基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡打印服務器的實現(xiàn)

摘  要：運用嵌入式Internet技術，設計了一個基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡打印服務器，給出了系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議的剪裁方案，分析了系統(tǒng)軟硬件的設計思路,最后通過測試程序驗證了其可行性。

關鍵詞：嵌入式 以太網(wǎng) TCP/IP協(xié)議 網(wǎng)絡打印

隨著信息技術的發(fā)展和網(wǎng)絡時代的到來，基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式Internet技術越來越受到人們的關注。目前，大多數(shù)嵌入式設備仍處于孤立應用階段[1]，為了實現(xiàn)多個MCU之間的信息共享和交流，通常利用CAN、RS232和RS485等總線組網(wǎng)。但是這些網(wǎng)絡的有效半徑較短，并且孤立于Internet網(wǎng)絡以外，如果能把嵌入式設備直接接入Internet，就可以用方便、低廉的方式實現(xiàn)信息的共享。因此，研究和應用嵌入式Internet技術具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡打印有兩種方法：一種是采用“網(wǎng)絡共享方式”，另一種是使用專用網(wǎng)絡打印機。專用網(wǎng)絡打印機成本很高，普通用戶難以承受。若采用“網(wǎng)絡共享方式”打印，網(wǎng)內(nèi)必須有一臺計算機來充當打印服務器，若這臺計算機出現(xiàn)故障或關機，網(wǎng)內(nèi)的其它計算機就無法打印，使用起來很不方便。嵌入式網(wǎng)絡打印服務器解決了這個問題，使普通打印機不再是依附于主機的一外設，而成為網(wǎng)絡中一個孤立的設備，使用起來更加靈活方便。本文在研究嵌入式Internet技術的基礎上，設計了基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡打印服務器，普通打印機通過此嵌入式打印服務器可直接接在Hub上，升級為一臺“網(wǎng)絡打印機”?？蛻舳丝稍诰钟蚓W(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)網(wǎng)絡打印，遠端客戶可通過網(wǎng)關實現(xiàn)遠程打印。其具體結構如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體結構

1.1 硬件電路

嵌入式打印服務器的硬件電路如圖2所示。該電路主要包括以下四部分：①微處理器；②以太網(wǎng)控制器；③打印機接口電路；④串口通訊電路。

嵌入式打印服務器需要處理復雜的TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)驅(qū)動程序，程序代碼較長，但系統(tǒng)要求快速地處理以太網(wǎng)幀，順利完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務。基于以上考慮，微處理器采用臺灣Winbond公司的W77E58，此芯片內(nèi)核與51系列兼容，內(nèi)含32K FLASH ROM，指令的執(zhí)行速度很快，是普通51系列單片機的3～4倍，時鐘頻率最高可設置為40MHz。此芯片內(nèi)含三個16位的定時/計數(shù)器，兩個全雙工串行口，一個軟件可編程的看門狗定時器。采用軟件看門狗技術，可用來提高本系統(tǒng)的抗干擾能力，防止程序跑飛。

網(wǎng)卡接口芯片采用性價比較高的全雙工的RTL8019AS。此芯片為10M ISA以太網(wǎng)控制器芯片，為100個引腳PQFP封裝，內(nèi)部集成有16MB SRAM，與NE2000兼容，16位數(shù)據(jù)總線，可配置為8位DMA方式進行數(shù)據(jù)傳輸，與8位單片機接口方便[2]。

圖2 嵌入式網(wǎng)絡打印服務器總體設計框圖

另外，系統(tǒng)還擴展一片62256 RAM和一片24C02 E2PROM。RAM的作用有兩個：一是用來緩存從網(wǎng)卡芯片接收下來的數(shù)據(jù)幀，二是用作打印數(shù)據(jù)的緩沖和串口通訊數(shù)據(jù)的緩沖，以提高數(shù)據(jù)的吞吐率。24C02為串行E2PROM，其容量為2KB，可通過I2C總線與單片機通信，其接口非常簡單，只需要通過SCL和SDA兩條線與單片機相連即可。其作用是用來存儲上位機通過RS232串口下載下來的一些重要參數(shù)，如主機的IP地址、子網(wǎng)俺碼、網(wǎng)關IP地址等。這里采用MAX232作為RS232的電平轉換芯片，完成TTL電平到RS232電平的轉換，實現(xiàn)上位PC機與單片機之間的通訊。

1.2 軟件設計

軟硬件開發(fā)工具分別選用Keil C51編譯器和偉福6000仿真器。程序主要包括以下四部分：①以太網(wǎng)驅(qū)動程序；②TCP/IP協(xié)議解析程序；③打印機接口程序；④串口通訊中斷服務程序。圖3為主程序流程圖。

1.2.1 以太網(wǎng)驅(qū)動程序

首先對RTL8019AS進行復位操作。復位操作有兩種方法：冷復位和熱復位。

（1） 冷復位

將W77E58的T0引腳接RTL8019AS的復位端RSTDRV進行復位操作，高電平有效。復位過程將執(zhí)行一些基本操作，至少需要1μs的時間，推薦等待更久的時間如100ms之后才對它操作，以確保芯片完全復位。
（2） 熱復位

直接將RST8019AS的復位端RSTDRV與單片機的RESET引腳相連，單片機復位的時候，RST8019AS也復位。RST8019AS中地址為18H～1FH的寄存器端口均為復位端口。對以上端口俺數(shù)地址讀或得寫入任何數(shù)，都會使網(wǎng)卡芯片復位。

