怎樣在單片機上實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的移植

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(wǎng)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(wǎng)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VB6．0語言與Window98／2000／XP等為軟件開發(fā)平臺，對系統(tǒng)進行了測試。經(jīng)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(wǎng)控制芯片實現(xiàn)遠程通信。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作為外部擴展的E2PROM，用來存儲IP地址、物理地址以及網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)卡芯片和以太網(wǎng)等部分的初始化，然后進入以太網(wǎng)處理部分的主程序，通過定時器中斷進行網(wǎng)口數(shù)據(jù)的超時出錯處理，并完成TCP定時器保活和ARP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(wǎng)卡的復位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括網(wǎng)卡的復位和網(wǎng)卡寄存器的初始化。RTL8019AS內(nèi)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(wǎng)接口的MAC地址和組播地址。對網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)卡寫內(nèi)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(wǎng)卡芯片開始工作；（15）設置網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)卡芯片開始工作；（20）ISR=0xFF，清除所有中斷標志；2．2TCP／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14B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?。以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)連接”，說明測試板與計算機已經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)關設為192．168．O．1（要與上位機保持在同一個網(wǎng)段內(nèi)）。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(wǎng)關設為192．168．0．1（要與上位機保持在同一個網(wǎng)段內(nèi)）。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