《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設計應用 > uIP TCP/IP協(xié)議棧在51系列單片機上的應用
uIP TCP/IP協(xié)議棧在51系列單片機上的應用
中國自動化網(wǎng)
摘要: 摘要:uIP協(xié)議棧是一種免費的可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧,可以使用于由8位或16位微處理器構建的嵌入式系統(tǒng)。本文分析了uIP協(xié)議棧的結構和應用接口,并討論了如何將其應用到51系列單片機上。關鍵詞:TCP/IP單片機嵌入式系統(tǒng)一引言近幾年來,人們對連接各種裝置到一個現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡例如因特網(wǎng)上產(chǎn)生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網(wǎng)通訊,一個可實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議棧是必須的。
Abstract:
Key words :

一 引言
  近幾年來,人們對連接各種裝置到一個現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡例如因特網(wǎng)上產(chǎn)生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網(wǎng)通訊,一個可實現(xiàn)的TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧是必須的。對于由32位嵌入式處理器構建的中、高端網(wǎng)絡接入嵌入式系統(tǒng)中,通常會運行一個集成有TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。但是對于由8位和16位低端處理器構建的系統(tǒng),由于其所具有的處理能力和資源十分有限,通常不運行操作系統(tǒng),這就要求系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)應用的要求以及所選用的處理器的實際情況構建自己的TCP/IP協(xié)議棧。而TCP/IP協(xié)議的透明性掩蓋了其實現(xiàn)的復雜性,從無到有構建一個協(xié)議棧是一件艱巨的任務,并且缺少有效的調試工具。uIP TCP/IP協(xié)議棧是使用于低端8位或16位微處理器構建的嵌入式系統(tǒng)的一個可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以自由分發(fā)和使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP使用C語言編寫,使其方便于移植。并且uIP協(xié)議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小,這就使得它可以方便的應用到各種低端系統(tǒng)上。本文將簡要描述uIP的實現(xiàn)方法,分析uIP協(xié)議棧的應用接口,并討論如何將其應用到51系列單片機" title="系列單片機">系列單片機上。
二 uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法簡述
  uIP實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議:ARP地址解析協(xié)議,IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議, ICMP網(wǎng)絡控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應用,uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實現(xiàn)時采用有針對性的方法,保持代碼大小和存儲器使用量最小。
  1 實現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時為了節(jié)省存儲器,ARP應答包直接覆蓋ARP請求包。
  2 實現(xiàn)IP網(wǎng)絡協(xié)議時對原協(xié)議進行了極大的簡化,它沒有實現(xiàn)分片和重組。
  3 實現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡控制報文協(xié)議時,只實現(xiàn)echo(回響)服務。uIP在生成回響報文時并不重新分配存儲器空間,而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型,重新計算校驗和修改校驗和字段。
  4 uIP里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口。每個TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結構保存,uip_conn結構包括當?shù)睾瓦h端的TCP端口編號,遠程主機的IP地址,重發(fā)時間值,上一段重發(fā)的編號,和連接的段的最大尺寸等信息。一個uip_conn結構數(shù)組用于保存所有的連接,數(shù)組的大小為支持的同時連接的最大數(shù)量。為了減少儲存器的使用量,在處理重發(fā)時uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包,而是由應用程序" title="應用程序">應用程序在需要重發(fā)時重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。
三 uIP協(xié)議棧的接口
  uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性,在實現(xiàn)時將底層硬件驅動和頂層應用層之外的所有協(xié)議集“打包“在一個“庫“里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應用“通信“。通過這種方式,uIP具有極高的通用性和獨立性,移植到不同系統(tǒng)和實現(xiàn)不同的應用都很方便,很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺無關性的特點。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應用程序之間的接口關系如圖(一)所示:


  1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口
  uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設備驅動" title="設備驅動">設備驅動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類。
  1.1 uIP與設備驅動接口
  uIP通過函數(shù)uip_input()和全局變量uip_buf、uip_len來實現(xiàn)與設備驅動的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包,為了減少存儲器的使用,接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度,通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù),是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當設備驅動接收到一個IP包并放到輸入包緩存里(uip_buf)后,應該調用uip_input()函數(shù)。uip_input()函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口,由它處理收到的IP包。當uip_input()返回,若有數(shù)據(jù)要發(fā)送,則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0,沒有包要發(fā)送;如果uip_len大于0則調用網(wǎng)絡設備驅動發(fā)送數(shù)據(jù)包。
