隨著人們對信息化程度的要求不斷提高， 設備上網(wǎng)已經(jīng)成為一個趨勢。32位機資源豐富，上網(wǎng)方案也較為成熟，但成本相對較高，因而價位偏低的8位機上網(wǎng)方案成為研究的熱點。但是，8位機資源有限，因此在實現(xiàn)8位機以太網(wǎng)連接時，一定要考慮周全。本文介紹在VRS51L3074上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧uIP的移植，成功實現(xiàn)了socket通信。

硬件平臺

本方案的硬件平臺主要由VRS51L3074和CS8900A組成，經(jīng)網(wǎng)絡變壓器的隔離，CS8900A與網(wǎng)絡接口RJ-45連接上，這樣整個系統(tǒng)就可以連接到Ethernet。數(shù)據(jù)輸入可由串口傳遞給系統(tǒng)。

VRS51L3074簡介

VRS51L3074是Ramtron公司最新推出的單周期、基于8051內(nèi)核、功能豐富的SOC單片機，是全球第一款集成FRAM的高性能單片機。CPU最高處理速度可達40MIPS，內(nèi)置64kB Flash存儲器支持ISP、IAP功能、4kB+256B的SRAM以及8kB的FRAM，帶有完全可配置的I2C接口和SPI接口等片內(nèi)外設，支持JTAG下載和非侵入式在線調(diào)試。VRS51系列單片機和8051完全兼容，支持SDCC、Keil等C編譯器，編譯和下載時需要一些特殊的配置。Versa Ware JTAG軟件是VRS51系列單片機的下載工具，和Keil uVision配合使用時需要一些配置。

CS8900A簡介

CS8900A是CIRRUS LOGIC公司的一種低價位、高集成度、低功耗、全雙工的16bit以太網(wǎng)控制器，是一款專門為嵌入式系統(tǒng)設計優(yōu)化的以太網(wǎng)控制器。該芯片的突出特點就是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式、工作模式都能根據(jù)需要而進行動態(tài)配置，可通過內(nèi)部寄存器的配置來適應不同的應用環(huán)境。CS8900A有三種工作模式：I/O模式、存儲器模式和DMA模式。

CS8900A基本工作原理是：在收到由主機發(fā)來的數(shù)據(jù)報后，偵聽網(wǎng)絡線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀 。發(fā)送過程中，首先它添加以太網(wǎng)幀頭（包括先導字段和幀開始標志），然后生成CRC校驗碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過解碼、去掉幀頭和地址檢驗等步驟后緩存在片內(nèi)。通過CRC校驗后，它會根據(jù)初始化配置情況，通知主機CS8900A收到了數(shù)據(jù)幀，最后用某種傳輸模式傳到主機的存儲區(qū)中。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP

TCP/IP是一個協(xié)議族，它是一個四層協(xié)議模型，包括應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡接口層。應用層定義清晰的會話過程，HTTP、FTP、Telnet和SMTP等都屬于應用層協(xié)議；傳輸層提供端到端的通信，該協(xié)議有傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）；網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)打包和邏輯尋址，IP、ICMP和ARP等協(xié)議都屬于網(wǎng)絡層；網(wǎng)絡接口層負責在源和目的節(jié)點間線路上進行無差錯的傳輸數(shù)據(jù)，具有流量控制等功能。

TCP/IP協(xié)議較為復雜，實現(xiàn)起來非常困難，一般都采用現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)。本系統(tǒng)就是采用源碼開放的免費嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的。

uIP是專門為8位和16位嵌入式微控制器設計的微型TCP/IP協(xié)議棧 ， 它是由瑞典計算機學院的Adam Dunkels開發(fā)的免費開源軟件，最新版本為uIP1.0。uIP完全是由C語言編寫的，因此可移植到各種不同的CPU結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)上。uIP提供了網(wǎng)絡通信所必須的協(xié)議，本身代碼和占用的內(nèi)存數(shù)都非常少，uIP的源代碼只有幾kB，RAM僅占用幾百字節(jié)。uIP具有如下特點：

1）完整的說明文檔和公開的源代碼，全部由C編寫，并附有詳細的注釋，便于移植。

2）極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適合于8/16位單片機。

3）支持IP、ARP、TCP、ICMP和UDP等基本功能。

4）高度的可配置性以適應不同資源條件和應用場合。

5）支持多個主動連接和被動連接并發(fā)，支持連接的動態(tài)分配和釋放。

6）簡易的應用層接口和設備驅(qū)動層接口。

7）完善的示例程序和協(xié)議實現(xiàn)范例。

為了節(jié)省資源占用，簡化應用接口，uIP1.0在內(nèi)部實現(xiàn)上做了特殊處理。

1）注意各模塊的融合，減少處理函數(shù)的個數(shù)和調(diào)用次數(shù)，提高代碼復用率以減少ROM占用。

2）基于單一全局數(shù)組的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不支持內(nèi)存動態(tài)分配，由應用負責處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。

