隨著人們對(duì)信息化程度的要求不斷提高， 設(shè)備上網(wǎng)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)。32位機(jī)資源豐富，上網(wǎng)方案也較為成熟，但成本相對(duì)較高，因而價(jià)位偏低的8位機(jī)上網(wǎng)方案成為研究的熱點(diǎn)。但是，8位機(jī)資源有限，因此在實(shí)現(xiàn)8位機(jī)以太網(wǎng)連接時(shí)，一定要考慮周全。本文介紹在VRS51L3074上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧uIP的移植，成功實(shí)現(xiàn)了socket通信。

硬件平臺(tái)

本方案的硬件平臺(tái)主要由VRS51L3074和CS8900A組成，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器的隔離，CS8900A與網(wǎng)絡(luò)接口RJ-45連接上，這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以連接到Ethernet。數(shù)據(jù)輸入可由串口傳遞給系統(tǒng)。

VRS51L3074簡(jiǎn)介

VRS51L3074是Ramtron公司最新推出的單周期、基于8051內(nèi)核、功能豐富的SOC單片機(jī)，是全球第一款集成FRAM的高性能單片機(jī)。CPU最高處理速度可達(dá)40MIPS，內(nèi)置64kB Flash存儲(chǔ)器支持ISP、IAP功能、4kB+256B的SRAM以及8kB的FRAM，帶有完全可配置的I2C接口和SPI接口等片內(nèi)外設(shè)，支持JTAG下載和非侵入式在線調(diào)試。VRS51系列單片機(jī)和8051完全兼容，支持SDCC、Keil等C編譯器，編譯和下載時(shí)需要一些特殊的配置。Versa Ware JTAG軟件是VRS51系列單片機(jī)的下載工具，和Keil uVision配合使用時(shí)需要一些配置。

CS8900A簡(jiǎn)介

CS8900A是CIRRUS LOGIC公司的一種低價(jià)位、高集成度、低功耗、全雙工的16bit以太網(wǎng)控制器，是一款專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的以太網(wǎng)控制器。該芯片的突出特點(diǎn)就是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式、工作模式都能根據(jù)需要而進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，可通過(guò)內(nèi)部寄存器的配置來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。CS8900A有三種工作模式：I/O模式、存儲(chǔ)器模式和DMA模式。

CS8900A基本工作原理是：在收到由主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)后，偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀 。發(fā)送過(guò)程中，首先它添加以太網(wǎng)幀頭（包括先導(dǎo)字段和幀開(kāi)始標(biāo)志），然后生成CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時(shí)，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)幀在經(jīng)過(guò)解碼、去掉幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟后緩存在片內(nèi)。通過(guò)CRC校驗(yàn)后，它會(huì)根據(jù)初始化配置情況，通知主機(jī)CS8900A收到了數(shù)據(jù)幀，最后用某種傳輸模式傳到主機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)中。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP

TCP/IP是一個(gè)協(xié)議族，它是一個(gè)四層協(xié)議模型，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。應(yīng)用層定義清晰的會(huì)話過(guò)程，HTTP、FTP、Telnet和SMTP等都屬于應(yīng)用層協(xié)議；傳輸層提供端到端的通信，該協(xié)議有傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包和邏輯尋址，IP、ICMP和ARP等協(xié)議都屬于網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)在源和目的節(jié)點(diǎn)間線路上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)的傳輸數(shù)據(jù)，具有流量控制等功能。

TCP/IP協(xié)議較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，一般都采用現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)就是采用源碼開(kāi)放的免費(fèi)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的。

uIP是專門為8位和16位嵌入式微控制器設(shè)計(jì)的微型TCP/IP協(xié)議棧 ， 它是由瑞典計(jì)算機(jī)學(xué)院的Adam Dunkels開(kāi)發(fā)的免費(fèi)開(kāi)源軟件，最新版本為uIP1.0。uIP完全是由C語(yǔ)言編寫的，因此可移植到各種不同的CPU結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)上。uIP提供了網(wǎng)絡(luò)通信所必須的協(xié)議，本身代碼和占用的內(nèi)存數(shù)都非常少，uIP的源代碼只有幾kB，RAM僅占用幾百字節(jié)。uIP具有如下特點(diǎn)：

1）完整的說(shuō)明文檔和公開(kāi)的源代碼，全部由C編寫，并附有詳細(xì)的注釋，便于移植。

2）極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適合于8/16位單片機(jī)。

3）支持IP、ARP、TCP、ICMP和UDP等基本功能。

4）高度的可配置性以適應(yīng)不同資源條件和應(yīng)用場(chǎng)合。

5）支持多個(gè)主動(dòng)連接和被動(dòng)連接并發(fā)，支持連接的動(dòng)態(tài)分配和釋放。

6）簡(jiǎn)易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口。

7）完善的示例程序和協(xié)議實(shí)現(xiàn)范例。

為了節(jié)省資源占用，簡(jiǎn)化應(yīng)用接口，uIP1.0在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上做了特殊處理。

