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嵌入式 TCP/IP 協議單片機技術在網絡通信中的應用
摘要：介紹了嵌入式TCP/IP協議單片機在網絡通信中的數據傳輸技術。將TCP/IP協議嵌入式單片機中，借助網卡芯片CS8900實現了單片機在局域網內和通過局域網在因特網上的數據傳輸。用戶終端以單片機系統板為媒介，通過網絡與遠程數據終端實現數據通信。關鍵詞：TCP/IP協議 單片機 因特網 局域網 網卡芯片
在因特網上，TCP/IP協議每時每刻保證了數據的準確傳輸。在數據采集領域，如何利用TCP/IP協議在網絡中進行數據傳輸成為一個炙手可熱的話題。在本系統中，筆者利用TCP/IP協議中的UDP（用戶數據報協議）、IP（網絡報文協議）、ARP（地址解析協議）及簡單的應用層協議成功地實現了單片機的網絡互連，既提高了數據傳輸的速度，又保證了數據傳輸的正確性，同時也擴展了數據傳輸的有效半徑。
1 TCP/IP協議簡介
TCP/IP協議是一套把因特網上的各種系統互連起來的協議組，保證因特網上數據的準確快速傳輸。參考開放系統互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。
（1）應用層
網絡應用層要有一個定義清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統中，單片機系統傳遞來自Ethernet和數據終端的數據，應用層只對大的數據報作打包拆報處理。
（2）傳輸層
傳輸層讓網絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數據，如定義網絡連接的端口號等，實現該層協議的傳輸控制協議TCP和用戶數據協議UDP。在本系統中使用UDP數據報協議。
（3）網絡層
網絡層讓信息可以發送到相鄰的TCP/IP網絡上的任一主機上，IP協議就是該層中傳送數據的機制。同時建立網絡間的互連，應提供ARP地址解析協議，實現從IP地址到數據鏈路物理地址的映像。
（4）鏈路層
由控制同一物理網絡上的不同機器間數據傳送的底層協議組成，實現這一層協議的協議并屬于TCP/IP協議組。在本系統中這部分功能由單片機控制網卡芯片CS8900實現。
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2 硬件框圖
如圖1所示，系統提供RJ45接口連接Ethernet網絡，并且提供一個串口給用戶使用。系統板可以將從Ethernet上過來的IP數據報解包后送給串口，也可將從串口過來的數據封裝為IP包送到局域網中。外部RAM使用61C1024（128KB），從而為數據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、網卡物理地址和其他參數保存在里面。
CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產的一種局域網處理芯片，它的封裝是100-pin TQFP，內部集成了在片RAM、10BASE-T收發濾波器，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的前端對網絡信號進行脈沖波形變換。
3 工作原理
3.1 CS8900的工作原理
CS8900與單片機按照8位方式連接，網卡芯片復位后默認工作方式為I/O連接，基址是300H，下面對它的幾個主要工作寄存器進行介紹（寄存器后括號內的數字為寄存器地址相對基址300H的偏移量）。
·LINECTL（0112H）
LINECTL決定CS8900的基本配置和物理接口。在本系統中，設置初始值為00d3H，選擇物理接口為10BASE-T，并使能設備的發送和接收控制位。
·RXCTL（0104H）
RXCTL控制CS8900接收特定數據報。設置RXTCL的初始值為0d05H，接收網絡上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數據報。
·RXCFG（0102H）
RXCFG控制CS8900接收到特定數據報后會引發接收中斷。RXCFG可設置為0103H，這樣當收到一個正確的數據報后，CS8900會產生一個接收中斷。
·BUSCT（0116H）
BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。設置初始值為8017H，打開CS8900的中斷總控制位。
·ISQ（0120H）
ISQ是網卡芯片的中斷狀態寄存器，內部映射接收中斷狀態寄存器和發送中斷狀態寄存器的內容。
·PORT0（0000H）
發送和接收數據時，CPU通過PORT0傳遞數據。
·TXCMD（0004H）
發送控制寄存器，如果寫入數據00C0H，那么網卡芯片在全部數據寫入后開始發送數據。
·TXLENG（0006H）
發送數據長度寄存器，發送數據時，首先寫入發送數據長度，然后將數據通過PORT0寫入芯片。
以上為幾個最主要的工作寄存器（為16位），CS8900支持8位模式，當讀或寫16位數據時，低位字節對應偶地址，高位字節對應奇地址。例如，向TXCMD中寫入00C0H，則可將00h寫入305H，將C0H寫入304H。
系統工作時，應首先對網卡芯片進行初始化，即寫寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。發數據時，寫控制寄存器TXCMD，并將發送數據長度寫入TXLENG，然后將數據依次寫入PORT0口，如將第一個字節寫入300H，第二個字節寫入301H，第三個字節寫入300H，依此類推。網卡芯片將數據組織為鏈路層類型并添加填充位和CRC校驗送到網絡同樣，單片機查詢ISO的數據，當有數據來到后，讀取接收到的數據幀。讀數據時，單片機依次讀地址300H，301H，300H，301H…。
3.2 單片機工作流程
如圖人所示，單片機首先初始化網絡設備。網卡IP地址和物理地址存在X25045中，單片機復位后首先讀取這些數據以初始化網絡。
單片機主要完成數據的解包打包。當有數據從RJ45過來，單片機對數據報進行分析，如果是ARP（物理地址解析）數據包，則程序轉入ARP處理程序（因為在網絡上正是ARP協議將IP地址和物理地址相映射）。如果是IP數據包且傳輸層使用UDR協議，端口正確，則認為數據報正確，數據解包后，將數據部分通過串口輸出。反之，如果單片機從串口收到數據，則將數據按照UDP協議格式打包，送入CS8900，由CS8900將數據輸出到局域網中。
可以知道，單片機主要處理協議的網絡層和傳輸層，鏈路層部分由CS8900完成。因單片機將數據接收后完整不變地通過串口輸出，所以將應用層交付用戶來處理，用戶可以根據需求對收到的數據進行處理。
在單片機的程序處理中，包含了完整的APR地址解析協議。通過在單片機中正確設置網關、子網掩碼等參數，實現了通過局域網單片機與外部因特網上的終端設備的數據通信。
4 應用
這種嵌入式TCP/IP協議的單片機系統板，具有成本低、硬件少、占用面積少、傳輸速度快、使用方便等優點。適用于現有的網絡傳輸系統，有著廣泛的應用前景，特別是數據采集、數據傳輸領域。目前，在屏幕板數據成像、遠程數據采集系統中被使用。
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