  1.2 uIP與系統(tǒng)計時接口
  TCP/IP協(xié)議要處理許多定時事件" title="定時事件">定時事件,例如包重發(fā)、ARP表項更新。系統(tǒng)計時用于為所有uIP內部時鐘事件計時。當周期計時激發(fā),每一個TCP連接應該調用uIP函數(shù)uip_periodic()。TCP連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic()函數(shù)。uip_periodic()函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài),如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)(uip_buf)中并修改uip_len的值。當uip_periodic()函數(shù)返回后,應該檢查uip_len的值,若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡上。
  ARP協(xié)議對于構建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的,但對于構建與其他網(wǎng)絡接口(例如:串行鏈路)上的TCP/IP則不是必需的。為了結構化的目的,uIP將ARP協(xié)議作為一個可添加的模塊單獨實現(xiàn)。因此,ARP表項的定時更新要單獨處理。系統(tǒng)定時器對ARP表的更新進行定時,定時時間到則調用uip_arp_timer()函數(shù)對過期表項進行清除。
  2 uIP協(xié)議棧與應用程序的接口
  應用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn),uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調用。用戶需將應用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧,定義為宏UIP_APPCALL()。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后,若需要送上層應用程序處理,它就調用UIP_APPCALL()。uIP提供給應用程序的接口函數(shù)按功能描述如下:
  2.1 接收數(shù)據(jù)接口:應用程序利用uip_newdata()函數(shù)檢測是否有新數(shù)據(jù)到達。全局變量uip_appdata指針指向實際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen()函數(shù)獲得。
  2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口:應用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send()發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send()函數(shù)采用兩個參數(shù);一個指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址,另一個指明數(shù)據(jù)的長度。
  2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口:應用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit()來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù),如果需要重發(fā)則調用uip_send()函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。
  2.4 關閉連接接口:應用程序通過調用uip_close()函數(shù)關閉當前連接。
  2.5 報告錯誤接口:uIP提供錯誤報告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯誤。應用程序可以使用兩個測試函數(shù)uip_aborted()和uip _timedout() 去測試那些錯誤情況。
  2.6 輪詢接口:當連接空閑時,uIP會周期性地輪詢應用程序,判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應用程序使用測試函數(shù)uip_poll()去檢查它是否被輪詢過。
  2.7 監(jiān)聽端口接口:uIP維持一個監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen()函數(shù),一個新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當在一個監(jiān)聽端口上接收到一個新的連接請求時,uIP產(chǎn)生一個新的連接和調用該端口對應的應用程序。
  2.8 打開連接接口:在uIP里面通過使用uip_connect()函數(shù)打開一個新連接。這個函數(shù)打開一個新連接到指定的IP地址和端口,返回一個新連接的指針到uip_conn結構。如果沒有空余的連接槽,函數(shù)返回空值。
  2.9 數(shù)據(jù)流控制接口:uIP提供函數(shù)uip_stop()和uip_restart()用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應用程序可以通過函數(shù)uip_stop()停止遠程主機發(fā)送數(shù)據(jù)。當應用程序準備好接收更多數(shù)據(jù),調用函數(shù)uip_restart()通知遠程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped()可以用于檢查當前連接是否停止。
四 uIP在51系列單片機上的應用
  51系列單片機具有悠久的歷史和廣泛的應用,許多公司推出了具有更高的處理速度的51內核的8位單片機,被應用在各個領域內。因此使用uIP這種免費的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內核的單片機構建的低端嵌入式設備的網(wǎng)絡接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機上實現(xiàn)簡單的WEB SERVER,遠端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機系統(tǒng)上的WEB頁面。


  硬件平臺結構如圖(二)所示:其中單片機選用PHILIPS公司的P89C51RD2,64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲WEB頁面。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過MAX232實現(xiàn)與PC機的串行連接,可以顯示調試信息。
  uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的,本身不提供底層網(wǎng)絡驅動和上層應用程序。因此為了完成指定的功能,開發(fā)者必須添加以下幾個模塊:底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅動、應用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實現(xiàn)、系統(tǒng)定時器。
