TCP/IP協(xié)議在VRS51單片機上的實現

作者：時間：2013-09-10 來源：網絡

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　　ICMP（Internet控制報文協(xié)議）用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。uIP只實現了echo。

　　ARP（Address Resolution Protocol）為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射。ARP協(xié)議是把目標IP地址解析為以太網MAC地址，當一個IP包要在以太網上發(fā)送時，先查詢ARP表，找出要發(fā)送的MAC地址。如果在表里找不到對應的IP地址，就會廣播ARP請求包，以獲取給出IP地址所對應的MAC地址。目的主機收到請求包后發(fā)出一個ARP回應包，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)議是一個簡單的、面向數據報的傳輸層協(xié)議。UDP協(xié)議是uIP可選模塊。

　　uIP是一個專為8位和16位單片機設計的小型簡易的TCP/IP協(xié)議棧，簡單易用、占用資源少是其設計特點。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，其重點是在IP、TCP和ICMP的實現上，而把ARP和UDP作為可選模塊。

　　uIP處于網絡通信的中間，其上層協(xié)議是應用程序層，其下層硬件或固件稱為網絡設備驅動層。uIP并不僅僅是為以太網設計的，它與媒體無關。

uIP的設備驅動程序接口

　　uIP中需要底層驅動支持的函數有：uip_input( )和uip_periodic( )。uip_input( )函數是用來處理網絡層和設備驅動層之間的傳送數據的，當設備驅動程序從網絡層收到一個數據包時會調用此函數，設備驅動程序會事先把數據包存放在uip_buf[ ]緩沖區(qū)里，而把數據長度放到uip_len，然后交給uip_input( )函數處理。當函數返回時，如果uip_len不為0，則表明帶有數據。如果需要ARP支持時，則要考慮更新ARP 表或者發(fā)送ARP請求和回應。

　　uip_periodic( )用于內部時鐘事件計時，當周期定時激發(fā)時，每一個 TCP連接應該調用uip_periodic( )函數。這個函數用于uIP內核對各連接的定時輪循，因此需要一個硬件支持的定時程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機是否有數據要發(fā)送，如果需要則構造IP包。

　從本質上來說，uip_input( )和uip_periodic( )在內部是一個函數，即uip_process ( )。UIP的設計者將uip_process(UIP_DATA)定義成uip_input( )，而將uip_process(UIP_TIMER)定義成uip_periodic( )，因此從代碼實現上來說是完全復用的。

uIP應用程序接口

　　uIP在接受到底層傳來的數據包后，如需送上層應用程序處理，就會調UIP_APPCALL( )，同時uIP設置UIP_CONN結構體指針指向當前連接。UIP_CONN記錄一條TCP連接的所有相關信息。為了將用戶的應用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL( )定義成實際的應用程序函數名，這樣每當某個uIP事件發(fā)生時，內核就會調用該應用程序進行處理。如果要加入應用程序狀態(tài)的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應用程序狀態(tài)結構體的長度。

uIP在VRS51L3074上的應用和簡單Socket通信

　　本硬件平臺是網絡POS機的一部分，它的工作原理是：由掃描槍采集的數據經串口送入網卡內，然后經網絡發(fā)送到遠端主機。

　　本系統(tǒng)的軟件部分包括網絡設備驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧實現以及簡單的Socket通信程序。

　　CS8900主要包括三個部分：EtherDevInit（）函數完成CS8900A網絡芯片的初始化，包括初始化寄存器等，使之進入服務狀態(tài)；EtherDevSend（）實現把以太網數據包發(fā)送到網絡中；EtherDevRecv（）完成數據的接受。在CS8900的頭文件中設置了MAC地址以及其他的一些參數。

　　網絡設備驅動程序通過兩個全局變量與uIP協(xié)議棧進行接口：uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)，uip_len為數據的長度。EtherDevSend( )函數把uip_buf里的數據發(fā)送到網絡中，EtherDevRecv( )函數把接受到的數據存儲到uip_buf緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值。

　uIP協(xié)議棧承擔網絡通信功能，一方面與底層鏈路層通信實現數據收發(fā)，另一方面為上層應用程序提供了簡單的API接口。uIP基本實現了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；uipopt.h是uIP配置文件，它以宏的形式定義便于修改，用戶可根據自己的需要設置本地的物理地址、IP地址、網關地址、收發(fā)緩沖區(qū)大小、支持的最大連接數以及ARP表大小等選項。
VRS51L3074有3個16-bit的定時器，可以選擇一個為TCP/IP協(xié)議中與事件有關的事件定時。uIP中需要定時的事件有：為uip_periodic( )函數的執(zhí)行提供基準和ARP表更新。uip_periodic( )函數每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，進行了正確的配置后，需要編寫主程序和應用程序初始化包括定時器初始化、串口初始化、網卡芯片初始化、uIP協(xié)議棧初始化、用戶應用程序初始化等，主程序初始化完成后，進入不停查詢的狀態(tài)，如果有數據到來，則交給uip_input( )進行處理，如果沒有則由uip_periodic( )來處理定時事件。為了將應用程序掛接到uIP中，必須把UIP_APPCALL( )定義為實際的應用程序函數名，這樣每當某個uIP事件發(fā)生時，內核就會調用該應用程序進行處理。本應用程序定義 #define UIP_APPCALL socket_appcall。

結束語

　　本方案成功地把嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP移植到VRS51單片機上，實現了網絡通信。該方案是網絡POS機的一部分，目前已經正在運行，且狀態(tài)良好。本方案采用的單片機和網絡芯片不但性能良好而且價格低廉，uIP是一個性能優(yōu)良的免費小型TCP/IP協(xié)議棧，因此本系統(tǒng)運行速度快、穩(wěn)定可靠且價位較低。本方案可廣泛應用于遠程數據采集、傳輸，遠程監(jiān)控，遠程抄表以及信息家電等領域。