單片機(jī)" title="51單片機(jī)" target="_blank">51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱(chēng),。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī),，后來(lái)隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一,，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中,。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出,，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī),，還是應(yīng)用最廣泛的一種,。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。本文將簡(jiǎn)要描述uIP的實(shí)現(xiàn)方法,，分析uIP協(xié)議棧的應(yīng)用接口,，并討論如何將其應(yīng)用到51系列單片機(jī)上。
二 uIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)述
uIP協(xié)議棧主要提供了三個(gè)函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用,。即uip_init（）,， uip_input（） 和uip_periodic（）。其與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL（ ）,。ip_init（）是系統(tǒng)初始化時(shí)調(diào)用的,，主要初始化協(xié)議棧的偵聽(tīng)端口和默認(rèn)所有連接是封閉的。當(dāng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)收到一個(gè)輸進(jìn)包時(shí),，將放進(jìn)全局緩沖區(qū)uip_buf中,，包的大小由全局變量uip_len約束,。同時(shí)將調(diào)用uip_input（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將會(huì)根據(jù)包首部的協(xié)議處理這個(gè)包和需要時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序,。當(dāng)uip_input（）返回時(shí),，一個(gè)輸出包同樣放在全局緩沖區(qū)uip_buf里，大小賦給uip_len.假如uip_len是0,則說(shuō)明沒(méi)有包要發(fā)送,。否則調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,。uIP周期計(jì)時(shí)是用于驅(qū)動(dòng)所有的uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā),，每一個(gè)TCP連接都會(huì)調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）,。類(lèi)似于uip_input（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)返回時(shí),，輸出的IP包要放到uip_buf中,，供底層系統(tǒng)查詢(xún)uip_len的大小發(fā)送。
uIP實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個(gè)基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議,，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議,， ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應(yīng)用,，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)采用有針對(duì)性的方法,，保持代碼大小和存儲(chǔ)器使用量最小。
1 實(shí)現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時(shí)為了節(jié)省存儲(chǔ)器,，ARP應(yīng)答包直接覆蓋ARP請(qǐng)求包。
2 實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)對(duì)原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化,，它沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分片和重組,。
3 實(shí)現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議時(shí)，只實(shí)現(xiàn)echo（回響）服務(wù),。uIP在生成回響報(bào)文時(shí)并不重新分配存儲(chǔ)器空間,，而是直接修改echo請(qǐng)求報(bào)文來(lái)生成回響報(bào)文。將ICMP類(lèi)型字段從"echo"類(lèi)型改變成 "echo reply"類(lèi)型,，重新計(jì)算校驗(yàn)和修改校驗(yàn)和字段,。
4 uIP里的TCP沒(méi)有實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動(dòng)窗口。每個(gè)TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結(jié)構(gòu)保存,，uip_conn結(jié)構(gòu)包括當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)端的TCP端口編號(hào),，遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，重發(fā)時(shí)間值,，上一段重發(fā)的編號(hào),，和連接的段的最大尺寸等信息。一個(gè)uip_conn結(jié)構(gòu)數(shù)組用于保存所有的連接,，數(shù)組的大小為支持的同時(shí)連接的最大數(shù)量,。為了減少儲(chǔ)存器的使用量,，在處理重發(fā)時(shí)uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應(yīng)用程序在需要重發(fā)時(shí)重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù),。
三 uIP協(xié)議棧的接口
uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性,，在實(shí)現(xiàn)時(shí)將底層硬件驅(qū)動(dòng)和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集"打包"在一個(gè)"庫(kù)"里。協(xié)議棧通過(guò)接口與底層硬件和頂層應(yīng)用"通信".通過(guò)這種方式,，uIP具有極高的通用性和獨(dú)立性,，移植到不同系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺(tái)無(wú)關(guān)性的特點(diǎn),。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的接口關(guān)系如圖（一）所示：
1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口
uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口和與系統(tǒng)定時(shí)器的接口兩類(lèi),。
1.1 uIP與設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口
uIP通過(guò)函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來(lái)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口,。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包,，為了減少存儲(chǔ)器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū),。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,，通過(guò)判斷uip_len的值是否為0來(lái)判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送,。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收到一個(gè)IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后,，應(yīng)該調(diào)用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口,，由它處理收到的IP包,。當(dāng)uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送,，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里,。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0,沒(méi)有包要發(fā)送,；如果uip_len大于0則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包,。
1.2 uIP與系統(tǒng)計(jì)時(shí)接口
TCP/IP協(xié)議要處理許多定時(shí)事件，例如包重發(fā),、ARP表項(xiàng)更新,。系統(tǒng)計(jì)時(shí)用于為所有uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件計(jì)時(shí)。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā),，每一個(gè)TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）,。TCP連接編號(hào)作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài),，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值,。當(dāng)uip_periodic（）函數(shù)返回后，應(yīng)該檢查uip_len的值,，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡(luò)上,。
