TCP/IP协议栈在单片机上的实现 - 基于MCS-51的嵌入式Internet接入技术

　　3 TCP/IP协议栈在单片机上的实现

　　3.1 嵌入式TCP/IP 协议栈

　　TCP/IP 协议是Internet 的核心协议。单片机实现嵌入式接入 Internet 必须要在单片机上实现TCP/IP 协议。由于TCP/IP 协议簇异常庞大，而单片机片内资源有限，所以要在单片机上完整实现TCP/IP协议是不可能的。目前许多公司根据不同的嵌入式设备开发了面向商用的嵌入式TCP/IP 协议栈，这些协议栈缺点是面向特定公司生产的芯片，且需支付昂贵的软件使用费。如果采用这类协议栈则使得设计的单片机嵌入式Internet 系统不具有性价比上的优势。经过对比，最后在本系统中选用开放源代码的TCP/IP协议栈uIP0.9 作为设计核心。uIP0.9 是一个适用于8/16 位单片机上的小型嵌入式TCP/IP 协议栈，感兴趣的用户可以免费在网络上下载其源代码并对其进行修改，以适应不同的应用需要。uIP0.9 协议栈采用模块化设计，保留网络通信所必要的协议机制，大大减少了协议代码量（代码量在几千字节左右），只需要几百字节的内存就可以顺利运行，降低了协议对系统资源的要求。uIP0.9 完全适应当前的单片机嵌入式系统。

　　3.2 uIP 的体系结构

　　uIP 协议根据嵌入式系统的需要，去掉了TCP/IP协议中许多不常用的功能，保留网络通信中所需要的ARP（可选）、IP、ICMP、TCP、UDP（可选）等最核心的部分。协议全部用C 语言编写，其代码占用量极少，对RAM 资源要求也极低。例如IP/ICMP/TCP 核心模块代码大小为3304 字节，使用的RAM 只需要360字节。其应用层接口和设备驱动层接口非常简单。

　　uIP 协议将设计重点放在IP、ICMP 和TCP 协议的实现上，而将UDP 和ARP 协议实现作为可选模块。uIP协议的体系结构如图3 所示。

　　图3 uIP 协议栈结构图。

　　3.3 uIP 的底层设备驱动接口和应用程序接口

　　uIP 是一个仅包含三层网络层核心协议的协议栈，uIP 自身不包含任何类型的底层网络驱动和上层应用程序，它只提供接口函数供用户开发使用。因此为了完成与网络设备的交互，用户必须根据网络设备的类型，在uIP 中自行实现对底层网络设备的驱动。对本例来说，网络设备是RTL8019AS 网卡，因此需要在uIP 中实现对RTL8019AS 网卡的驱动。如果用户需要在Internet 上通过http 协议浏览和获取现场数据，还必须在uIP 上实现基于HTTP 协议的WEB 应用服务。

　　RTL8019AS 网卡驱动首先是对网卡芯片的上电初始化，通过函数init_8019as（）进行，用于设定网卡物理地址，设定收发缓冲区位置和大小等。其次是发送数据函数eth_send（）和接收数据函数eth_rcve（）。

　　而uIP 协议栈则通过内核中的uip_input（）函数实现对底层网络设备的驱动，该函数是uIP 协议的底层设备入口。它包含两个全局变量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的数据包，后者表示接收发送缓冲区里的数据长度。uip_input（）函数处理从网络设备驱动发送来的IP 包。处理结束后返回变量uip_len，如果uip_len 是0，则没有数据要发送。不为0 则调用网络设备驱动程序eth_send（）函数来将uip_buf 里的uip_len 长度的数据发送到以太网上。eth_rcve（）函数将接收到的数据存储到缓存uip_buf 指定的缓冲区中，系统调用uip_input（）函数，并在需要时调用应用程序。

　　uip_periodic（）可以理解为是一个周期时钟函数，通常每一秒执行一次，单片机用它周期性地轮询各连接。因为uIP 协议要处理许多定时事件，例如包重发、ARP 表项更新。当周期计时激发，每一个TCP 连接调用uip_periodic（），其TCP 连接编号作为参数传递给uip_periodic（）函数。uip_periodic（）函数检查参数指定的连接的状态。当uip_periodic（）函数返回后，会检查uip_len 的值，若不为0 则将uip_buf 缓冲区中的数据包发送到网络上。

　　uIP 协议的应用程序接口用于实现web 之类的应用服务。uIP 定义了一个宏UIP_APPCALL（）作为该接口，供用户使用。当用户要编程实现某应用服务时，只需要将宏UIP_APPCALL（）定义成实际的应用程序函数名。uIP 在接收到底层传来的数据包后，若需要送上层应用程序处理，它就调用UIP_APPCALL（）。不同的连接则通过判断当前连接的端口号来确定。同时uIP 还提供一些应用程序接口函数供用户编程时使用。常用的uIP 应用程序接口函数有：关闭连接接口函数uip_close（）；轮询接口函数uip_poll（）；打开连接接口函数uip_connect（）等。通过调用不同的应用程序接口函数，用户可以实现相应的功能。