ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議在８０５１ＭＣＵ中的移植及應(yīng)用

摘要：將TCP/IP協(xié)議移植到8位MCU上，同時在傳輸?shù)奈募屑尤際TML代碼，實現(xiàn)了一個WEBSERVER，并用其對一個液晶顯示屏進行控制和監(jiān)視。本系統(tǒng)用雙絞線代替RS232、RS485、CAN等總線進行組網(wǎng)，可以廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：TCP/IP；8051MCU；HTML

中圖分類號：TP36文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)31-0863-04

Transplant and Application of TCP/IP Protocol Based on 8051MCU

WANG Xiao-min， NA Wen-peng

(Information Science Enginneering College， Liaoning University of Techology， Jinzhou 121001， China)

Abstract: A WEBSERVER is designed by transplanting TCP/IP protocol to 8 bit MCU and transmitting file with HTML code.The WEBSERVER is used to control a LED.This system in which RS232，RS485，CAN bus is replaced by UTP-5 cable can be universally used in Embedded System.

Key words: TCP/IP; 8051MCU; HTML

1 引言

隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在社會生活的各個方面得到廣泛的應(yīng)用。為了實現(xiàn)多個嵌入式系統(tǒng)的互聯(lián)，工程師們利用RS232、RS485及CAN等進行組網(wǎng)。這樣組成的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，而且成本也較高。另一方面，INTERNET技術(shù)飛速發(fā)展，它已成為社會最主要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，它具有覆蓋范圍廣，技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)傳輸速度快，價格低廉等優(yōu)點。針對這種情況，我們設(shè)計一個系統(tǒng)，將應(yīng)用最廣泛的INTERNET協(xié)議即TCP/IP協(xié)議移植到8位MCU上，同時在傳輸?shù)奈募屑尤際TML代碼，實現(xiàn)了一個WEBSERVER，并用其對一個液晶顯示屏進行控制和監(jiān)視。這一系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕岣吡藬?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋昧朔植紡V泛的INTERNET，同時也為用戶提供了一個友好的操作界面，可以很方便的利用PC機上的瀏覽器對MCU進行遠程控制。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。STC89C516RD+是一款高性能的MCU，它具有64K的片內(nèi)FLASH和1280BYTE的片內(nèi)RAM，最高時鐘頻率可達80M。與之相連的RTL8019AS是以太網(wǎng)控制器，它為系統(tǒng)提供最基本的網(wǎng)絡(luò)物理層接口。HM62256是32K的外部RAM，主要用于存放網(wǎng)絡(luò)上來的數(shù)據(jù)和即將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。RS232接口用于下載程序和調(diào)試程序。外部設(shè)備指一些被系統(tǒng)控制著的設(shè)備，如傳感器，液晶屏等，本文系統(tǒng)使用的是液晶屏。

3 系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)上電后首先初始化液晶顯示器，根據(jù)最初的顯示參數(shù)調(diào)用display( )函數(shù)控制液晶屏的顯示，接著初始化TCP/IP協(xié)議棧和RTL8019AS，之后MCU開始監(jiān)聽80端口，若收到請求則發(fā)送一個登錄頁面給客戶端，繼續(xù)監(jiān)聽，用戶在瀏覽器輸入用戶名及密碼發(fā)送，MCU收到正確用戶名和密碼后發(fā)送主頁面，主頁面中包含液晶顯示器狀態(tài)及配置選項。MCU收到配置信息后修改顯示參數(shù)并調(diào)用display( )控制液晶屏的顯示，然后發(fā)送修改過的主頁面給客戶端，客戶可以在瀏覽器中的顯示狀態(tài)區(qū)看到配置后的顯示狀態(tài)以確定配置是否生效。流程圖如圖2所示。

4 RTL8019AS簡介

RTL8019AS是由臺灣REALTEK公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片。

RTL8019AS由接收邏輯控制器、接收CRC校驗、接收計數(shù)器、FIFO邏輯隊列、發(fā)送邏輯控制器、發(fā)送CRC校驗、內(nèi)部總線、IO緩沖區(qū)等組成。它的工作流程是：接收邏輯在接收時鐘的控制下將串行數(shù)據(jù)組成字節(jié)送到FIFO和CRC，發(fā)送邏輯將FIFO送來的字節(jié)在發(fā)送時鐘的控制下逐位移出并送到CRC，CRC邏輯在接收是對輸入的數(shù)據(jù)進行CRC校驗并將結(jié)果與幀尾的CRC比較，如不同該幀數(shù)據(jù)將被拋棄，在發(fā)送時CRC對幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC校驗碼并附加在數(shù)據(jù)尾傳送，地址識別邏輯對接收幀的目的地址與預(yù)先設(shè)置的物理地址（又叫MAC地址）