ARP協(xié)議對(duì)于構(gòu)建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的,，但對(duì)于構(gòu)建與其他網(wǎng)絡(luò)接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結(jié)構(gòu)化的目的,，uIP將ARP協(xié)議作為一個(gè)可添加的模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn),。因此，ARP表項(xiàng)的定時(shí)更新要單獨(dú)處理,。系統(tǒng)定時(shí)器對(duì)ARP表的更新進(jìn)行定時(shí),，定時(shí)時(shí)間到則調(diào)用uip_arp_timer（）函數(shù)對(duì)過(guò)期表項(xiàng)進(jìn)行清除。
2 uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口
應(yīng)用程序作為單獨(dú)的模塊由用戶(hù)實(shí)現(xiàn),，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶(hù)程序調(diào)用,。用戶(hù)需將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）,。uIP在接收到底層傳來(lái)的數(shù)據(jù)包后,，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL（）,。uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)按功能描述如下：
2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測(cè)是否有新數(shù)據(jù)到達(dá),。全局變量uip_appdata指針指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過(guò)uip_datalen（）函數(shù)獲得,。
2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過(guò)使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù),。uip_send（）函數(shù)采用兩個(gè)參數(shù)；一個(gè)指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址,，另一個(gè)指明數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,。
2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過(guò)測(cè)試函數(shù)uip_rexmit（）來(lái)判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調(diào)用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包,。
2.4 關(guān)閉連接接口：應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用uip_close（）函數(shù)關(guān)閉當(dāng)前連接,。
2.5 報(bào)告錯(cuò)誤接口：uIP提供錯(cuò)誤報(bào)告函數(shù)檢測(cè)連接中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。應(yīng)用程序可以使用兩個(gè)測(cè)試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測(cè)試那些錯(cuò)誤情況,。
2.6 輪詢(xún)接口：當(dāng)連接空閑時(shí)，uIP會(huì)周期性地輪詢(xún)應(yīng)用程序,，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送,。應(yīng)用程序使用測(cè)試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢(xún)過(guò)。
2.7 監(jiān)聽(tīng)端口接口：uIP維持一個(gè)監(jiān)聽(tīng)知名TCP端口的列表,。通過(guò)uip_listen（）函數(shù),，一個(gè)新的監(jiān)聽(tīng)端口打開(kāi)并添加到監(jiān)聽(tīng)列表中。當(dāng)在一個(gè)監(jiān)聽(tīng)端口上接收到一個(gè)新的連接請(qǐng)求時(shí),，uIP產(chǎn)生一個(gè)新的連接和調(diào)用該端口對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序,。
2.8 打開(kāi)連接接口：在uIP里面通過(guò)使用uip_connect（）函數(shù)打開(kāi)一個(gè)新連接。這個(gè)函數(shù)打開(kāi)一個(gè)新連接到指定的IP地址和端口,，返回一個(gè)新連接的指針到uip_conn結(jié)構(gòu),。如果沒(méi)有空余的連接槽,，函數(shù)返回空值。
2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制,。應(yīng)用程序可以通過(guò)函數(shù)uip_stop（）停止遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),。當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好接收更多數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)uip_restart（）通知遠(yuǎn)程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù),。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當(dāng)前連接是否停止,。
四 uIP在51系列單片機(jī)上的應(yīng)用
51系列單片機(jī)具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內(nèi)核的8位單片機(jī),，被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi),。因此使用uIP這種免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內(nèi)核的單片機(jī)構(gòu)建的低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問(wèn)題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的WEB SERVER,遠(yuǎn)端用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)在單片機(jī)系統(tǒng)上的WEB頁(yè)面,。
硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖（二）所示：其中單片機(jī)選用PHILIPS公司的P89C51RD2,64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲(chǔ)WEB頁(yè)面,。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過(guò)MAX232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行連接,，可以顯示調(diào)試信息,。
uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫(kù)的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序,。因此為了完成指定的功能,，開(kāi)發(fā)者必須添加以下幾個(gè)模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實(shí)現(xiàn),、系統(tǒng)定時(shí)器,。
RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化，包括設(shè)定網(wǎng)卡物理地址,，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等,；eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；eth_rcve（）函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收,。底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與uIP協(xié)議棧通過(guò)兩個(gè)全局變量進(jìn)行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址,；uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上,。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到uip_buf指定的緩沖區(qū)中,，同時(shí)修改uip_len的值。
uIP提供的源代碼中包括一個(gè)基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例,，該WEB SERVER通過(guò)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)靜態(tài)頁(yè)面,，同時(shí)具有CGI功能。用戶(hù)可以參照該示例以及uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層功能,。用戶(hù)的應(yīng)用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務(wù)程序,。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序?yàn)閔ttpd（）函數(shù)，則要進(jìn)行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd.