1）注意各模塊的融合，減少處理函數(shù)的個(gè)數(shù)和調(diào)用次數(shù)，提高代碼復(fù)用率以減少ROM占用。

2）基于單一全局?jǐn)?shù)組的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不支持內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，由應(yīng)用負(fù)責(zé)處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。

3 ）基于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口，各并發(fā)連接采用輪循處理，僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，由uIP內(nèi)核喚起應(yīng)用程序處理，這樣uIP用戶只須關(guān)注特定應(yīng)用就可以了。傳統(tǒng)的TCP/IP實(shí)現(xiàn)一般要基于多任務(wù)處理環(huán)境，而大多數(shù)8位機(jī)系統(tǒng)不具備這個(gè)條件。

4）應(yīng)用程序主動(dòng)參與部分協(xié)議棧功能的實(shí)現(xiàn)（如TCP的重發(fā)機(jī)制，數(shù)據(jù)包分段和流量控制），由uIP內(nèi)核設(shè)置重發(fā)事件，應(yīng)用程序重新生成數(shù)據(jù)提交發(fā)送，免去了大量?jī)?nèi)部緩存的占用。基于事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用接口使得這些實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。

uIP實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議族的四個(gè)基本協(xié)議：ARP（地址解析協(xié)議），IP（網(wǎng)際協(xié)議），ICMP（因特網(wǎng)信息控制協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議），UDP協(xié)議是可選模塊。

IP（Internet Protocol網(wǎng)際協(xié)議）是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，提供不可靠的無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸?shù)?。uIP的IP協(xié)議主要負(fù)責(zé)封裝TCP幀、驗(yàn)證輸入包IP頭的正確性、接受IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理并向上層協(xié)議提交以及TCP與ICMP之間的復(fù)用數(shù)據(jù)包。為了節(jié)省占用空間，uIP1.0只支持一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組。

TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議是傳輸層的協(xié)議之一，它提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。TCP的主要工作是把應(yīng)用程序交給的數(shù)據(jù)分成適當(dāng)?shù)男K交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等。TCP是uIP重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。為了減少存儲(chǔ)器空間占用，uIP沒(méi)有實(shí)現(xiàn)TCP發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的窗口調(diào)整，且不會(huì)緩存收到的TCP段，而是立即交給應(yīng)用程序處理。重發(fā)也是由應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的。在輸出數(shù)據(jù)時(shí)，每一個(gè)連接只能有一個(gè)正在傳輸?shù)腡CP段。

ICMP（Internet控制報(bào)文協(xié)議）用來(lái)傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其他需要注意的信息。uIP只實(shí)現(xiàn)了echo。

ARP（Address Resolution Protocol）為IP地址到對(duì)應(yīng)的硬件地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。ARP協(xié)議是把目標(biāo)IP地址解析為以太網(wǎng)MAC地址，當(dāng)一個(gè)IP包要在以太網(wǎng)上發(fā)送時(shí)，先查詢ARP表，找出要發(fā)送的MAC地址。如果在表里找不到對(duì)應(yīng)的IP地址，就會(huì)廣播ARP請(qǐng)求包，以獲取給出IP地址所對(duì)應(yīng)的MAC地址。目的主機(jī)收到請(qǐng)求包后發(fā)出一個(gè)ARP回應(yīng)包，給出自己的MAC地址和IP地址。ARP表每十秒更新一次。ARP協(xié)議是uIP的可選模塊。

UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議是一個(gè)簡(jiǎn)單的、面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議是uIP可選模塊。

uIP是一個(gè)專為8位和16位單片機(jī)設(shè)計(jì)的小型簡(jiǎn)易的TCP/IP協(xié)議棧，簡(jiǎn)單易用、占用資源少是其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。為了占用較少的資源，uIP只保留了基本的通信功能而把全功能協(xié)議棧中那些不常用的功能去掉，其重點(diǎn)是在IP、TCP和ICMP的實(shí)現(xiàn)上，而把ARP和UDP作為可選模塊。

uIP處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間，其上層協(xié)議是應(yīng)用程序?qū)?，其下層硬件或固件稱為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。uIP并不僅僅是為以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的，它與媒體無(wú)關(guān)。

uIP的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口

uIP中需要底層驅(qū)動(dòng)支持的函數(shù)有：uip_input（ ）和uip_periodic（ ）。uip_input（ ）函數(shù)是用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層之間的傳送數(shù)據(jù)的，當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò)層收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)調(diào)用此函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)事先把數(shù)據(jù)包存放在uip_buf［ ］緩沖區(qū)里，而把數(shù)據(jù)長(zhǎng)度放到uip_len，然后交給uip_input（ ）函數(shù)處理。當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，如果uip_len不為0，則表明帶有數(shù)據(jù)。如果需要ARP支持時(shí)，則要考慮更新ARP 表或者發(fā)送ARP請(qǐng)求和回應(yīng)。