進行比較，如不同且不是廣播地址，該幀將被拋棄。

RTL8019AS片內(nèi)有16KB的RAM，地址為0X4000—0X7FFF，每256個字節(jié)稱為一頁，共64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址為0X40—0X7F。這16K的RAM一部分用來存放接收的數(shù)據(jù)包，一部分用來存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。RTL8019AS還提供32個IO端口地址，地址偏移量為00H—1FH。其中，00H—1FH為特殊功能寄存器地址，10H—17H為DMA地址，18H—1FH為復(fù)位端口。特殊功能寄存器分為四頁，我們只用到前三頁。下面介紹幾個重要的寄存器。

CR是控制寄存器，其各位的定義如下所示。

■

PS1和PS0用來選擇寄存器頁，例如：寫入10表示選擇第二頁。

RD2、RD1、RD0表示執(zhí)行的功能，如表1所示。

TXP在發(fā)送數(shù)據(jù)包時置1，發(fā)送完成自動置0。

最后兩位用來啟動和停止命令。

CURR和BNRY用來控制緩沖區(qū)的存取過程，保證能順次寫入和讀出。

PAR0—PAR5用來存放MAC地址。

10H—17H為DMA地址，只需取一個進行使用，我們?nèi)?0H，向10H中寫數(shù)據(jù)就是向16K的RAM寫數(shù)據(jù)。

18H—1FH復(fù)位端口，對其中的偶數(shù)地址讀或?qū)憯?shù)據(jù)，都會引起芯片復(fù)位，可以通過讀或?qū)戇@個端口來軟件復(fù)位。

本系統(tǒng)中RTL8019AS的IO端口的基地址為240H(對網(wǎng)卡來說)，對應(yīng)的MCU尋址地址為8000H—8F00H。MCU與RTL8019AS連接如圖3所示。

5 TCP/IP協(xié)議的移植

TCP/IP是一個龐大的協(xié)議棧，8位MCU資源有限，這里我們選擇移植部分協(xié)議，移植的協(xié)議有ARP協(xié)議，IP協(xié)議，ICMP協(xié)議，TCP協(xié)議，HTTP協(xié)議以及為以上各協(xié)議服務(wù)的以太網(wǎng)協(xié)議。

5.1 以太網(wǎng)協(xié)議

以太網(wǎng)協(xié)議直接對以太網(wǎng)芯片進行操作并為上層協(xié)議提供服務(wù)，本文使用DIX ETHERNET V2幀結(jié)構(gòu)，如下所示。

■

以太網(wǎng)協(xié)議提供一個函數(shù)query_8019( )，主函數(shù)調(diào)用query_8019( )時，query_8019( )檢查CURR=BNRY+1是否成立，若成立則說明無新到數(shù)據(jù)包，若不成立則說明有新到的數(shù)據(jù)包。若有新到數(shù)據(jù)包，主函數(shù)調(diào)用以太網(wǎng)協(xié)議提供的rcve_frame( )函數(shù)為以太幀分配存儲空間并將其讀入，之后調(diào)用太網(wǎng)協(xié)議提供的

eth_rcve( )函數(shù)，該函數(shù)對幀類型字段進行檢查，把符合要求的幀去掉幀頭后送給IP或ARP協(xié)議處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，eth_send( )函數(shù)為上層來的數(shù)據(jù)包增加幀頭，并調(diào)用send_frame( )函數(shù)通過遠程DMA寫操作將幀發(fā)送出去。

5.2 IP協(xié)議

IP協(xié)議提供的是一種無連接不可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，它只提供傳輸服務(wù)，可靠性由TCP保證。IP協(xié)議調(diào)用ip_rcve( )函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)上來的IP包進行校驗，比較IP地址，檢測協(xié)議類型，然后轉(zhuǎn)到TCP或ICMP進一步處理。IP協(xié)議調(diào)用ip_send( )函數(shù)為上層來的數(shù)據(jù)包增加IP數(shù)據(jù)報報頭，然后交給以太網(wǎng)協(xié)議處理。

5.3 ARP協(xié)議

ARP協(xié)議實現(xiàn)從IP地址到MAC地址的對應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)要發(fā)送一個IP包時，首先到ARP地址緩存中查詢該IP地址對應(yīng)的MAC地址，然后才能生成以太網(wǎng)幀發(fā)送出去。ARP報文格式如下所示：

■

當(dāng)收到一個ARP請求，ARP協(xié)議調(diào)用arp_send( )發(fā)送一個ARP應(yīng)答，并檢查地址緩存中是否有請求方的IP和MAC，若沒有則將其加入。當(dāng)發(fā)送一個IP數(shù)據(jù)包時，系統(tǒng)首先在地址緩存中查找IP地址對應(yīng)的MAC地址，若找到則用該MAC地址生成以太網(wǎng)幀，若沒找到則發(fā)送ARP請求，然后等待ARP應(yīng)答，若收到應(yīng)答則將其加入地址緩存，若經(jīng)過一個等待時間后沒收到應(yīng)答則重發(fā)請求，經(jīng)兩次重發(fā)還沒收到應(yīng)答則放棄這一次IP包的發(fā)送。

