基于单片机的嵌入式系统网络设计方案

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引言
        在网络技术应用日益广泛的今天，网络传输是最经济有效的数据传输方式。如何利用廉价的51单片机来 控制网卡芯片进行数据传输，加载TCP/IP协议连接到互联网，实现网络通信成了众多设计者的目标。但由于指令及资源的限制，实施过程会有许多困难。我们 在设计方案中舍弃了耗费资源的高级协议，采用发送小数据包的方式以避免分段，来简化TCP协议和UDP协议，实现互联接入。
         
        硬件设计与实现
        系统的硬件结构框图如图1所示。本系统的微控制器是Winbond公司的78E58,网络接口芯片是与NE2000系列兼容的Realtek公司的 RTL8019AS.RTL8019AS内置了10BASE-T收发器，外接一个隔离LPF滤波器，经RJ-45接口输出。外部RAM是 62256,24C02是I2C总线的 EEPROM.
         
       
        ▲ 图1 嵌入式协议转换硬件框图
         
        系统的软件设计与实现
        为适应上网的需求，系统软件设计主要包括两部分内容：一是要执行对RTL8019AS等的控制功能，二是要执行与连接Internet相关的功能，实现TCP/IP协议。本文着重介绍第二部分，主程序采用C51语言编写。
         
        RTL8019AS初始化
        要将嵌入式系统接入以太网，首先要设置RTL8019AS的工作方式和工作状态，分配收发数据的缓冲区，通过对地址及数据口的读写来完成以太网帧的接收 与发送。然后设置RTL8019AS的工作参数，亦即设置内部控制寄存器。对RTL8019AS的工作参数进行设置完毕后，进入正常工作状态，接下来就读 写RTL8019AS的RAM以完成数据包的接收和发送。由于篇幅有限，这里就不再详述。
         
        TCP/IP模型
        TCP/IP协议是一套把Internet上的各种系统互连起来的协议族，保证Internet上数据的准确快速传输。TCP/IP通常采用一种简化的四层模型：应用层、传输层、网络层、链路层。
         
        本系统中，应用层传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据报作打包拆包处理。传输层采用传输控制协议TCP或用户数据协议UDP.网络层实现IP协 议，还要实现能报告数据传输差错等情况的ICMP协议。链路层部分由RTL8019AS完成，链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议 组成。
         
        在单片机里只实现与需要有关的部分，而不使用的协议则一概不支持。单片机应用的TCP/IP协议大多是为了完成数据采集和数据传输，而不需要网页浏览、文件传输这些功能。
         
        ARP协议（地址解析协议）
        以太网是TCP/IP协议主要采用的局域网技术，是系统接入Internet的基础。ARP本质是完成网络地址到以太网物理地址的动态映射。UNIX系统的ARP协议支持以太网、令牌环等网络，但我们的单片机系统里只支持以太网。
         
        IP协议（网际协议）
        IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。就对某些协议而言，IP包最大可以 为65K,可以分段传输，而在单片机里根本无法容纳如此大的数据包，因此一般是不支持分段的。我们的设计中采用发送小数据包的方式，以避免分段。
         
        TCP协议（传输控制协议）
         
        TCP数据封装在一个IP数据报中，并具有自己的TCP首部， TCP协议定义十分复杂，鉴于51单片机的片内资源十分有限，本系统对TCP协议进行了一定的简化处理。标准的TCP协议使用慢启动的滑动窗口机制，如果 只使用单个窗口，就变成了一种简单确认的处理方法。即只需对单个数据报发送和确认，节约了系统资源，也使维护更加方便。
         
        编程实现TCP协议的另一个难点在于TCP建立连接和终止连接的具体过程的实现。TCP协议是一个面向连接的协议，连接的双方无论是哪一方向另一方发送数据，都必须先通过“三次握手”过程在双方之间建立一条连接，和通过“四次握手”终止连接。
         
        连接建立后，TCP就可以发送数据块，称为数据段。当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。另外，TCP将保持它首部和数据的检验和。
        系统主应用程序的实现
        系统初始化后，进入主程序循环的两部分：一是对接收到的以太网数据帧进行解包，供应用程序使用，一是对发送的数据进行封装并发送，使采用TCP/IP协议的以太网内的所有计算机都能收到此数据帧。图2是系统的主应用程序的流程图。
         
       
        ▲ 图2 系统的主应用程序的流程图
         
        单片机实现TCP/IP协议的难点
        51单片机的程序空间、可用的内存RAM、运算速度、指令集等原因，在UNIX或Windows上实现的TCP/IP协议的源代码并不能够直接移植到8 位的单片机上。在51单片机上编写代码会受许多限制，特别是实现TCP/IP协议这样关系复杂的程序，我们必须根据实际情况尽可能挖掘51单片机的性能。 综合来说，单片机实现与UNIX实现TCP/IP有如下区别：
         
        　　（1）操作系统：Windows或UNIX都是多任务操作系统，这使得代码编写简单化，在单片机只能是单任务系统，代码结构为顺序执行+硬件中断的方式，无法并发执行。
        　 　（2）内存分配：Windows或UNIX的内存分配是动态的。而一般单片机只有外接的一块32K字节的RAM,并同时被各个协议使用。一个最大的以太 网数据包有1.5K字节，分配一包的缓冲区就要1.5K字节。为此，我们分配一个256×6=1536个字节的固定的RAM来存放收到的以太网数据包。收 到一包就处理一包。
        　　（3）指针：在PC里所有程序都必须先放在RAM里才能运行，所以它的指针都指向RAM.而单片机的结构和PC的结 构有很大差别，指针类型很多，各指针运算的速度也不一样，特别是“一般指针”运算很慢，还会占用很多程序空间。UNIX实现TCP/IP的源代码中，用得 最多的就是指针，而在单片机里一般要求少用指针，或使用特定类型的指针。对使用UNIX的源代码需要作很多的改动。
        　　（4）参数传递：在 UNIX实现的TCP/IP源代码中，一般有很多的参数传递，而在单片机里允许传递的参数是有限的（因为受到内部RAM的限制），同时参数传递的过程要浪 费程序代码空间，也降低单片机执行速度。所以在单片机的实现里，一般不要做太多的参数传递，而多使用公共的全局变量来实现调用的过程。
        　　 （5）硬件接口：在UNIX或Windows里，对网卡驱动无一例外都是采用中断方式，因为PC的处理速度快，一次中断的处理时间也很短，不会影响系统内 的其它中断。而在单片机的应用中，大部分的方案都是查询式的。PC的NE2000的网卡，一般都是用16位DMA的方式，而在单片机里却只能用8位DMA 方式。这也使UNIX对网卡驱动的代码不能直接移植。
         
        结语
        本文设计的嵌入式网络 接入方案，采用廉价的8位51单片机实现了简化TCP协议和UDP协议，并支持主动和被动连接、跨越网关，实现互联网接入，在被控设备与上位控制机之间提 供了一条透明的传输通道，用户不需对原有串口设备或其他数字设备做任何修改，就可享受到网络的好处。目前，本文的系统已被成功使用在网络化的数据采集器 中。