統(tǒng)硬件結構圖。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

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

（1）RTL8019AS的初始化和驅動程序的設計；

（2）數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收子程序；

（3）TCP／IP協(xié)議棧程序的設計；

（4）客戶端和服務器端程序的設計；

（5）X5045看門狗和E2PROM程序的設計。

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)首先完成對單片機定時器、串口、網卡芯片和以太網等部分的初始化，然后進入以太網處理部分的主程序，通過定時器中斷進行網口數(shù)據(jù)的超時出錯處理，并完成TCP定時器?；詈虯RP表生存時間的更新。

2．1 系統(tǒng)初始化

所謂初始化和驅動程序是指實模式下一組硬件芯片的驅動子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細節(jié)，同時向上層軟件提供與硬件無關的接口。主要包括定時器初始化，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卡的復位和網卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括網卡的復位和網卡寄存器的初始化。RTL8019AS內部寄存器有4頁，與NE2000兼容的有3頁，第4頁不用。頁選擇由CR寄存器的PSl，PS0位確定。在零頁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(qū)的起始頁與接收緩存區(qū)起止頁地址等；在1頁寄存器中可以設置以太網接口的MAC地址和組播地址。對網卡的初始化就是對相關寄存器初始化，這些寄存器包括CR，RCR，TC-R，PSTART，PSTOP，BNRY，TPSR，ISR，DCR，IMR，CURR，PAGO～PAG5，MAR0～MAR5等。初始化過程如下：

（1）CR=0x21，選擇頁零的寄存器同時使芯片處于停止模式，不會發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包；

（2）RCR=OxE0，設置接收結構寄存器，monitor方式，所有數(shù)據(jù)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(qū)開始頁面地址；

（5）PSTOP=0x80，接收緩沖區(qū)中止頁面地址；

（6）BNRY=0x4C，接收緩沖區(qū)最后頁面指針；

（7）TPSR=0x40，發(fā)送頁的起始頁地址，初始化為指向第一個發(fā)送緩沖區(qū)的頁即0x40；

（8）ISR=0xFF，清除所有中斷標志；

（9）DCR=OxC8，設置數(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，設置中斷屏蔽寄存器；屏蔽所有中斷；

（11）CR=Ox61，選擇頁一的寄存器；

（12）CURR=Ox4D，網卡寫內存的指針，指向當前正在寫的頁的下一頁，初始化時指和0x4C+1=0x4D；

（13）設置多址寄存器MAR0～MAR5，均設置為Ox00；

（14）CR=0x22，使網卡芯片開始工作；

（15）設置網卡地址寄存器PAR0～PAR5；

（16）CR=Ox21，選擇頁零的寄存器；

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

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

（19）CR=0x22，使網卡芯片開始工作；

（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)議封裝和接收時的協(xié)議分解都非常簡單。封裝時，只需在上層封裝數(shù)據(jù)前面添加14 B的以太網首部就可以了；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)相應的協(xié)議分解，否則將被丟棄，不予處理。幀的接收工作由網卡自動完成，只需對相關的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY進行適當?shù)某跏蓟纯伞Ｒ蕴W幀的發(fā)送過程如下：

（1）初始化命令寄存器CR，啟動RTL8019AS；

（2）設置數(shù)據(jù)配置寄存器DCR，以字節(jié)方式通信；

（3）設置發(fā)送配置寄存器TCR，選擇RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送的工作方式；

（4）設置遠程開始地址寄存器RSAR0（低位），RSARl（高位），指明遠程DMA操作時所傳送數(shù)據(jù)的起始地址；

（5）設置遠程字節(jié)計數(shù)寄存器RBCR0（低位），RBCRl（高位），指明遠程DMA操作時所傳送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；

（6）設置命令寄存器CR，開始遠程DMA寫操作。RTL8019AS自動將數(shù)據(jù)I／O端口的數(shù)據(jù)寫入其緩沖區(qū)中；

（7）開始向數(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，設置發(fā)送頁起始地址寄存器TBCR，指明待發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址；

（9）設置發(fā)送字節(jié)計數(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）設置命令寄存器CR，啟動本地DMA操作。把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網絡上；

