提高51单片机TCP通信效率的软件方法

1 嵌入式TCP／IP通信系统

    目前，工业控制领域典型的80C51嵌入式TCP／IP通信系统，主要有两种硬件方案，(1)采用80C51+网卡芯片，在单片机中实现TCP／IP协议并接入Internet；(2)采用固化TCP／IP协议的硬件芯片自动解析协议，实现Internet接入，后者程序已固化在硬件中，一般难以通过软件方法提高通信速率，因此，主要分析提高前一种方案的通信速率，其接口电路如图1所示。

    图1 RTL8019AS与51单片机的接口电路

    由于单片机中断资源有限，嵌人式系统与以太网通信主要采用的是软件查询方式，而不是中断响应方式，从以太网上传来的数据会先存至芯片上16 kB的数据缓存区，当单片机空闲时，通过对8019芯片标志寄存器的查询，来确认是否有数据到来，并进行接收。

    嵌入式TCP／IP协议的实现方法尚无统一标准，往往是设计人员根据具体工程的实际需要，结合TCP／IP规范进行裁减的，目前，虽然针对80C51单片机的开源嵌入式TCP／IP代码的实现方式有多种多样，但大致遵循TCP／IP层次(链路层、网络层、传输层、应用层)进行开发，TCP协议是TCP／IP协议簇的核心，是最复杂的协议，其独特的自动检错和重发机制，实现了数据的可靠通信，但是，嵌入式系统对TCP协议进行较大裁减，若设计不当，会严重影响通信速率。

2 影响通信速率的因素

    以80C51单片机数据采集系统(图2)为例进行分析，图2中：上位机为装有Windows操作系统的PC机，下位机为单片机，由于51单片机处理速度和内存资源的局限，目前大部分开源TCP通信的处理流程，如图3所示，图3中发送数据的部分表示发送一次TCP数据包。由于嵌入式IP协议没有分组功能，为了符合网络MTU的限制，在设计中最好在嵌入式TCP层进行分包处理，即在TCP层将所要发送的数据按网络MTU进行分包，然后交给IP层直接发送，如此循环往复，这种简单的TCP通信方式在低速小数据包中的应用是足够的，然而，一旦采集速度变高，数据量增大，就无法满足应用要求。

    图2 单片机数据采集系统

    造成上述通信速率低下的原因是：上位机不是收到数据就直接发送确认，而是继续等待下一个数据包，而出现这种延时确认的情况，是为了解决Internet上出现所谓的“糊涂窗口综合症”问题，RFC(Request for Comments)申明，TCP发送端必须实现Nagle算法，并推荐TCP接收端使用延时确认算法。

    Nagle算法要求TCP连接上最多只能有一个未被确认的分包，在该分包的确认到达之前不能发送其他的小分包；而接收端延时确认算法，允许接收端接收到一个数据包后不立即进行确认，而是经过一段延时(一般为200 ms)后再发送该数据包的确认包，因此，在嵌入式TCP／IP通信系统中会经常触发上位机延时确认算法，而下位机在没收到确认之前是不能发送数据的，这对高速交互的采样系统而言，将产生明显的时延，降低TCP通信效率。[page]

    一个以太网数据包最大字节数是1．5 kB，扣除各个包头信息所占的字节数，真正有效的数据在1 kB左右，如果发送端每次都等接收端发出确认后再发送下一个数据包，那么在1 S内，发送端的发送次数为5次，总的发送数据量为5 kB。

    图3 嵌入式TCP通信流程

3 提高TCP通信速率的方法

    采用以下两种方案，可以消除或减小延时确认的时间，达到提高嵌入式TCP／IP通信速率的目的。

    (1)修改上位机Nagle算法的延时确认时间，这种方案虽然可以直接关闭TCP的Nagle算法，不再受到未确认TCP包数量的限制，但对于数据包较小的情况会产生大量的分组，浪费大量的系统和网络资源，产生“糊涂窗口综合症”。

    在实际应用中，修改上位机的Nagle算法延时时间比关闭算法更可行，即通过修改Windows操作系统在注册表表项TCPDelAckTicks的值(HKLM＼SYSTEM＼CurrentControlSet＼Services＼Tcpip＼Parameters＼Interface＼)来调整，通过修改延时确认的时间，可以减小发送端的确认等待时间，快速地发送数据。但是，要在快速发送和误码率之间求得一个合适的时间值，一般要根据系统的情况实际调整测试后才能决定。