5.4 ICMP協(xié)議

本系統(tǒng)的ICMP協(xié)議用于實現(xiàn)PING功能，當(dāng)用戶要檢查系統(tǒng)是否連接正常時，可以用PING命令向系統(tǒng)發(fā)送ICMP包，系統(tǒng)收到后則發(fā)回一個ICMP應(yīng)答包，用戶據(jù)此可以判斷系統(tǒng)是否連通。ICMP報文格式如下所示。

■

5.5 TCP協(xié)議

TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，它采用三次握手建立連接。

TCP將用戶數(shù)據(jù)打包構(gòu)成報文段，它發(fā)送后啟動一個定時器，另一端對收到的數(shù)據(jù)進行確認，對失序的數(shù)據(jù)重新排序，丟失重復(fù)數(shù)據(jù)，TCP計算和驗證一個端到端的檢驗和以保證傳輸?shù)目煽俊?/p>

5.6 HTTP協(xié)議

系統(tǒng)啟動后，等候瀏覽器的請求報文。瀏覽器發(fā)出的HTTP請求報文格式如下所示。

■

請求行中包含方法字段、統(tǒng)一資源標識字段和HTTP版本字段，其中方法字段包括GET和POST等。GET方法取回由統(tǒng)一資源標識標識的信息。POST方法可以請求服務(wù)器接收包含在請求中的實體信息，可以用于提交信息。系統(tǒng)在HTTP報文中檢查方法字段，若方法為GET則發(fā)送HTML網(wǎng)頁代碼。若方法為POST則根據(jù)接收到的參數(shù)調(diào)用與參數(shù)對應(yīng)的函數(shù)調(diào)整對設(shè)備的控制，并修改要發(fā)送的HTML網(wǎng)頁代碼，然后發(fā)送。發(fā)出的HTTP報文由以下兩部分組成。

char code header[] = {

\"HTTP/1.1 200 OK\\"

\"Cache-control: no-cache\\"

\"Connection: Keep-Alive\\"

\"Content-Length: TAG:LEN1\\"

\"Content-Type: text/html\\r\\\r\\" };

char code web_page[] = {……………..}

header[]是HTTP報文頭，其中的TAG:LEN需要由HTML代碼的長度來替換，web_page[]是報文主體，省略的部分是HTML代碼。

6 HTML的應(yīng)用

在瀏覽器輸入WEBSERVER的IP后首先得到的是如下的登錄界面。

■

圖4 登錄界面

其HTML代碼如下

＜html＞

＜head＞＜title＞輸入用戶姓名＜/title＞＜/head＞

＜body＞

＜form ＞

請輸入你的姓名：

＜input type=tex name=yourname＞＜br＞

請輸入你的密碼：

＜input type=text name=password＞

＜input type=submit value=提交＞

＜/form＞

＜/body＞

＜/html＞

用戶提交名字和密碼后點擊提交，WEBSERVER檢查其正確與否，若錯誤則發(fā)回一個網(wǎng)頁提示用戶重新輸入，若正確則發(fā)送如下的HTML代碼

＜html＞

＜body＞

顯示屏狀態(tài):＜br＞

＜table width=\"350\" border=\"1\"＞

＜tr＞

＜th align=\"center\"＞顯示參數(shù)類型＜/th＞

＜th align=\"center\"＞參數(shù)值＜/th＞

＜/tr＞

＜tr＞

＜td align=\"left\"＞文字內(nèi)容＜/td＞

＜td align=\"right\"＞text＜/td＞

＜/tr＞

＜tr＞

＜td align=\"left\"＞字體大小＜/td＞

＜td align=\"right\"＞size＜/td＞

＜/tr＞

＜tr＞

＜td align=\"left\"＞移動方向＜/td＞

＜td align=\"right\"＞direction＜/td＞

＜/table＞＜br＞＜br＞＜br＞

顯示屏參數(shù)設(shè)置:

＜form ＞

文字內(nèi)容：

＜input type=text name=neirong＞＜br＞

字體大小：

＜input type=text name=daxiao＞＜br＞

移動方向：

＜input type=text name=fangxiang＞＜br＞

＜input type=submit value=提交＞

＜/form＞

＜/body＞

＜/html＞

瀏覽器收到后顯示如圖5參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示頁面。

用戶輸入?yún)?shù)并提交，WEBSERVER收到參數(shù)后調(diào)用顯示函數(shù)對液晶屏進行控制并發(fā)回一個網(wǎng)頁，在此網(wǎng)頁中的顯示屏狀態(tài)欄中的text等參數(shù)將被替換為用戶設(shè)置的參數(shù)。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)完成了TCP/IP協(xié)議在8051MCU中的移植，實現(xiàn)了通過瀏覽器這一廣泛使用的工具對液晶屏的遠程控制，對系統(tǒng)稍作修改就可以將其應(yīng)用到其他各種各樣的控制系統(tǒng)中，它具有很好的穩(wěn)定性和很高的傳輸速度，由于其基于廣泛使用的INTERNET，所以其組網(wǎng)的成本也比較低廉，可以取代傳統(tǒng)的總線，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

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