基于单片机的嵌入式系统网络接入方案

文章摘要：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

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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3   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。

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