（11）結束。

需要指出的是，數(shù)據(jù)在發(fā)送前必須先由上到下進行層層封裝才能正確地發(fā)送出去，同時，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別，即協(xié)議分解。在協(xié)議編程實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)封裝與協(xié)議分解互為逆過程。這就是說，必須在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中實現(xiàn)嵌入式TCP／IP協(xié)議才能完成數(shù)據(jù)的TCP／IP處理。

2．3 客戶端和服務器端程序的設計

分別設計客戶端和服務器端程序。適應于不同的工作場合。在面向連接的TCP協(xié)議中，服務器和客戶機開始通信之前必須首先建立連接。在連接之前，服務器程序必須正在運行并處于監(jiān)聽模式，等待客戶端的連接。TCP的連接是通過3次握手協(xié)議來完成的。首先，客戶端發(fā)送1個SYN標志位的TCP段給服務器，其帶有所選擇段的初始序號。服務器端收到該報文段后，以1個帶有SYN標志的段作為應答，其中也給出根據(jù)本身情況選擇的初始序號，并包含對客戶端的確認。

而客戶端收到服務器端的應答后，再次送回1個報文段，其中帶有對服務器端SYN的確認。這樣雙方的連接就建立了，以后就能開始傳送數(shù)據(jù)。同樣終止1條TCP連接實際上也需3次握手過程。

3 應用系統(tǒng)實現(xiàn)

為了驗證系統(tǒng)的可行性，應用VB開發(fā)了接口程序，構建了軟硬件測試平臺，用來設置網卡的配置參數(shù)并實現(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、服務器端IP地址、端口號、網卡物理地址、ping的IP地址、串口號等）都能通過串口動態(tài)地更改。系統(tǒng)能實現(xiàn)Ping的功能，以方便檢查以太網的狀態(tài)。

3．1 參數(shù)設置界面

用串口線將測試板（數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模塊，下同）與計算機連接起來，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(xiàn)“已經連接”，說明測試板與計算機已經連接上，然后就可以修改配置參數(shù)了。在參數(shù)設置欄中填寫正確的參數(shù)值后，按“設定”按鈕，接收狀態(tài)欄中會提示參數(shù)設置成功，然后按測試板上的復位鍵，網卡的參數(shù)配置就被寫到了X5045中。參數(shù)設置界面如圖3所示。

3．2 數(shù)據(jù)收發(fā)測試界面

分別測試客戶端和服務器端軟件通信是否正常。

（1）服務器端程序的測試

打開客戶端測試界面，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器端端口號一致）。將作為服務器端的程序燒入到測試板的微處理器中，通過圖3修改配置界面，將服務器端需要的參數(shù)寫入X5045，參數(shù)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，“服務器端IP地址”可以不用設置（因為測試板本身就即服務器端）；如果是新網卡芯片，還需要設置MAC地址，這里設為121314151617（一般選擇任意的12位數(shù)即可）；“服務器端口號”設為3330（必須與客戶端一致）；網關設為192．168．O．1（要與上位機保持在同一個網段內）。設置好所有參數(shù)后，可以進行數(shù)據(jù)的收發(fā)了。

（2）客戶端程序的測試

打開服務器端測試界面，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，必須與客戶端設置的“服務器端IP地址”一致），設置連接端口號為3330（該端口號須與客戶端設置的“服務器端口號”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(tǒng)僅作為客戶端），“服務器端口號”設為3330（必須與客戶端一致），網關設為192．168．0．1（要與上位機保持在同一個網段內）。設置好所有參數(shù)之后，即可進行數(shù)據(jù)收發(fā)。服務器端的數(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)送到服務器端。測試表明：上位機通過以太網與系統(tǒng)之間的通信正常。

4 結語

在此實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議棧在單片機上的移植，完成了系統(tǒng)的硬件電路和相關嵌入式軟件的設計，應用VB開發(fā)了上位機修改參數(shù)界面，通過串口完成對網卡等參數(shù)的配置和修改，解決了數(shù)據(jù)包的超時重發(fā)、定時保活、參數(shù)配置、硬件看門狗復位等一系列問題。實驗表明，整套程序比較穩(wěn)定，收發(fā)數(shù)據(jù)正常，TCP超時重傳效果很好。經過近1個月的測試，沒有出現(xiàn)任何丟包和堵塞的現(xiàn)象。