MCS-51單片機(jī)嵌入式Internet技術(shù)的工作原理簡述

　　8051 單片機(jī)P0 口的8 位數(shù)據(jù)總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2 個(gè)定時(shí)器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線對應(yīng)連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機(jī)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTL8019AS,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波器HR901170A 后實(shí)現(xiàn)Internet 接入。

　　3.1 嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

　　TCP/IP 協(xié)議是Internet 的核心協(xié)議。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式接入 Internet 必須要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議。由于TCP/IP 協(xié)議簇異常龐大，而單片機(jī)片內(nèi)資源有限，所以要在單片機(jī)上完整實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是不可能的。目前許多公司根據(jù)不同的嵌入式設(shè)備開發(fā)了面向商用的嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，這些協(xié)議棧缺點(diǎn)是面向特定公司生產(chǎn)的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費(fèi)。如果采用這類協(xié)議棧則使得設(shè)計(jì)的單片機(jī)嵌入式Internet 系統(tǒng)不具有性價(jià)比上的優(yōu)勢。經(jīng)過對比，最后在本系統(tǒng)中選用開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9 作為設(shè)計(jì)核心。uIP0.9 是一個(gè)適用于8/16 位單片機(jī)上的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，感興趣的用戶可以免費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)上下載其源代碼并對其進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。uIP0.9 協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，保留網(wǎng)絡(luò)通信所必要的協(xié)議機(jī)制，大大減少了協(xié)議代碼量(代碼量在幾千字節(jié)左右)，只需要幾百字節(jié)的內(nèi)存就可以順利運(yùn)行，降低了協(xié)議對系統(tǒng)資源的要求。uIP0.9 完全適應(yīng)當(dāng)前的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)。

　　3.2 uIP 的體系結(jié)構(gòu)

　　uIP 協(xié)議根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要，去掉了TCP/IP協(xié)議中許多不常用的功能，保留網(wǎng)絡(luò)通信中所需要的ARP(可選)、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等最核心的部分。協(xié)議全部用C 語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節(jié)，使用的RAM 只需要360字節(jié)。其應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口非常簡單。

　　uIP 協(xié)議將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP 和TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，而將UDP 和ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。uIP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　圖3 uIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。

　　3.3 uIP 的底層設(shè)備驅(qū)動接口和應(yīng)用程序接口

　　uIP 是一個(gè)僅包含三層網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP 自身不包含任何類型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型，在uIP 中自行實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。對本例來說，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是RTL8019AS 網(wǎng)卡，因此需要在uIP 中實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS 網(wǎng)卡的驅(qū)動。如果用戶需要在Internet 上通過http 協(xié)議瀏覽和獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還必須在uIP 上實(shí)現(xiàn)基于HTTP 協(xié)議的WEB 應(yīng)用服務(wù)。

　　RTL8019AS 網(wǎng)卡驅(qū)動首先是對網(wǎng)卡芯片的上電初始化，通過函數(shù)init_8019as()進(jìn)行，用于設(shè)定網(wǎng)卡物理地址，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等。其次是發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)eth_send()和接收數(shù)據(jù)函數(shù)eth_rcve()。

　　而uIP 協(xié)議棧則通過內(nèi)核中的uip_input()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動，該函數(shù)是uIP 協(xié)議的底層設(shè)備入口。它包含兩個(gè)全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數(shù)據(jù)包，后者表示接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度。uip_input()函數(shù)處理從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動發(fā)送來的IP 包。處理結(jié)束后返回變量uip_len,如果uip_len 是0,則沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送。不為0 則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序eth_send()函數(shù)來將uip_buf 里的uip_len 長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區(qū)中，系統(tǒng)調(diào)用uip_input()函數(shù)，并在需要時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序。

　　uip_periodic()可以理解為是一個(gè)周期時(shí)鐘函數(shù)，通常每一秒執(zhí)行一次，單片機(jī)用它周期性地輪詢各連接。因?yàn)閡IP 協(xié)議要處理許多定時(shí)事件，例如包重發(fā)、ARP 表項(xiàng)更新。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP 連接調(diào)用uip_periodic()，其TCP 連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic()函數(shù)。uip_periodic()函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)。當(dāng)uip_periodic()函數(shù)返回后，會檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

　　uIP 協(xié)議的應(yīng)用程序接口用于實(shí)現(xiàn)web 之類的應(yīng)用服務(wù)。uIP 定義了一個(gè)宏UIP_APPCALL()作為該接口，供用戶使用。當(dāng)用戶要編程實(shí)現(xiàn)某應(yīng)用服務(wù)時(shí)，只需要將宏UIP_APPCALL()定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名。uIP 在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL()。不同的連接則通過判斷當(dāng)前連接的端口號來確定。同時(shí)uIP 還提供一些應(yīng)用程序接口函數(shù)供用戶編程時(shí)使用。常用的uIP 應(yīng)用程序接口函數(shù)有：關(guān)閉連接接口函數(shù)uip_close();輪詢接口函數(shù)uip_poll();打開連接接口函數(shù)uip_connect()等。通過調(diào)用不同的應(yīng)用程序接口函數(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　　完成了底層設(shè)備驅(qū)動模塊和應(yīng)用服務(wù)程序模塊的添加以及對uIP 進(jìn)行了正確配置之后，軟件編寫的主體部分是單片機(jī)主程序函數(shù)。主程序視用戶需要達(dá)到何種功能而定。對于本例通過以太網(wǎng)卡接入到Internet實(shí)現(xiàn)WEB 應(yīng)用服務(wù)來說，單片機(jī)主程序首先啟動初始化工作，包括定時(shí)器初始化、網(wǎng)卡芯片初始化、UIP 協(xié)議棧初始化、用戶應(yīng)用程序初始化等等[5].在完成初始化之后，主程序?qū)⒉煌５倪M(jìn)行查詢，如果網(wǎng)卡上有新的IP 數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input()函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則由uip_priodic()函數(shù)處理定時(shí)事件。由于uIP 協(xié)議棧采用C 語言編寫，所以為了方便單片機(jī)主程序與uIP 協(xié)議交互，單片機(jī)主程序也采用C 語言作為開發(fā)語言。下面是單片機(jī)主程序的部分設(shè)計(jì)代碼。