一 引言
　　近幾年來,，人們對連接各種裝置到一個現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)上產(chǎn)生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網(wǎng)通訊,，一個可實(shí)現(xiàn)的TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧是必須的,。對于由32位嵌入式處理器構(gòu)建的中、高端網(wǎng)絡(luò)接入嵌入式系統(tǒng)中，通常會運(yùn)行一個集成有TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng),。但是對于由8位和16位低端處理器構(gòu)建的系統(tǒng),，由于其所具有的處理能力和資源十分有限，通常不運(yùn)行操作系統(tǒng),，這就要求系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)應(yīng)用的要求以及所選用的處理器的實(shí)際情況構(gòu)建自己的TCP/IP協(xié)議棧,。而TCP/IP協(xié)議的透明性掩蓋了其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，從無到有構(gòu)建一個協(xié)議棧是一件艱巨的任務(wù),，并且缺少有效的調(diào)試工具,。uIP TCP/IP協(xié)議棧是使用于低端8位或16位微處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)的一個可實(shí)現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以自由分發(fā)和使用于商業(yè)和非商業(yè)目的,。uIP使用C語言編寫,，使其方便于移植。并且uIP協(xié)議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小,，這就使得它可以方便的應(yīng)用到各種低端系統(tǒng)上,。本文將簡要描述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)" title="系列單片機(jī)">系列單片機(jī)上,。
二 uIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法簡述
　　uIP實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(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)時采用有針對性的方法,，保持代碼大小和存儲器使用量最小,。
　　1 實(shí)現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時為了節(jié)省存儲器，ARP應(yīng)答包直接覆蓋ARP請求包,。
　　2 實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時對原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡化,，它沒有實(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,，只實(shí)現(xiàn)echo（回響）服務(wù),。uIP在生成回響報(bào)文時并不重新分配存儲器空間，而是直接修改echo請求報(bào)文來生成回響報(bào)文,。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型,，重新計(jì)算校驗(yàn)和修改校驗(yàn)和字段。
　　4 uIP里的TCP沒有實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口,。每個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，遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址,，重發(fā)時間值,，上一段重發(fā)的編號,，和連接的段的最大尺寸等信息。一個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連接的最大數(shù)量,。為了減少儲存器的使用量，在處理重發(fā)時uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包,，而是由應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序在需要重發(fā)時重新生成發(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)時將底層硬件驅(qū)動和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集“打包“在一個“庫“里,。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應(yīng)用“通信“,。通過這種方式，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)議平臺無關(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" title="設(shè)備驅(qū)動">設(shè)備驅(qū)動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類,。
　　1.1 uIP與設(shè)備驅(qū)動接口
　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf,、uip_len來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動的接口。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)長度,，通過判斷uip_len的值是否為0來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)動接收到一個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)動發(fā)送數(shù)據(jù)包,。
　　1.2 uIP與系統(tǒng)計(jì)時接口
　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時事件" title="定時事件">定時事件，例如包重發(fā),、ARP表項(xiàng)更新,。系統(tǒng)計(jì)時用于為所有uIP內(nèi)部時鐘事件計(jì)時。當(dāng)周期計(jì)時激發(fā),，每一個TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）,。TCP連接編號作為參數(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)議對于構(gòu)建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的,，但對于構(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)議作為一個可添加的模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn),。因此，ARP表項(xiàng)的定時更新要單獨(dú)處理,。系統(tǒng)定時器對ARP表的更新進(jìn)行定時,，定時時間到則調(diào)用uip_arp_timer（）函數(shù)對過期表項(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)的模塊由用戶實(shí)現(xiàn),，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用,。用戶需將應(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)用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù),。uip_send（）函數(shù)采用兩個參數(shù);一個指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個指明數(shù)據(jù)的長度,。
　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(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)用程序通過調(diào)用uip_close（）函數(shù)關(guān)閉當(dāng)前連接,。
　　2.5 報(bào)告錯誤接口：uIP提供錯誤報(bào)告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯誤,。應(yīng)用程序可以使用兩個測試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯誤情況。
　　2.6 輪詢接口：當(dāng)連接空閑時,，uIP會周期性地輪詢應(yīng)用程序,，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應(yīng)用程序使用測試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過,。
