MCS-51單片機嵌入式Internet技術的工作原理簡述

　　8051 單片機P0 口的8 位數據總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2 個定時器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線對應連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機驅動網絡控制芯片RTL8019AS,經網絡隔離濾波器HR901170A 后實現Internet 接入。

　　3.1 嵌入式TCP/IP 協議棧

　　TCP/IP 協議是Internet 的核心協議。單片機實現嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實現TCP/IP 協議。由于TCP/IP 協議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實現TCP/IP協議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開發了面向商用的嵌入式TCP/IP 協議棧，這些協議棧缺點是面向特定公司生產的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費。如果采用這類協議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統不具有性價比上的優勢。經過對比，最后在本系統中選用開放源代碼的TCP/IP協議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協議棧，感興趣的用戶可以免費在網絡上下載其源代碼并對其進行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9 協議棧采用模塊化設計，保留網絡通信所必要的協議機制，大大減少了協議代碼量(代碼量在幾千字節左右)，只需要幾百字節的內存就可以順利運行，降低了協議對系統資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統。

　　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。

　　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。