基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術

3.2 uIP 的體系結構

uIP 協議根據嵌入式系統的需要，去掉了TCP/IP協議中許多不常用的功能，保留網絡通信中所需要的ARP(可選)、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等最核心的部分。協議全部用C 語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節，使用的RAM 只需要360字節。其應用層接口和設備驅動層接口非常簡單。

uIP 協議將設計重點放在IP、ICMP 和TCP 協議的實現上，而將UDP 和ARP 協議實現作為可選模塊。uIP協議的體系結構如圖3 所示。

圖3 uIP 協議棧結構圖。

3.3 uIP 的底層設備驅動接口和應用程序接口

uIP 是一個僅包含三層網絡層核心協議的協議棧，uIP 自身不包含任何類型的底層網絡驅動和上層應用程序，它只提供接口函數供用戶開發使用。因此為了完成與網絡設備的交互，用戶必須根據網絡設備的類型，在uIP 中自行實現對底層網絡設備的驅動。對本例來說，網絡設備是RTL8019AS 網卡，因此需要在uIP 中實現對RTL8019AS 網卡的驅動。如果用戶需要在Internet 上通過http 協議瀏覽和獲取現場數據，還必須在uIP 上實現基于HTTP 協議的WEB 應用服務。

RTL8019AS 網卡驅動首先是對網卡芯片的上電初始化，通過函數init_8019as()進行，用于設定網卡物理地址，設定收發緩沖區位置和大小等。其次是發送數據函數eth_send()和接收數據函數eth_rcve()。

而uIP 協議棧則通過內核中的uip_input()函數實現對底層網絡設備的驅動，該函數是uIP 協議的底層設備入口。它包含兩個全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數據包，后者表示接收發送緩沖區里的數據長度。uip_input()函數處理從網絡設備驅動發送來的IP 包。處理結束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒有數據要發送。不為0 則調用網絡設備驅動程序eth_send()函數來將uip_buf 里的uip_len 長度的數據發送到以太網上。eth_rcve()函數將接收到的數據存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區中，系統調用uip_input()函數，并在需要時調用應用程序。

uip_periodic()可以理解為是一個周期時鐘函數，通常每一秒執行一次，單片機用它周期性地輪詢各連接。因為uIP 協議要處理許多定時事件，例如包重發、ARP 表項更新。當周期計時激發，每一個TCP 連接調用uip_periodic()，其TCP 連接編號作為參數傳遞給uip_periodic()函數。uip_periodic()函數檢查參數指定的連接的狀態。當uip_periodic()函數返回后，會檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區中的數據包發送到網絡上。

uIP 協議的應用程序接口用于實現web 之類的應用服務。uIP 定義了一個宏UIP_APPCALL()作為該接口，供用戶使用。當用戶要編程實現某應用服務時，只需要將宏UIP_APPCALL()定義成實際的應用程序函數名。uIP 在接收到底層傳來的數據包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL()。不同的連接則通過判斷當前連接的端口號來確定。同時uIP 還提供一些應用程序接口函數供用戶編程時使用。常用的uIP 應用程序接口函數有：關閉連接接口函數uip_close();輪詢接口函數uip_poll();打開連接接口函數uip_connect()等。通過調用不同的應用程序接口函數，用戶可以實現相應的功能。

4 單片機主程序的設計

完成了底層設備驅動模塊和應用服務程序模塊的添加以及對uIP 進行了正確配置之后，軟件編寫的主體部分是單片機主程序函數。主程序視用戶需要達到何種功能而定。對于本例通過以太網卡接入到Internet實現WEB 應用服務來說，單片機主程序首先啟動初始化工作，包括定時器初始化、網卡芯片初始化、UIP 協議棧初始化、用戶應用程序初始化等等[5]。在完成初始化之后，主程序將不停的進行查詢，如果網卡上有新的IP 數據包到達則送uip_input()函數處理;如果沒有新數據包到達則由uip_priodic()函數處理定時事件。由于uIP 協議棧采用C 語言編寫，所以為了方便單片機主程序與uIP 協議交互，單片機主程序也采用C 語言作為開發語言。下面是單片機主程序的部分設計代碼。

TCP/IP 協議棧的鏈路層部分由網絡控制器RTL8019AS 完成，網絡層和傳輸層由單片機來處理。

應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶或終端設備完成。除了WEB 服務之外，其它應用層服務像SMTP 協議支持功能也可以根據需要編寫相應的代碼。

5 系統測試

在完成上述工作的基礎上，我們為市區中心停車場設計了一個停車監測管理系統。由于市區中心停車場業務量非常繁忙，車位經常飽和，不僅管理人員而且客戶經常需要實時掌握該停車場的停車位空閑信息。數據采集系統的前端通過傳感器監測各停車位的空閑狀態。并及時將信息反饋到單片機，反饋的信息包括停車位空閑狀態，停車起始時間和時長等。據此監測系統計算整個停車場空閑停車位的個數，并將信息返回到客戶端，同時以公告信息形式顯示在停車場出入口的LED 顯示屏上。方便客戶作出決策。根據停車時長計算的計費信息也可以顯示在客戶端上。結合上述要求，我們在單片機上實現了一個嵌入式Web服務器。Http 網頁能夠完成接收數據、發送網頁數據、關閉連接等應用，并且能夠動態實時地進行數據更新。客戶端使用最常用的Windows 操作系統和Internet Explorer 瀏覽器，客戶端不需要安裝其它特殊的服務程序。系統僅設置為最多4 個并發客戶端訪問單片機Web 服務器。圖4 是訪問單片機Web服務器的結果。

圖4 客戶端訪問單片機Web 服務器。