嵌入式TCP／IP协议栈在单片机上的实现

    随着嵌入式设备与网络的日益结合，在单片机系统中引入TCP／IP协议栈，以支持单片机接入网络，成为嵌入式领域的一个重要方向。在此对基于SST89E516RD单片机的TCP／IP协议栈的实现方法给予讨论。选用SST89E516RD单片机实现了在线仿真和编程的功能，大大节约了开发成本。采用VB 6．0语言与Window 98／2000／XP等为软件开发平台，对系统进行了测试。经过几个月的软硬件测试表明：系统设计合理、稳定可靠，已基本实现了最初的设计目标。对其他类似系统移植该项技术奠定了基础，有很好的参考价值。

1 系统硬件实现
    整个系统以SST89E516RD单片机为核心，通过RTL8019AS以太网控制芯片实现远程通信。串口完成网卡参数的修改、在线仿真，在系统中还使用X5045作为外部扩展的E2PROM，用来存储IP地址、物理地址以及网卡的其他配置信息，同时X5045还具有电压监控、看门狗定时器、上电复位三种功能，使用X5045监控系统的运行过程，当系统不稳定时可以进行有效地复位。图1为系统硬件结构图。

2 系统软件实现
    系统软件主要包括客户端和服务器端软件的设计，主要有以下几部分内容：
    (1)RTL8019AS的初始化和驱动程序的设计；
    (2)数据帧的发送和接收子程序；
    (3)TCP／IP协议栈程序的设计；
    (4)客户端和服务器端程序的设计；
    (5)X5045看门狗和E2PROM程序的设计。
    系统的主程序流程图如图2所示。

    由图2可知，系统首先完成对单片机定时器、串口、网卡芯片和以太网等部分的初始化，然后进入以太网处理部分的主程序，通过定时器中断进行网口数据的超时出错处理，并完成TCP定时器保活和ARP表生存时间的更新。
2．1 系统初始化
    所谓初始化和驱动程序是指实模式下一组硬件芯片的驱动子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供与硬件无关的接口。主要包括定时器初始化，初始化PING表、ARP表，初始化TCP，RTL8019AS的初始化等。RTL8019AS的初始化主要包括网卡的复位和网卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括网卡的复位和网卡寄存器的初始化。RTL8019AS内部寄存器有4页，与NE2000兼容的有3页，第4页不用。页选择由CR寄存器的PSl，PS0位确定。在零页寄存器中可以设置接收、发送状态配置以及发送缓存区的起始页与接收缓存区起止页地址等；在1页寄存器中可以设置以太网接口的MAC地址和组播地址。对网卡的初始化就是对相关寄存器初始化，这些寄存器包括CR，RCR，TC-R，PSTART，PSTOP，BNRY，TPSR，ISR，DCR，IMR，CURR，PAGO～PAG5，MAR0～MAR5等。初始化过程如下：[page]

    (1)CR=0x21，选择页零的寄存器同时使芯片处于停止模式，不会发送和接收数据包；
    (2)RCR=OxE0，设置接收结构寄存器，monitor方式，所有数据包都被拒绝；
    (3)TCR=OxE2，设置发送配置寄存器，工作在内部lookback模式；
    (4)PSTART=0x4C，接收缓冲区开始页面地址；
    (5)PSTOP=0x80，接收缓冲区中止页面地址；
    (6)BNRY=0x4C，接收缓冲区最后页面指针；
    (7)TPSR=0x40，发送页的起始页地址，初始化为指向第一个发送缓冲区的页即0x40；
    (8)ISR=0xFF，清除所有中断标志；
    (9)DCR=OxC8，设置数据配置寄存器，使用FIFO缓存，普通模式，8位数据DMA；
    (10)IMR=Ox00，设置中断屏蔽寄存器；屏蔽所有中断；
    (11)CR=Ox61，选择页一的寄存器；
    (12)CURR=Ox4D，网卡写内存的指针，指向当前正在写的页的下一页，初始化时指和0x4C+1=0x4D；
    (13)设置多址寄存器MAR0～MAR5，均设置为Ox00；
    (14)CR=0x22，使网卡芯片开始工作；
    (15)设置网卡地址寄存器PAR0～PAR5；
    (16)CR=Ox21，选择页零的寄存器；
    (17)RCR=OxCC，设置接收结构寄存器，设置为使用接收缓冲区，跟外部网络连接；
    (18)TCR=0xE0，设置发送配置寄存器，启用CRC自动生成和自动校验，工作在正常模式；
    (19)CR=0x22，使网卡芯片开始工作；
    (20)ISR=0xFF，清除所有中断标志；
2．2 TCP／IP协议栈的移植
    以太网帧的发送与接收属于协议层中的最底层。发送前的协议封装和接收时的协议分解都非常简单。封装时，只需在上层封装数据前面添加14 B的以太网首部就可以了；接收到数据帧之后，根据头信息中的帧类型字段判断是否属于IP包或ARP包，若是就继续相应的协议分解，否则将被丢弃，不予处理。帧的接收工作由网卡自动完成，只需对相关的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY进行适当的初始化即可。以太网帧的发送过程如下：
    (1)初始化命令寄存器CR，启动RTL8019AS；
    (2)设置数据配置寄存器DCR，以字节方式通信；
    (3)设置发送配置寄存器TCR，选择RTL8019AS数据发送的工作方式；
    (4)设置远程开始地址寄存器RSAR0(低位)，RSARl(高位)，指明远程DMA操作时所传送数据的起始地址；
    (5)设置远程字节计数寄存器RBCR0(低位)，RBCRl(高位)，指明远程DMA操作时所传送的数据的字节数；
    (6)设置命令寄存器CR，开始远程DMA写操作。RTL8019AS自动将数据I／O端口的数据写入其缓冲区中；
    (7)开始向数据I／O端口传送需要发送的数据；
    (8)数据传送完毕后，设置发送页起始地址寄存器TBCR，指明待发送数据的起始地址；
    (9)设置发送字节计数寄存器TBCR0(低位)，TBCRl(高位)，指明待发送数据的字节数；
    (10)设置命令寄存器CR，启动本地DMA操作。把缓冲区中的数据发送到网络上；
    (11)结束。
    需要指出的是，数据在发送前必须先由上到下进行层层封装才能正确地发送出去，同时，接收到的数据包还必须自下而上层层解包才能为用户所识别，即协议分解。在协议编程实现中，数据封装与协议分解互为逆过程。这就是说，必须在数据采集子系统中实现嵌入式TCP／IP协议才能完成数据的TCP／IP处理。
2．3 客户端和服务器端程序的设计
    分别设计客户端和服务器端程序。适应于不同的工作场合。在面向连接的TCP协议中，服务器和客户机开始通信之前必须首先建立连接。在连接之前，服务器程序必须正在运行并处于监听模式，等待客户端的连接。TCP的连接是通过3次握手协议来完成的。首先，客户端发送1个SYN标志位的TCP段给服务器，其带有所选择段的初始序号。服务器端收到该报文段后，以1个带有SYN标志的段作为应答，其中也给出根据本身情况选择的初始序号，并包含对客户端的确认。
    而客户端收到服务器端的应答后，再次送回1个报文段，其中带有对服务器端SYN的确认。这样双方的连接就建立了，以后就能开始传送数据。同样终止1条TCP连接实际上也需3次握手过程。