  RTL8019AS的驅動主要包括三部分:init_8019as()函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化,包括設定網(wǎng)卡物理地址,設定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等;eth_send()函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送;eth_rcve()函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。底層網(wǎng)絡設備驅動程序與uIP協(xié)議棧通過兩個全局變量進行接口:變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址;uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長度。eth_send()函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲到uip_buf指定的緩沖區(qū)中,同時修改uip_len的值。
  uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例,該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲器中存儲靜態(tài)頁面,同時具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應用程序的接口函數(shù)說明實現(xiàn)自己的應用層功能。用戶的應用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務程序。例如:在示例程序中WEB SERVER的處理程序為httpd()函數(shù),則要進行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd。
  51系列單片機上都有2到3個定時計數(shù)器,可以選擇其中的一個來為TCP/IP協(xié)議中與時間有關的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括:為uip_periodic()函數(shù)的執(zhí)行提供基準,還要為ARP表項的更新定時。uip_periodic()函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次,ARP表項每10秒更新一次。
  uIP的設置單獨包含在一個叫uipopt.h的頭文件里,都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應根據(jù)自己的應用在uipopt.h文件里設置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項。
  添加了必須的模塊,對uIP進行了正確地配置后,需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應用,主程序在完成初始化后將不停的進行查詢,如果有新數(shù)據(jù)包到達則送uip_input()函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達則處理定時事件??蚣艽a如下所示:
  void main(void) //主程序開始
  { …… //省略部分代碼
  timer0_init(); //定時器初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
  serial_init(); //串口初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
  init_8019(); //網(wǎng)卡芯片初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
  uip_init(); //uIP協(xié)議棧初始化函數(shù)由uIP協(xié)議棧提供
  httpd_init(); //HTTP應用程序初始化函數(shù)由WEB SERVER示例程序提供
  uip_arp_init();//ARP協(xié)議初始化函數(shù)由ARP模塊提供
  while(1)
 ?。?uip_len = eth_rcve(); //查詢網(wǎng)卡是否有數(shù)據(jù)到來
  if(uip_len == 0) //如果沒有數(shù)據(jù)到來則處理定時事件
 ?。?if(0.5秒定時時間到)
 ?。?for(i = 0; i < UIP_CONNS; i++) // UIP_CONNS為TCP連接數(shù)
 ?。?uip_periodic(i); //處理每一個TCP連接
  if(uip_len > 0) //說明本連接有數(shù)據(jù)要發(fā)送或重發(fā)
 ?。?uip_arp_out(); //由ARP處理部分添加以太網(wǎng)幀頭
  eth_send(); //由網(wǎng)卡驅動程序發(fā)送
  }
 ?。?/對應于:for()
 ?。?/ 對應于:if(0.5秒定時時間到)
  if(ARP表項更新時間到)
  uip_arp_timer(); //進行ARP表項更新
 ?。齟lse if(uip_len > 0) //說明接收到新的數(shù)據(jù)包
 ?。?if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_IP))//如果收到IP數(shù)據(jù)包
  { uip_arp_ipin(); //送ARP模塊進行表項更新
  uip_len -= sizeof(struct uip_eth_hdr); //去除以太網(wǎng)幀頭
  uip_input(); //送uip_input()進行處理
  if(uip_len > 0) //若uip_input()返回后uip_len不為零說明有數(shù)據(jù)要回送
 ?。?uip_arp_out(); //由ARP部分添加以太網(wǎng)幀頭
  eth_send(); //送交網(wǎng)卡驅動發(fā)送
 ?。?/對應于:if()收到IP數(shù)據(jù)包
 ?。齟lse if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_ARP))//如果收到ARP包
 ?。?uip_arp_arpin(); //由uip_arp_arpin()處理,如果為應答包則進行表項
  //更新
  //如果為請求包,則構造應答數(shù)據(jù)包
  if(uip_len > 0) //說明收到的是ARP請求包,需要回送ARP應答包
  eth_send(); //送網(wǎng)卡驅動發(fā)送
  }//對應于:else if()收到ARP數(shù)據(jù)包
 ?。?/對應于:else if() 說明接收到新的數(shù)據(jù)包
 ?。?br />   以上實例在keil C51編譯器下設置大模式,優(yōu)化等級6(速度優(yōu)先)進行編譯,對uIP代碼部分可以不做任何修改,對HTTP示例代碼僅需針對類型表達進行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺上運行良好。
五 總結
  uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結構化的代碼,使其存儲器占用量很小并且可以很方便的應用到不同的工程項目中。同時它又是免費的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設備的網(wǎng)絡接入提供了很好的解決方案,具有很高的應用價值。
參考文獻
  [ 1 ] DOUGLAS E. COMER著, 用TCP/IP進行網(wǎng)際互連(卷一、卷二) 電子工業(yè)出版社, 2000
  [ 2 ] JEREMY BENTHAM著, 嵌入式系統(tǒng)Web服務器——TCP/IP Lean 機械工業(yè)出版社, 2003
  [ 3 ] uIP協(xié)議棧網(wǎng)絡站點 http://dunkels.com/adam/uip/
  [ 4 ] REALTEK公司. RTL8019AS Datasheet, 2000

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權禁止轉載。