嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術在網(wǎng)絡通信中的應用研究

焦毅霞

（晉城職業(yè)技術學院，晉城 048026）

1 嵌入式TCP/IP協(xié)議、單片機技術的概念

1.1 TCP/IP協(xié)議簡介

所謂TCP/IP協(xié)議，即把Internet上各種系統(tǒng)互相聯(lián)系起來的一套網(wǎng)絡通信協(xié)議組，是Internet的基礎協(xié)議，也是電腦數(shù)據(jù)打包的標準辦法。其作用是保證Internet上每一時刻內數(shù)據(jù)的準確性，規(guī)范網(wǎng)絡上所有通信設備，尤其是一個主機和另一個主機的數(shù)據(jù)往來格式。

1.2 TCP/IP協(xié)議層次的劃分

TCP/IP的結構，從OsI的角度來看，層次并未明確劃分，但是大致可分為四個層次，即鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。

（1）鏈路層

鏈路層由控制同一網(wǎng)絡上的不同機器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡讓訁f(xié)議所構成。該層的作用在于管理Internet的鏈接并且提供網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)與報文的輸入、輸出。

（2）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的作用在于根據(jù)數(shù)據(jù)與報文的信息決定數(shù)據(jù)與報文的去向。網(wǎng)絡層使信息可以發(fā)送到TCP/IP網(wǎng)絡上的任一主機上，并且同時可以建立網(wǎng)絡之間的互連。

（3）傳輸層

該傳輸層的基本作用是管理源和目的之間的數(shù)據(jù)傳輸。但是與其他傳輸層不同，TCP/IP協(xié)議中的傳輸層不保證數(shù)據(jù)的準確傳輸。

（4）應用層

應用層包括以下一些服務。

①用戶相關認證。

②數(shù)據(jù)處理以及壓縮。該系統(tǒng)處理來自數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)。這里需要注意，應用層往往只對大數(shù)據(jù)做打包拆包的處理。

1.3 單片機

（1）單片機的概念

單片機，又被稱為微控制器，它是指一個集成于一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)，最初被應用于工業(yè)控制領域。單片機雖然大部分功能集于一塊芯片上，但是它具有一個完整計算機需要的大多部件，如CPU、內存、內外部總線系統(tǒng)。

（2）單片機的硬件接口

本文中要介紹的典型8位機，采用TCP/IP協(xié)議接入Internet的網(wǎng)絡接口，目前單片機首選的接口芯片，是性價比超高的RTL8019As，RTL8019As是臺灣Realtek半導體公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，其性能包括：支持EthernetII和IEEE802.3標準；支持8/16位數(shù)據(jù)總線；內置16K Word的sRAM；全雙工，收發(fā)同時達到10Mb/s；支持BNC、AUI、UTP介質。

RTL8019As工作于8位模式，通過網(wǎng)絡變壓器和接口，相連接入Internet，可以隔離網(wǎng)絡上的干擾信號[1]。

2 系統(tǒng)結構框圖

2.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)提供相應的接口連接網(wǎng)絡，并給用戶提供一個串口使用，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

系統(tǒng)將IP數(shù)據(jù)解包后提供給串口，外部RAM使用61C1024（128kB）時，得到了極大的緩存，使用X5045可以將IP地址、網(wǎng)卡物理地址和其他數(shù)據(jù)參數(shù)保存在里面，還可以將串口過來的數(shù)據(jù)封裝為數(shù)據(jù)包送到局域網(wǎng)中。網(wǎng)卡芯片RTL8019As是一種局域網(wǎng)處理芯片，并且提供8位和16位的兩種接口。但是由于本系統(tǒng)中使用的單片機是8位數(shù)接口，因此本文只介紹8位數(shù)的模式[2]。NE103是一種脈沖變壓器，用于對網(wǎng)絡信號進行脈沖波形變換。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)以單片機為核心，通過RTL8019As以太網(wǎng)控制芯片，來實現(xiàn)遠程通訊。系統(tǒng)中還使用了X5045作為外部擴展，用來存儲網(wǎng)卡和物理地址等一系列的配置信息。與此同時，X5045還具有看門狗、監(jiān)控電壓、上電復位等功能。因而使用X5045監(jiān)控系統(tǒng)的運行過程，當系統(tǒng)不穩(wěn)定的時候可以有效地進行復位。

