單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)路徑

李 海

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州,215009）

單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)路徑

李 海

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州,215009）

信息技術(shù)的快速發(fā)展，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用范圍的擴(kuò)大帶來(lái)了重要的保障作用。因此，本文通過(guò)對(duì)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)分析，對(duì)獲取的可靠的單片機(jī)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧及其實(shí)現(xiàn)路徑，為實(shí)際問(wèn)題的有效處理帶來(lái)了必要的參考信息。這種系統(tǒng)運(yùn)行中最大的特點(diǎn)是工作效率高、運(yùn)行成本低，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

單片機(jī)；嵌入式網(wǎng)絡(luò)；TCP/IP；協(xié)議棧；路徑

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的不斷完善，對(duì)嵌入式系統(tǒng)工作過(guò)程中的性能可靠性提出了更高的要求，需要技術(shù)人員采取有效的設(shè)計(jì)方法，制定出可靠的嵌入式系統(tǒng)接入方式，增強(qiáng)實(shí)際問(wèn)題的處理效果。實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)選擇TCP/IP協(xié)議加處理機(jī)的方式，完善嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的服務(wù)功能。結(jié)合現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際發(fā)展現(xiàn)狀可知，選擇可靠的接入方式有利于減少開發(fā)成本，優(yōu)化其中的電路設(shè)計(jì)。文中通過(guò)對(duì)單片機(jī)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的有效設(shè)計(jì)及路徑實(shí)現(xiàn)的深入分析，為嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠的保障，促使系統(tǒng)能夠處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

1 單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的硬件設(shè)計(jì)

1.1 選擇性能可靠的芯片

為了使單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，需要加強(qiáng)其中的硬件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)不同硬件結(jié)構(gòu)的組成合理性。硬件設(shè)計(jì)中主要是由可靠的控制芯片、處理機(jī)及RJ45組成的。這些不同結(jié)構(gòu)組成部分實(shí)際作用的充分發(fā)揮，有利于完善嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)功能。

作為硬件設(shè)計(jì)中的重要組成部分，處理機(jī)選擇過(guò)程中應(yīng)采用Atmegal16單片機(jī)。這種單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用中具體適用范圍廣、抗干擾性能優(yōu)越的特點(diǎn)，可以滿足單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧硬件設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。當(dāng)Atmegal16用作控制器件時(shí)，其主要的特點(diǎn)體現(xiàn)在這些方面：（1）具有同步讀寫的功能，適用于16k字節(jié)的系統(tǒng)；（2）有著豐富的I/O接口，包含了一定數(shù)量的寄存器；（3）為了滿足芯片調(diào)試及編程的需求，可以使用邊界掃描過(guò)程中的JTAG接口，間接地優(yōu)化了芯片的服務(wù)功能；（4）硬件設(shè)計(jì)中所需的看門狗定時(shí)器，可以用芯片內(nèi)的振蕩器取代。

1.2 不同硬件結(jié)構(gòu)的相互連接

在可靠的總線模式作業(yè)下，可以用地址復(fù)用與非復(fù)用的方式優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，由于硬件設(shè)計(jì)中主要涉及的是CP2200芯片，因此，硬件結(jié)構(gòu)連接中需要將這種芯片的MOTEN引腳按照合理的方式接地，為整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的正常工作提供可靠地保障。在Intel總線支持下CP2200芯片處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)采用地址/數(shù)據(jù)非復(fù)用的工作方式，主要在于這種工作方式能夠保證所有數(shù)據(jù)高效地傳輸，提高系統(tǒng)資源的利用效率。硬件結(jié)構(gòu)連接中某些引腳選用跳線的連接方式時(shí)，應(yīng)注重其中的MUXEN引腳的設(shè)計(jì)合理性，促使系統(tǒng)能夠在地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式的支持下對(duì)I/O接口進(jìn)行有效地利用。