3 ）基于事件驅(qū)動的應用程序接口，各并發(fā)連接采用輪循處理，僅當網(wǎng)絡事件發(fā)生時，由uIP內(nèi)核喚起應用程序處理，這樣uIP用戶只須關(guān)注特定應用就可以了。傳統(tǒng)的TCP/IP實現(xiàn)一般要基于多任務處理環(huán)境，而大多數(shù)8位機系統(tǒng)不具備這個條件。

4）應用程序主動參與部分協(xié)議棧功能的實現(xiàn)（如TCP的重發(fā)機制，數(shù)據(jù)包分段和流量控制），由uIP內(nèi)核設置重發(fā)事件，應用程序重新生成數(shù)據(jù)提交發(fā)送，免去了大量內(nèi)部緩存的占用。基于事件驅(qū)動的應用接口使得這些實現(xiàn)較為簡單。

uIP實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議族的四個基本協(xié)議：ARP（地址解析協(xié)議），IP（網(wǎng)際協(xié)議），ICMP（因特網(wǎng)信息控制協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），UDP協(xié)議是可選模塊。

IP（Internet Protocol網(wǎng)際協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，提供不可靠的無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸?shù)摹IP的IP協(xié)議主要負責封裝TCP幀、驗證輸入包IP頭的正確性、接受IP數(shù)據(jù)報進行處理并向上層協(xié)議提交以及TCP與ICMP之間的復用數(shù)據(jù)包。為了節(jié)省占用空間，uIP1.0只支持一個數(shù)據(jù)報的分片和重組。

TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議是傳輸層的協(xié)議之一，它提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。TCP的主要工作是把應用程序交給的數(shù)據(jù)分成適當?shù)男K交給下面的網(wǎng)絡層，確認收到的分組，設置發(fā)送最后確認分組的超時時鐘等。TCP是uIP重點實現(xiàn)的協(xié)議。為了減少存儲器空間占用，uIP沒有實現(xiàn)TCP發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的窗口調(diào)整，且不會緩存收到的TCP段，而是立即交給應用程序處理。重發(fā)也是由應用程序?qū)崿F(xiàn)的。在輸出數(shù)據(jù)時，每一個連接只能有一個正在傳輸?shù)腡CP段。

ICMP（Internet控制報文協(xié)議）用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。uIP只實現(xiàn)了echo。

ARP（Address Resolution Protocol）為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射。ARP協(xié)議是把目標IP地址解析為以太網(wǎng)MAC地址，當一個IP包要在以太網(wǎng)上發(fā)送時，先查詢ARP表，找出要發(fā)送的MAC地址。如果在表里找不到對應的IP地址，就會廣播ARP請求包，以獲取給出IP地址所對應的MAC地址。目的主機收到請求包后發(fā)出一個ARP回應包，給出自己的MAC地址和IP地址。ARP表每十秒更新一次。ARP協(xié)議是uIP的可選模塊。

UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議是一個簡單的、面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議是uIP可選模塊。

uIP是一個專為8位和16位單片機設計的小型簡易的TCP/IP協(xié)議棧，簡單易用、占用資源少是其設計特點。為了占用較少的資源，uIP只保留了基本的通信功能而把全功能協(xié)議棧中那些不常用的功能去掉，其重點是在IP、TCP和ICMP的實現(xiàn)上，而把ARP和UDP作為可選模塊。

uIP處于網(wǎng)絡通信的中間，其上層協(xié)議是應用程序?qū)樱湎聦佑布蚬碳Q為網(wǎng)絡設備驅(qū)動層。uIP并不僅僅是為以太網(wǎng)設計的，它與媒體無關(guān)。

uIP的設備驅(qū)動程序接口

uIP中需要底層驅(qū)動支持的函數(shù)有：uip_input（ ）和uip_periodic（ ）。uip_input（ ）函數(shù)是用來處理網(wǎng)絡層和設備驅(qū)動層之間的傳送數(shù)據(jù)的，當設備驅(qū)動程序從網(wǎng)絡層收到一個數(shù)據(jù)包時會調(diào)用此函數(shù)，設備驅(qū)動程序會事先把數(shù)據(jù)包存放在uip_buf［ ］緩沖區(qū)里，而把數(shù)據(jù)長度放到uip_len，然后交給uip_input（ ）函數(shù)處理。當函數(shù)返回時，如果uip_len不為0，則表明帶有數(shù)據(jù)。如果需要ARP支持時，則要考慮更新ARP 表或者發(fā)送ARP請求和回應。

uip_periodic（ ）用于內(nèi)部時鐘事件計時，當周期定時激發(fā)時，每一個 TCP連接應該調(diào)用uip_periodic（ ）函數(shù)。這個函數(shù)用于uIP內(nèi)核對各連接的定時輪循，因此需要一個硬件支持的定時程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果需要則構(gòu)造IP包。