2.2 系統(tǒng)軟件的主要構成

該TCP/IP網(wǎng)絡通信系統(tǒng)為了具有較好的實時性和穩(wěn)定性，采用μC/Os-II設計系統(tǒng)軟件。μC/Os-II是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務實時操作系統(tǒng)它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為減化。軟件設計工作主要分為操作系統(tǒng)μC/Os-II部分、TCP/IP協(xié)議各模塊在μC/Os-II上的實現(xiàn)以及RTL8019As驅動模塊的編寫。操作系統(tǒng)首先初始化網(wǎng)絡設備，然后根據(jù)需要建立任務，完成數(shù)據(jù)的解包打包，用戶建立自己的應用程序。TCP/IP的基本協(xié)議流程圖如圖2所示。

圖2 TCP/IP基本協(xié)議流程圖

TCP/IP在μC/Os-II上的設計結束后，剩下的工作就是編寫應用程序。將系統(tǒng)劃分成若干個任務，每個任務對應一個獨立的無限循環(huán)的主程序，完成一個特定的功能。為簡化設計，應用程序采用靜態(tài)優(yōu)先級，即應用程序在執(zhí)行的過程中各個任務優(yōu)先級保持不變。

3 工作原理

根據(jù)TCP/IP協(xié)議的層次特性，每個協(xié)議層都有自己的數(shù)據(jù)格式。用戶數(shù)據(jù)從本地嵌入式設備傳輸?shù)竭h程主機過程中，需要走過各個協(xié)議時不斷的打包和解包。單片機把數(shù)據(jù)包放到一確定的存儲區(qū)，協(xié)議棧各層間傳遞的都是數(shù)據(jù)指針，當數(shù)據(jù)最終發(fā)送出去或被用戶程序取走時，再進行真正的數(shù)據(jù)搬移。把嵌入式TCP/IP連入網(wǎng)時，首先將芯片復位，將內部寄存器初始化，等待一定時間后對RTL8019進行操作，RTL8019復位后初始化寄存器，進行數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。它通過DMA進行讀寫內部的RAM，將數(shù)據(jù)包放入外部RAM，單片機直接操作外部RAM。TCP處理數(shù)據(jù)包流程圖，如圖3所示。

圖3 TCP處理數(shù)據(jù)包流程圖

4 應用

嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機具有占用小、成本低、硬件少、使用方便、傳輸速度快等優(yōu)點，還可以很好的運用于Internet的傳輸系統(tǒng)中，適用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，特別是傳輸數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的領域中，有著十分廣泛的應用前景。

目前，TCP/IP協(xié)議單片機在屏幕板的數(shù)據(jù)成像、遠程數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中被廣泛應用。

5 優(yōu)勢與不足

5.1 優(yōu)勢

（1）TCP/IP可以傳輸通用數(shù)據(jù)，并且能夠輕而易舉地取代以前的由專有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

（2）開銷極小，成本低。

（3）客戶需求量大。

5.2 不足

（1）功能與實現(xiàn)方法區(qū)別不明確。在這一點上，它未能清楚地區(qū)分服務、接口和協(xié)議三者的區(qū)別。一個應用效果良好的軟件工程應該將功能與實現(xiàn)方法區(qū)別出來，但是TCP/IP卻未能做到這一點。

（2）沒有區(qū)分開主機和網(wǎng)絡層。一個應用效果良好的參考模型應該區(qū)分開來物理層與鏈路層，但TCP/IP也未能做到這一點。

（3）TCP/IP協(xié)議模型對新的技術的指導意義不夠。綜上兩點，TCP/IP的參考模型不適用于其他協(xié)議簇。

6 結語

縱觀國內市場，基于TCP/IP協(xié)議單片機技術在網(wǎng)絡通信中的應用正在逐步發(fā)展，廣泛的應用促進了該技術的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，以TCP/IP協(xié)議單片機技術的應用系統(tǒng)穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，最終促進我國網(wǎng)絡通信事業(yè)的發(fā)展，為推動我國網(wǎng)絡通信事業(yè)打下了堅實的基礎。