　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個監(jiān)聽知名TCP端口的列表,。通過uip_listen（）函數(shù)，一個新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中,。當(dāng)在一個監(jiān)聽端口上接收到一個新的連接請求時,，uIP產(chǎn)生一個新的連接和調(diào)用該端口對應(yīng)的應(yīng)用程序,。
　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個新連接。這個函數(shù)打開一個新連接到指定的IP地址和端口,，返回一個新連接的指針到uip_conn結(jié)構(gòu),。如果沒有空余的連接槽，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)簡單的WEB SERVER,，遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機(jī)系統(tǒng)上的WEB頁面。


　　硬件平臺結(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WEB頁面,。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)庫的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層應(yīng)用程序,。因此為了完成指定的功能,，開發(fā)者必須添加以下幾個模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動、應(yīng)用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實(shí)現(xiàn),、系統(tǒng)定時器。
　　RTL8019AS的驅(qū)動主要包括三部分：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)動程序與uIP協(xié)議棧通過兩個全局變量進(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)長度,。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(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)存儲到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值,。
　　uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例,，該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲器中存儲靜態(tài)頁面，同時具有CGI功能,。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)說明實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層功能,。用戶的應(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個定時計(jì)數(shù)器,，可以選擇其中的一個來為TCP/IP協(xié)議中與時間有關(guān)的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括：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,。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)包含在一個叫uipopt.h的頭文件里,，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應(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uIP進(jìn)行了正確地配置后,，需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網(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,，如果有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input（）函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則處理定時事件?？蚣艽a如下所示：
　　void main（void） //主程序開始
　?。?…… //省略部分代碼
　　timer0_init（）; //定時器初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　serial_init（）; //串口初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　init_8019（）; //網(wǎng)卡芯片初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　uip_init（）; //uIP協(xié)議棧初始化函數(shù)由uIP協(xié)議棧提供
　　httpd_init（）; //HTTP應(yīng)用程序初始化函數(shù)由WEB SERVER示例程序提供
　　uip_arp_init（）;//ARP協(xié)議初始化函數(shù)由ARP模塊提供
　　while（1）
　　｛ uip_len = eth_rcve（）; //查詢網(wǎng)卡是否有數(shù)據(jù)到來
　　if（uip_len == 0） //如果沒有數(shù)據(jù)到來則處理定時事件
　?。?if（0.5秒定時時間到）
　?。?for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS為TCP連接數(shù)
　　｛ uip_periodic（i）; //處理每一個TCP連接
　　if（uip_len > 0） //說明本連接有數(shù)據(jù)要發(fā)送或重發(fā)
　?。?uip_arp_out（）; //由ARP處理部分添加以太網(wǎng)幀頭
　　eth_send（）; //由網(wǎng)卡驅(qū)動程序發(fā)送
　?。?br /> 　　｝//對應(yīng)于：for（）
　?。?/ 對應(yīng)于：if（0.5秒定時時間到）
　　if（ARP表項(xiàng)更新時間到）
　　uip_arp_timer（）; //進(jìn)行ARP表項(xiàng)更新
　?。齟lse if（uip_len > 0） //說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　　｛ if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP數(shù)據(jù)包
　?。?uip_arp_ipin（）; //送ARP模塊進(jìn)行表項(xiàng)更新
　　uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太網(wǎng)幀頭
　　uip_input（）; //送uip_input（）進(jìn)行處理
　　if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不為零說明有數(shù)據(jù)要回送
　?。?uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太網(wǎng)幀頭
　　eth_send（）; //送交網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送
　　｝//對應(yīng)于：if（）收到IP數(shù)據(jù)包
　　｝else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包
　?。?uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）處理,，如果為應(yīng)答包則進(jìn)行表項(xiàng)
　　//更新
　　//如果為請求包，則構(gòu)造應(yīng)答數(shù)據(jù)包
　　if（uip_len > 0） //說明收到的是ARP請求包,，需要回送ARP應(yīng)答包
　　eth_send（）; //送網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送
　?。?/對應(yīng)于：else if（）收到ARP數(shù)據(jù)包
　　｝//對應(yīng)于：else if（） 說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　?。?br /> 　　以上實(shí)例在keil C51編譯器下設(shè)置大模式,，優(yōu)化等級6（速度優(yōu)先）進(jìn)行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改,，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達(dá)進(jìn)行極少量的修改即可編譯通過,。在硬件平臺上運(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)用價值,。
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