從本質(zhì)上來說，uip_input（ ）和uip_periodic（ ）在內(nèi)部是一個函數(shù)，即uip_process （ ）。UIP的設計者將uip_process（UIP_DATA）定義成uip_input（ ），而將uip_process（UIP_TIMER）定義成uip_periodic（ ），因此從代碼實現(xiàn)上來說是完全復用的。

uIP應用程序接口

uIP在接受到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，如需送上層應用程序處理，就會調(diào)UIP_APPCALL（ ），同時uIP設置UIP_CONN結(jié)構(gòu)體指針指向當前連接。UIP_CONN記錄一條TCP連接的所有相關(guān)信息。為了將用戶的應用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL（ ）定義成實際的應用程序函數(shù)名，這樣每當某個uIP事件發(fā)生時，內(nèi)核就會調(diào)用該應用程序進行處理。如果要加入應用程序狀態(tài)的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應用程序狀態(tài)結(jié)構(gòu)體的長度。

uIP在VRS51L3074上的應用和簡單Socket通信

本硬件平臺是網(wǎng)絡POS機的一部分，它的工作原理是：由掃描槍采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串口送入網(wǎng)卡內(nèi)，然后經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)送到遠端主機。

本系統(tǒng)的軟件部分包括網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序、TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)以及簡單的Socket通信程序。

CS8900主要包括三個部分：EtherDevInit（）函數(shù)完成CS8900A網(wǎng)絡芯片的初始化，包括初始化寄存器等，使之進入服務狀態(tài)；EtherDevSend（）實現(xiàn)把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡中；EtherDevRecv（）完成數(shù)據(jù)的接受。在CS8900的頭文件中設置了MAC地址以及其他的一些參數(shù)。

網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序通過兩個全局變量與uIP協(xié)議棧進行接口：uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)，uip_len為數(shù)據(jù)的長度。EtherDevSend（ ）函數(shù)把uip_buf里的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡中，EtherDevRecv（ ）函數(shù)把接受到的數(shù)據(jù)存儲到uip_buf緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值。

uIP協(xié)議棧承擔網(wǎng)絡通信功能，一方面與底層鏈路層通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，另一方面為上層應用程序提供了簡單的API接口。uIP基本實現(xiàn)了IP、TCP、ARP、UDP以及ICMP（ping）等協(xié)議，它包括uip.c、uip_arch.c、uip_arp.c、uip.h、uipopt.h、uip_arch.h、uip_arp.h等文件。uip.c完成主要TCP/IP功能，主要是IP和TCP協(xié)議，UDP是可選模塊；uip_arp.c完成地址解析；uip_arch.c完成校驗；uipopt.h是uIP配置文件，它以宏的形式定義便于修改，用戶可根據(jù)自己的需要設置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、收發(fā)緩沖區(qū)大小、支持的最大連接數(shù)以及ARP表大小等選項。

VRS51L3074有3個16-bit的定時器，可以選擇一個為TCP/IP協(xié)議中與事件有關(guān)的事件定時。uIP中需要定時的事件有：為uip_periodic（ ）函數(shù)的執(zhí)行提供基準和ARP表更新。uip_periodic（ ）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表每10秒更新一次。

添加了必需的模塊，進行了正確的配置后，需要編寫主程序和應用程序初始化包括定時器初始化、串口初始化、網(wǎng)卡芯片初始化、uIP協(xié)議棧初始化、用戶應用程序初始化等，主程序初始化完成后，進入不停查詢的狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)到來，則交給uip_input（ ）進行處理，如果沒有則由uip_periodic（ ）來處理定時事件。為了將應用程序掛接到uIP中，必須把UIP_APPCALL（ ）定義為實際的應用 程序函數(shù)名，這樣每當某個uIP事件發(fā)生時，內(nèi)核就會調(diào)用該應用程序進行處理。本應用程序定義 #define UIP_APPCALL socket_appcall。

結(jié)束語

本方案成功地把嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP移植到VRS51單片機上，實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信。該方案是網(wǎng)絡POS機的一部分，目前已經(jīng)正在運行，且狀態(tài)良好。本方案采用的單片機和網(wǎng)絡芯片不但性能良好而且價格低廉，uIP是一個性能優(yōu)良的免費小型TCP/IP協(xié)議棧，因此本系統(tǒng)運行速度快、穩(wěn)定可靠且價位較低。本方案可廣泛應用于遠程數(shù)據(jù)采集、傳輸，遠程監(jiān)控，遠程抄表以及 信息家電等領(lǐng)域。

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