3 应用系统实现
    为了验证系统的可行性，应用VB开发了接口程序，构建了软硬件测试平台，用来设置网卡的配置参数并实现数据的发送与接收。所有配置参数包括(本地IP地址、服务器端IP地址、端口号、网卡物理地址、ping的IP地址、串口号等)都能通过串口动态地更改。系统能实现Ping的功能，以方便检查以太网的状态。
3．1 参数设置界面
    用串口线将测试板(数据采集和控制系统模块，下同)与计算机连接起来，选择好串口号，然后按“连接单片机”按钮，连接状态工具栏里出现“已经连接”，说明测试板与计算机已经连接上，然后就可以修改配置参数了。在参数设置栏中填写正确的参数值后，按“设定”按钮，接收状态栏中会提示参数设置成功，然后按测试板上的复位键，网卡的参数配置就被写到了X5045中。参数设置界面如图3所示。

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3．2 数据收发测试界面
    分别测试客户端和服务器端软件通信是否正常。
    (1)服务器端程序的测试
    打开客户端测试界面，如图4所示，设置连接IP地址为192．168．O．44(该地址必须与服务器端的IP地址一致)，设置连接端口号为3330(该端口号必须与服务器端端口号一致)。将作为服务器端的程序烧入到测试板的微处理器中，通过图3修改配置界面，将服务器端需要的参数写入X5045，参数配置包括；“单片机IP地址”(指的是测试板自身的IP地址)为192．168．O．44，“服务器端IP地址”可以不用设置(因为测试板本身就即服务器端)；如果是新网卡芯片，还需要设置MAC地址，这里设为121314151617(一般选择任意的12位数即可)；“服务器端口号”设为3330(必须与客户端一致)；网关设为192．168．O．1(要与上位机保持在同一个网段内)。设置好所有参数后，可以进行数据的收发了。
    (2)客户端程序的测试
    打开服务器端测试界面，如图5所示。

    设置连接IP地址为192．168．0．44(该地址指的是上位机自身的IP，必须与客户端设置的“服务器端IP地址”一致)，设置连接端口号为3330(该端口号须与客户端设置的“服务器端口号”一致)。将作为客户端的程序烧人到系统的微处理器中，参数配置：“服务器IP地址”(指的是上位机的IP地址)为192．168．0．44，“单片机IP地址”可以不用设置(因为系统仅作为客户端)，“服务器端口号”设为3330(必须与客户端一致)，网关设为192．168．0．1(要与上位机保持在同一个网段内)。设置好所有参数之后，即可进行数据收发。服务器端的数据可以被发送到串口，同样，数据也可以从串口发送到服务器端。测试表明：上位机通过以太网与系统之间的通信正常。

4 结语
    在此实现了TCP／IP协议栈在单片机上的移植，完成了系统的硬件电路和相关嵌入式软件的设计，应用VB开发了上位机修改参数界面，通过串口完成对网卡等参数的配置和修改，解决了数据包的超时重发、定时保活、参数配置、硬件看门狗复位等一系列问题。实验表明，整套程序比较稳定，收发数据正常，TCP超时重传效果很好。经过近1个月的测试，没有出现任何丢包和堵塞的现象。