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嵌入式 TCP/IP 協(xié)議單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用
摘要：介紹了嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機(jī)在網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。將TCP/IP協(xié)議嵌入式單片機(jī)中，借助網(wǎng)卡芯片CS8900實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)和通過局域網(wǎng)在因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸。用戶終端以單片機(jī)系統(tǒng)板為媒介，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議 單片機(jī) 因特網(wǎng) 局域網(wǎng) 網(wǎng)卡芯片
在因特網(wǎng)上，TCP/IP協(xié)議每時(shí)每刻保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，如何利用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為一個(gè)炙手可熱的話題。在本系統(tǒng)中，筆者利用TCP/IP協(xié)議中的UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、IP（網(wǎng)絡(luò)報(bào)文協(xié)議）、ARP（地址解析協(xié)議）及簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議成功地實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)互連，既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋直ＷC了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時(shí)也擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/p>
1 TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介
TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。參考開放系統(tǒng)互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。
（1）應(yīng)用層
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì)話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層只對(duì)大的數(shù)據(jù)報(bào)作打包拆報(bào)處理。
（2）傳輸層
傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等，實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。在本系統(tǒng)中使用UDP數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。
（3）網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任一主機(jī)上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)間的互連，應(yīng)提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。
（4）鏈路層
由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實(shí)現(xiàn)這一層協(xié)議的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。在本系統(tǒng)中這部分功能由單片機(jī)控制網(wǎng)卡芯片CS8900實(shí)現(xiàn)。
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2 硬件框圖
如圖1所示，系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò)，并且提供一個(gè)串口給用戶使用。系統(tǒng)板可以將從Ethernet上過來的IP數(shù)據(jù)報(bào)解包后送給串口，也可將從串口過來的數(shù)據(jù)封裝為IP包送到局域網(wǎng)中。外部RAM使用61C1024（128KB），從而為數(shù)據(jù)處理提供了很大的緩存；使用E2PROM——X25045，既可以作為看門狗使用，也可以將IP地址、網(wǎng)卡物理地址和其他參數(shù)保存在里面。
CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)處理芯片，它的封裝是100-pin TQFP，內(nèi)部集成了在片RAM、10BASE-T收發(fā)濾波器，并且提供8位和16位兩種接口，本文只介紹它的8位模式。
NE103是一種脈沖變壓器，在CS8900的前端對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行脈沖波形變換。
3 工作原理
3.1 CS8900的工作原理
CS8900與單片機(jī)按照8位方式連接，網(wǎng)卡芯片復(fù)位后默認(rèn)工作方式為I/O連接，基址是300H，下面對(duì)它的幾個(gè)主要工作寄存器進(jìn)行介紹（寄存器后括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為寄存器地址相對(duì)基址300H的偏移量）。
·LINECTL（0112H）
LINECTL決定CS8900的基本配置和物理接口。在本系統(tǒng)中，設(shè)置初始值為00d3H，選擇物理接口為10BASE-T，并使能設(shè)備的發(fā)送和接收控制位。
·RXCTL（0104H）
RXCTL控制CS8900接收特定數(shù)據(jù)報(bào)。設(shè)置RXTCL的初始值為0d05H，接收網(wǎng)絡(luò)上的廣播或者目標(biāo)地址同本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報(bào)。
·RXCFG（0102H）
RXCFG控制CS8900接收到特定數(shù)據(jù)報(bào)后會(huì)引發(fā)接收中斷。RXCFG可設(shè)置為0103H，這樣當(dāng)收到一個(gè)正確的數(shù)據(jù)報(bào)后，CS8900會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。
·BUSCT（0116H）
BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。設(shè)置初始值為8017H，打開CS8900的中斷總控制位。
·ISQ（0120H）
ISQ是網(wǎng)卡芯片的中斷狀態(tài)寄存器，內(nèi)部映射接收中斷狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。
·PORT0（0000H）
發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，CPU通過PORT0傳遞數(shù)據(jù)。
·TXCMD（0004H）
發(fā)送控制寄存器，如果寫入數(shù)據(jù)00C0H，那么網(wǎng)卡芯片在全部數(shù)據(jù)寫入后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
·TXLENG（0006H）
發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后將數(shù)據(jù)通過PORT0寫入芯片。
以上為幾個(gè)最主要的工作寄存器（為16位），CS8900支持8位模式，當(dāng)讀或?qū)?6位數(shù)據(jù)時(shí)，低位字節(jié)對(duì)應(yīng)偶地址，高位字節(jié)對(duì)應(yīng)奇地址。例如，向TXCMD中寫入00C0H，則可將00h寫入305H，將C0H寫入304H。
系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)首先對(duì)網(wǎng)卡芯片進(jìn)行初始化，即寫寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，寫控制寄存器TXCMD，并將發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫入TXLENG，然后將數(shù)據(jù)依次寫入PORT0口，如將第一個(gè)字節(jié)寫入300H，第二個(gè)字節(jié)寫入301H，第三個(gè)字節(jié)寫入300H，依此類推。網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)組織為鏈路層類型并添加填充位和CRC校驗(yàn)送到網(wǎng)絡(luò)同樣，單片機(jī)查詢ISO的數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到后，讀取接收到的數(shù)據(jù)幀。讀數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)依次讀地址300H，301H，300H，301H…。
3.2 單片機(jī)工作流程
如圖人所示，單片機(jī)首先初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)卡IP地址和物理地址存在X25045中，單片機(jī)復(fù)位后首先讀取這些數(shù)據(jù)以初始化網(wǎng)絡(luò)。
單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的解包打包。當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45過來，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序（因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)上正是ARP協(xié)議將IP地址和物理地址相映射）。如果是IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDR協(xié)議，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出。反之，如果單片機(jī)從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入CS8900，由CS8900將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。
可以知道，單片機(jī)主要處理協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，鏈路層部分由CS8900完成。因單片機(jī)將數(shù)據(jù)接收后完整不變地通過串口輸出，所以將應(yīng)用層交付用戶來處理，用戶可以根據(jù)需求對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
在單片機(jī)的程序處理中，包含了完整的APR地址解析協(xié)議。通過在單片機(jī)中正確設(shè)置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過局域網(wǎng)單片機(jī)與外部因特網(wǎng)上的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。
4 應(yīng)用
這種嵌入式TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)系統(tǒng)板，具有成本低、硬件少、占用面積少、傳輸速度快、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。適用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。目前，在屏幕板數(shù)據(jù)成像、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被使用。
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