Atmega16的PD1口與CP2200的片選信號(hào)引腳相連,實(shí)現(xiàn)片選功能;PD2口與CP2200中斷信號(hào)引腳相連,用于讀取硬件中斷信號(hào)。Atmega16的PA0-PA7口分別與CP2200的D0-D7口相連,作為數(shù)據(jù)線；Atmega16的PB0-PB7口分別與CP2200的A0-A7相連,作為地址線。Atmega16的PD4、PD3口分別與CP2200的/RD、/WR引腳相連,實(shí)現(xiàn)讀/寫選通控制。CP2200通過(guò)與RJ45相連實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入。

1.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器實(shí)質(zhì)上是單片機(jī)，主要的作用在于將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息按照合理的方式集中在一塊智能化芯片上，為各種復(fù)雜問(wèn)題的有效處理帶來(lái)了重要的保障作用。單片機(jī)在實(shí)際的應(yīng)用中有著很多的衍生產(chǎn)品，主要是為了滿足不同的應(yīng)用需求。不同的單片機(jī)使用中在存儲(chǔ)器及外設(shè)的配置方面有著很大的區(qū)別，一定程度上保證了產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用需求的匹配效果，促使整個(gè)單片機(jī)的使用成本可以控制在合理的范圍內(nèi)。結(jié)合單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)的具體要求，選擇可靠的微控制器，相比嵌入式微處理器有著很多的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：（1）實(shí)現(xiàn)了控制器的單片化；（2）減少了使用中的占地面積，其體積相對(duì)較小；（3）在降低開發(fā)成本的同時(shí)增強(qiáng)了單片機(jī)的可靠性?，F(xiàn)階段微控制器廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中，在優(yōu)化控制系統(tǒng)服務(wù)功能方面取得了重要的保障作用。根據(jù)單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧及各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的要求，選擇低能耗、高性能的AT89C52微控制器，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多樣化需求。

2 單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)的相關(guān)協(xié)議

2.1 地址解析協(xié)議ARP

在單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)方案確定的過(guò)程中，由于IP地址無(wú)法滿足通信的具體要求，而網(wǎng)絡(luò)層中的各種數(shù)據(jù)在傳送的過(guò)程中不僅需要通過(guò)主機(jī)，也需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行必要地轉(zhuǎn)變，最終傳送給計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因此，在數(shù)據(jù)鏈路層上傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中也需要合理運(yùn)用硬件地址。

結(jié)合單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，可知系統(tǒng)在工作的過(guò)程中是被動(dòng)連接的。但是，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主要采用的是主動(dòng)連接的方式。因此，需要在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口控制器處做出必要的聲明，確保不同信息的正常傳遞。聲明中由于涉及了ARP請(qǐng)求，因此，必須對(duì)ARP協(xié)議有著必要地了解。在該系統(tǒng)涉及的過(guò)程中，ARP協(xié)議的主要功能是：（1）當(dāng)系統(tǒng)處于初始化的工作模式時(shí)，結(jié)合自身的需求發(fā)送ARP請(qǐng)求；（2）通過(guò)對(duì)ARP請(qǐng)求內(nèi)容的分析進(jìn)行必要地處理，不符合實(shí)際要求的ARP請(qǐng)求包應(yīng)及時(shí)地舍棄；（3）對(duì)IP地址以外的地址進(jìn)行解析。

2.2 IP協(xié)議

結(jié)合TCP/IP參考模型的特點(diǎn)，可知IP協(xié)議主要存在于該模型的網(wǎng)絡(luò)層。在IP協(xié)議的支持下，數(shù)據(jù)包可以按照合理的方式在不同的主機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)地傳遞。這種協(xié)議使用中的主要功能為：（1）不需要連接，傳遞服務(wù)的可靠性一般；（2）能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分段與重組；（3）具有路由器的相關(guān)功能。

2.3 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP

通過(guò)對(duì)TCP/IP協(xié)議的深入分析，可知這種協(xié)議使用中包含了兩個(gè)傳輸層協(xié)議：TCP/IP協(xié)議與UDP協(xié)議，前者是傳輸控制協(xié)議，后者是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè)UDP 數(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。UDP不提供可靠性：它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。對(duì)于本系統(tǒng)而言，傳輸數(shù)據(jù)量不大的二進(jìn)制狀態(tài)信息，UDP協(xié)議已經(jīng)足夠，但UDP的實(shí)現(xiàn)要比TCP簡(jiǎn)單的多。相比之下，選擇 UDP 協(xié)議對(duì)于本次設(shè)計(jì)更為合理，與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的合理編程，也可以增加通信的可靠性。