51系列單片機(jī)上都有2到3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器,，可以選擇其中的一個(gè)來(lái)為T(mén)CP/IP協(xié)議中與時(shí)間有關(guān)的事件定時(shí),。需要由用戶(hù)處理的定時(shí)事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準(zhǔn),，還要為ARP表項(xiàng)的更新定時(shí)。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次,，ARP表項(xiàng)每10秒更新一次,。
uIP的設(shè)置單獨(dú)包含在一個(gè)叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改,。用戶(hù)應(yīng)根據(jù)自己的應(yīng)用在uipopt.h文件里設(shè)置本地的物理地址,、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址,、收發(fā)緩沖區(qū)的大小,、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項(xiàng),。
添加了必須的模塊,，對(duì)uIP進(jìn)行了正確地配置后，需要編寫(xiě)主程序函數(shù),。針對(duì)基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應(yīng)用,，主程序在完成初始化后將不停的進(jìn)行查詢(xún)，如果有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input（）函數(shù)處理,；如果沒(méi)有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則處理定時(shí)事件,。框架代碼如下所示：
通過(guò)實(shí)際的代碼說(shuō)明uIP協(xié)議棧的主控制循環(huán),。
void main（void）
{
/*省略部分代碼*/
/*設(shè)置TCP超時(shí)處理時(shí)間和ARP老化時(shí)間*/
timer_set（&periodic_timer, CLOCK_CONF_SECOND / 2）,；
timer_set（&arp_timer, CLOCK_CONF_SECOND * 10）；
/*定時(shí)器初始化*/
init_Timer（）,；
/*協(xié)議棧初始化*/
uip_init（）,；
uip_arp_init（）；
/*應(yīng)用層初始化*/
example1_init（）,；
/*驅(qū)動(dòng)層初始化*/
etherdev_init（）,；
/*IP地址、網(wǎng)關(guān),、掩碼設(shè)置*/
uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,9）,；
uip_sethostaddr（ipaddr）；
uip_ipaddr（ipaddr, 192,168,1,16）,；
uip_setdraddr（ipaddr）；
uip_ipaddr（ipaddr, 255,255,255,0）,；
uip_setnetmask（ipaddr）,；
/*主循環(huán)*/
while（1）
{
/*從網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)*/
uip_len = etherdev_read（）；
/*假如存在數(shù)據(jù)則按協(xié)議處理*/
if（uip_len > 0）
{
/*收到的是IP數(shù)據(jù),，調(diào)用uip_input（）處理*/
if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））
{
uip_arp_ipin（）,；
uip_input（）,；
/*處理完成后，假如uip_buf中有數(shù)據(jù),，則調(diào)用etherdev_send 發(fā)送出往*/
if（uip_len > 0）
{
uip_arp_out（）,；
etherdev_send（）；
}
}
/*收到的是ARP數(shù)據(jù),，調(diào)用uip_arp_arpin（）處理*/
else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP）） {
uip_arp_arpin（）,；
if（uip_len > 0）
{
etherdev_send（）；
}
}
}
/*查看0.5S是否到了,，到了則調(diào)用uip_periodic處理TCP超時(shí)程序*/
else if（timer_expired（&periodic_timer））
{
timer_reset（&periodic_timer）,；
for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++）
{
uip_periodic（i）；
if（uip_len > 0）
{
uip_arp_out（）,；
etherdev_send（）,；
}
}
/*查看10S是否到了，到了則調(diào)用ARP處理程序*/
if（timer_expired（&arp_timer））
{
timer_reset（&arp_timer）,；
uip_arp_timer（）,；
}
}
}
return;
}
以上實(shí)例在keil C51編譯器下設(shè)置大模式，優(yōu)化等級(jí)6（速度優(yōu)先）進(jìn)行編譯,，對(duì)uIP代碼部分可以不做任何修改,，對(duì)HTTP示例代碼僅需針對(duì)類(lèi)型表達(dá)進(jìn)行極少量的修改即可編譯通過(guò)。在硬件平臺(tái)上運(yùn)行良好,。
五 總結(jié)
uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結(jié)構(gòu)化的代碼,，使其存儲(chǔ)器占用量很小并且可以很方便的應(yīng)用到不同的工程項(xiàng)目中。同時(shí)它又是免費(fèi)的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的,。uIP為低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入提供了很好的解決方案,，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。