復位以后對RST8019AS芯片中某些寄存器進行配置，確定其工作方式。配置好后，就可以開始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)了。

接收數(shù)據(jù)包時，采用查詢方式將查詢程序放在一個大循環(huán)中，反復查詢是否有新數(shù)據(jù)包到達，若有則接收下來。編程時應該特別注意的是：RST8019AS接收到的數(shù)據(jù)包的幀格式與以太網(wǎng)幀格式并不一致[3]，RST8019AS自動填加了接收狀態(tài)、下一頁指針、以太網(wǎng)幀長度三個字段（四個字節(jié)），其結構如表1所示。所以編程時需要按照此格式才能正確地接收數(shù)據(jù)。

表1 RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)包的幀格式

1.2.2 TCP/IP協(xié)議解析程序

TCP/IP協(xié)議族實際上是許多相關協(xié)議的組合，分為不同的層次，每一層分別具有不同的通信功能。TCP/IP協(xié)議通常被認為是一個四層的協(xié)議系統(tǒng)，包括鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層[4]。在設計中，根據(jù)網(wǎng)絡打印服務器的具體要求，對TCP協(xié)議進行了適當?shù)牟眉?，僅實現(xiàn)了圖4所示的四個協(xié)議：ARP、IP、ICMP、TCP。

（1） 鏈路層協(xié)議

以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)包的傳輸是采用網(wǎng)絡的MAC地址來進行識別的，這就要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)IP地址到MAC地址的轉換，即ARP（地址解析）協(xié)議。

（2） 網(wǎng)絡層協(xié)議

網(wǎng)絡層主要負責按網(wǎng)絡標準形式封裝數(shù)據(jù)包，然后進行IP路由選擇。網(wǎng)絡層協(xié)議包括IP（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP（控制報文協(xié)議）和IGMP（組管理協(xié)議）。IP協(xié)議使網(wǎng)絡之間的通信成為可能，如果嵌入式Internet需要跨越不同的網(wǎng)絡進行通信，就必須實現(xiàn)IP協(xié)議，所以IP協(xié)議需要完整實現(xiàn)。IP包最大為65K，可以分段傳輸，但在嵌入式系統(tǒng)中根本無法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此不支持分段傳輸。單片機一般采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式，以避免分段傳輸。

ICMP協(xié)議主要用于傳遞差錯報文以及其它需要注意的信息。ICMP中規(guī)定了多種協(xié)議類型和代碼，如果完全實現(xiàn)要浪費不少的系統(tǒng)資源，對于普通的嵌入式Internet應用而言，能夠測試網(wǎng)絡的連接情況即可，因此只需實現(xiàn)ICMP中類型號為0、代碼為0的Ping應答協(xié)議即可。

（3） 傳輸層協(xié)議

傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸層有兩種不同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，它能提供高可靠性服務。通過使用序列號和確認信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息。UDP協(xié)議沒有保證可靠性的機制，其數(shù)據(jù)傳輸率高，可以實現(xiàn)全速發(fā)送數(shù)據(jù)包，但是容易丟包、失序。這里因為是打印服務，對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高。所以必須采用TCP協(xié)議。

1.2.3 打印機接口程序

打印機接口有SPP、EPP和ECP三種標準[5]，其中EPP和ECP的數(shù)據(jù)傳輸速度較快。SPP為標準的并行接口標準，目前任何打印機都支持此接口標準，考慮到兼容性的問題，這里采用了SPP接口標準。此接口程序比較簡單，編程時可以采用查詢方式不斷檢測打印機的工作狀態(tài)（BUSY信號），若不忙則輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出數(shù)據(jù)選通脈沖（STROBE），通知打印機取數(shù)據(jù)打印。

1.2.4 串口通訊程序

串口通訊程序是主要用來完成程序的調(diào)試以及嵌入式打印服務器的IP地址、網(wǎng)關和子網(wǎng)俺碼等參數(shù)的修改。圖5為嵌入式系統(tǒng)參數(shù)設置界面。

2 測試結果

在此使用VB6.0編寫相應的測試程序。實驗證明，此測試程序可以動態(tài)地修改嵌入式打印服務器的IP地址等參數(shù)，能夠順利PING通，往返時間小于10ms，可以完成數(shù)據(jù)的打印任務。

為了程序調(diào)試方便，還編寫了串口通訊程序，測試結果和數(shù)據(jù)可通過串口顯示出來，也可以將輸出數(shù)據(jù)保存到硬盤中仔細分析研究。圖6為使用串口通訊程序截獲的打印輸出數(shù)據(jù)。

為了進一步研究，使用Etherdetect Packet Sinffer軟件截獲了打印過程中通過網(wǎng)絡傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中的52 54 4c 30 2e 2f為嵌入式打印服務器的MAC地址，192.137.8.178為其IP地址。

本文介紹了嵌入式網(wǎng)絡打印服務器的設計與實現(xiàn)，分析了其硬件結構和軟件設計方法。網(wǎng)絡打印服務器只是嵌入式以太網(wǎng)技術的一個具體應用，實際上嵌入式以太網(wǎng)技術還可以在遠程控制、數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等諸多領域大顯身手，其應用前景相當廣泛。當然，以太網(wǎng)技術也存在一些缺陷，例如其數(shù)據(jù)包的傳輸時延不定、受網(wǎng)絡性能的影響較大等，現(xiàn)階段還很應用到實時控制領域，這些問題需要在以后的研究中重要解決。