uip_periodic（ ）用于內(nèi)部時(shí)鐘事件計(jì)時(shí)，當(dāng)周期定時(shí)激發(fā)時(shí)，每一個(gè) TCP連接應(yīng)該調(diào)用uip_periodic（ ）函數(shù)。這個(gè)函數(shù)用于uIP內(nèi)核對(duì)各連接的定時(shí)輪循，因此需要一個(gè)硬件支持的定時(shí)程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果需要?jiǎng)t構(gòu)造IP包。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，uip_input（ ）和uip_periodic（ ）在內(nèi)部是一個(gè)函數(shù)，即uip_process （ ）。UIP的設(shè)計(jì)者將uip_process（UIP_DATA）定義成uip_input（ ），而將uip_process（UIP_TIMER）定義成uip_periodic（ ），因此從代碼實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō)是完全復(fù)用的。

uIP應(yīng)用程序接口

uIP在接受到底層傳來(lái)的數(shù)據(jù)包后，如需送上層應(yīng)用程序處理，就會(huì)調(diào)UIP_APPCALL（ ），同時(shí)uIP設(shè)置UIP_CONN結(jié)構(gòu)體指針指向當(dāng)前連接。UIP_CONN記錄一條TCP連接的所有相關(guān)信息。為了將用戶的應(yīng)用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL（ ）定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名，這樣每當(dāng)某個(gè)uIP事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用該應(yīng)用程序進(jìn)行處理。如果要加入應(yīng)用程序狀態(tài)的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應(yīng)用程序狀態(tài)結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度。

uIP在VRS51L3074上的應(yīng)用和簡(jiǎn)單Socket通信

本硬件平臺(tái)是網(wǎng)絡(luò)POS機(jī)的一部分，它的工作原理是：由掃描槍采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串口送入網(wǎng)卡內(nèi)，然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端主機(jī)。

本系統(tǒng)的軟件部分包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)以及簡(jiǎn)單的Socket通信程序。

CS8900主要包括三個(gè)部分：EtherDevInit（）函數(shù)完成CS8900A網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化，包括初始化寄存器等，使之進(jìn)入服務(wù)狀態(tài)；EtherDevSend（）實(shí)現(xiàn)把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中；EtherDevRecv（）完成數(shù)據(jù)的接受。在CS8900的頭文件中設(shè)置了MAC地址以及其他的一些參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)兩個(gè)全局變量與uIP協(xié)議棧進(jìn)行接口：uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)，uip_len為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。EtherDevSend（ ）函數(shù)把uip_buf里的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，EtherDevRecv（ ）函數(shù)把接受到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到uip_buf緩沖區(qū)中，同時(shí)修改uip_len的值。

uIP協(xié)議棧承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信功能，一方面與底層鏈路層通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，另一方面為上層應(yīng)用程序提供了簡(jiǎn)單的API接口。uIP基本實(shí)現(xiàn)了IP、TCP、ARP、UDP以及ICMP（ping）等協(xié)議，它包括uip.c、uip_arch.c、uip_arp.c、uip.h、uipopt.h、uip_arch.h、uip_arp.h等文件。uip.c完成主要TCP/IP功能，主要是IP和TCP協(xié)議，UDP是可選模塊；uip_arp.c完成地址解析；uip_arch.c完成校驗(yàn)；uipopt.h是uIP配置文件，它以宏的形式定義便于修改，用戶可根據(jù)自己的需要設(shè)置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、收發(fā)緩沖區(qū)大小、支持的最大連接數(shù)以及ARP表大小等選項(xiàng)。

VRS51L3074有3個(gè)16-bit的定時(shí)器，可以選擇一個(gè)為TCP/IP協(xié)議中與事件有關(guān)的事件定時(shí)。uIP中需要定時(shí)的事件有：為uip_periodic（ ）函數(shù)的執(zhí)行提供基準(zhǔn)和ARP表更新。uip_periodic（ ）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表每10秒更新一次。

添加了必需的模塊，進(jìn)行了正確的配置后，需要編寫主程序和應(yīng)用程序初始化包括定時(shí)器初始化、串口初始化、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，主程序初始化完成后，進(jìn)入不停查詢的狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)到來(lái)，則交給uip_input（ ）進(jìn)行處理，如果沒(méi)有則由uip_periodic（ ）來(lái)處理定時(shí)事件。為了將應(yīng)用程序掛接到uIP中，必須把UIP_APPCALL（ ）定義為實(shí)際的應(yīng)用 程序函數(shù)名，這樣每當(dāng)某個(gè)uIP事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用該應(yīng)用程序進(jìn)行處理。本應(yīng)用程序定義 #define UIP_APPCALL socket_appcall。

結(jié)束語(yǔ)

本方案成功地把嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP移植到VRS51單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信。該方案是網(wǎng)絡(luò)POS機(jī)的一部分，目前已經(jīng)正在運(yùn)行，且狀態(tài)良好。本方案采用的單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)芯片不但性能良好而且價(jià)格低廉，uIP是一個(gè)性能優(yōu)良的免費(fèi)小型TCP/IP協(xié)議棧，因此本系統(tǒng)運(yùn)行速度快、穩(wěn)定可靠且價(jià)位較低。本方案可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程抄表以及 信息家電等領(lǐng)域。

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