3 單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)路徑

在單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，需要確定具體的TCP/IP協(xié)議棧方案。優(yōu)化這種協(xié)議棧方案，需要對(duì)單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的功能有著必要地了解。對(duì)于單片機(jī)，其代碼空間有限，工作過(guò)程中對(duì)于完整性協(xié)議的要求不高，只需要對(duì)單片機(jī)中的部分結(jié)構(gòu)設(shè)置相關(guān)的協(xié)議。常用的TCP/UDP、IP、ARP等協(xié)議在單片機(jī)工作過(guò)程中應(yīng)用較多。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的正常采集及傳輸，需要對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行更多地了解。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，主要是通過(guò)多媒體中央控制系統(tǒng)完成相關(guān)的操作。這種系統(tǒng)工作時(shí)的主要特征是：按照合理的方式將系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地連接，并通過(guò)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各種命令的作用，對(duì)投影機(jī)、電動(dòng)窗簾等進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制，促使這些設(shè)備能夠處于正常的工作狀態(tài)。與此同時(shí)，該系統(tǒng)運(yùn)行中涉及的ARP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP協(xié)議等，可以為TCP/IP協(xié)議棧完成相關(guān)的操作提供可靠地保障。在對(duì)系統(tǒng)中傳輸層協(xié)議選擇的過(guò)程中，由于TCP協(xié)議使用中可能會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，因此，在數(shù)據(jù)量相對(duì)較小的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)放棄面向連接的TCP。

單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中體系結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容包括：（1）在數(shù)據(jù)鏈路層上引入以太網(wǎng)協(xié)議；（2）在網(wǎng)絡(luò)層上引入ARP協(xié)議、IP協(xié)議及ARP協(xié)議；（3）將UDP協(xié)議置于傳輸層上；（4）應(yīng)用程序加載于應(yīng)用層。當(dāng)單片機(jī)的嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)設(shè)置完成后，為了對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程的合理性進(jìn)行綜合評(píng)估，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行必要地測(cè)試。測(cè)試的內(nèi)容主要包括：（1）結(jié)合遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的要求，選擇可靠的UDP協(xié)議；（2）為了保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量，不宜采用TCP協(xié)議；（3）系統(tǒng)運(yùn)行中通信質(zhì)量要求較高時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮應(yīng)用層上應(yīng)用程序的實(shí)際作用；（4）將以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)按照合理的方式進(jìn)行有效結(jié)合，并在可靠的控制芯片作用下利用LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)單片機(jī)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)路徑的深入分析，有利于減少系統(tǒng)的開發(fā)成本，優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)功能，一定程度上擴(kuò)大了系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用范圍。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)TCP/IP協(xié)議棧的全面認(rèn)識(shí)，靈活運(yùn)用不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，并結(jié)合單片機(jī)的功能特性，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，找出這種協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的相關(guān)路徑，促使嵌入式系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的多樣化需求。文中從不同的方面對(duì)單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，客觀說(shuō)明了做好這項(xiàng)研究工作對(duì)于嵌入式系統(tǒng)正常使用的重要性。

[1]王芳,周優(yōu)霞.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,(10).

[2]黃振宇.嵌入式TCP/IP在單片機(jī)與PC機(jī)通信中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(05).

李海（1979.02-），男，漢，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù)。

Design and implementation of embedded TCP/IP protocol stack based on MCU

Li Hai
（Suzhou Institute of Trade & Commerce,jiangsusuzhou,215009)

The rapid development of information technology has brought an important guarantee for the expansion of the practical application of embedded network.Therefore,this article through to the hardware platform design analysis,obtains the reliable monolithic chip microcomputer embedded TCP/IP protocol stack and its realization path,has brought the essential reference information for the effective processing of the actual problem.The biggest feature of this system is high efficiency and low operating cost,which has a certain market application prospects.

single chip microcomputer;embedded network;TCP/IP;protocol stack;path