基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術(shù)

3.2 uIP 的體系結(jié)構(gòu)

uIP 協(xié)議根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要，去掉了TCP/IP協(xié)議中許多不常用的功能，保留網(wǎng)絡(luò)通信中所需要的ARP(可選)、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等最核心的部分。協(xié)議全部用C 語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節(jié)，使用的RAM 只需要360字節(jié)。其應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口非常簡單。

uIP 協(xié)議將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP 和TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，而將UDP 和ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。uIP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 uIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。

3.3 uIP 的底層設(shè)備驅(qū)動接口和應(yīng)用程序接口

uIP 是一個僅包含三層網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP 自身不包含任何類型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型，在uIP 中自行實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。對本例來說，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是RTL8019AS 網(wǎng)卡，因此需要在uIP 中實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS 網(wǎng)卡的驅(qū)動。如果用戶需要在Internet 上通過http 協(xié)議瀏覽和獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還必須在uIP 上實(shí)現(xiàn)基于HTTP 協(xié)議的WEB 應(yīng)用服務(wù)。

RTL8019AS 網(wǎng)卡驅(qū)動首先是對網(wǎng)卡芯片的上電初始化，通過函數(shù)init_8019as()進(jìn)行，用于設(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。其次是發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)eth_send()和接收數(shù)據(jù)函數(shù)eth_rcve()。

而uIP 協(xié)議棧則通過內(nèi)核中的uip_input()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動，該函數(shù)是uIP 協(xié)議的底層設(shè)備入口。它包含兩個全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數(shù)據(jù)包，后者表示接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度。uip_input()函數(shù)處理從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動發(fā)送來的IP 包。處理結(jié)束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送。不為0 則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序eth_send()函數(shù)來將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)存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區(qū)中，系統(tǒng)調(diào)用uip_input()函數(shù)，并在需要時調(diào)用應(yīng)用程序。

uip_periodic()可以理解為是一個周期時鐘函數(shù)，通常每一秒執(zhí)行一次，單片機(jī)用它周期性地輪詢各連接。因?yàn)閡IP 協(xié)議要處理許多定時事件，例如包重發(fā)、ARP 表項(xiàng)更新。當(dāng)周期計(jì)時激發(fā)，每一個TCP 連接調(diào)用uip_periodic()，其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)。當(dāng)uip_periodic()函數(shù)返回后，會檢查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)送到網(wǎng)絡(luò)上。

uIP 協(xié)議的應(yīng)用程序接口用于實(shí)現(xiàn)web 之類的應(yīng)用服務(wù)。uIP 定義了一個宏UIP_APPCALL()作為該接口，供用戶使用。當(dāng)用戶要編程實(shí)現(xiàn)某應(yīng)用服務(wù)時，只需要將宏UIP_APPCALL()定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名。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()。不同的連接則通過判斷當(dāng)前連接的端口號來確定。同時uIP 還提供一些應(yīng)用程序接口函數(shù)供用戶編程時使用。常用的uIP 應(yīng)用程序接口函數(shù)有：關(guān)閉連接接口函數(shù)uip_close();輪詢接口函數(shù)uip_poll();打開連接接口函數(shù)uip_connect()等。通過調(diào)用不同的應(yīng)用程序接口函數(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4 單片機(jī)主程序的設(shè)計(jì)

完成了底層設(shè)備驅(qū)動模塊和應(yīng)用服務(wù)程序模塊的添加以及對uIP 進(jìn)行了正確配置之后，軟件編寫的主體部分是單片機(jī)主程序函數(shù)。主程序視用戶需要達(dá)到何種功能而定。對于本例通過以太網(wǎng)卡接入到Internet實(shí)現(xiàn)WEB 應(yīng)用服務(wù)來說，單片機(jī)主程序首先啟動初始化工作，包括定時器初始化、網(wǎng)卡芯片初始化、UIP 協(xié)議棧初始化、用戶應(yīng)用程序初始化等等[5]。在完成初始化之后，主程序?qū)⒉煌５倪M(jìn)行查詢，如果網(wǎng)卡上有新的IP 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)則由uip_priodic()函數(shù)處理定時事件。由于uIP 協(xié)議棧采用C 語言編寫，所以為了方便單片機(jī)主程序與uIP 協(xié)議交互，單片機(jī)主程序也采用C 語言作為開發(fā)語言。下面是單片機(jī)主程序的部分設(shè)計(jì)代碼。

TCP/IP 協(xié)議棧的鏈路層部分由網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS 完成，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)來處理。

應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成，也可以由單片機(jī)轉(zhuǎn)給用戶或終端設(shè)備完成。除了WEB 服務(wù)之外，其它應(yīng)用層服務(wù)像SMTP 協(xié)議支持功能也可以根據(jù)需要編寫相應(yīng)的代碼。

5 系統(tǒng)測試

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，我們?yōu)槭袇^(qū)中心停車場設(shè)計(jì)了一個停車監(jiān)測管理系統(tǒng)。由于市區(qū)中心停車場業(yè)務(wù)量非常繁忙，車位經(jīng)常飽和，不僅管理人員而且客戶經(jīng)常需要實(shí)時掌握該停車場的停車位空閑信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端通過傳感器監(jiān)測各停車位的空閑狀態(tài)。并及時將信息反饋到單片機(jī)，反饋的信息包括停車位空閑狀態(tài)，停車起始時間和時長等。據(jù)此監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算整個停車場空閑停車位的個數(shù)，并將信息返回到客戶端，同時以公告信息形式顯示在停車場出入口的LED 顯示屏上。方便客戶作出決策。根據(jù)停車時長計(jì)算的計(jì)費(fèi)信息也可以顯示在客戶端上。結(jié)合上述要求，我們在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個嵌入式Web服務(wù)器。Http 網(wǎng)頁能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接等應(yīng)用，并且能夠動態(tài)實(shí)時地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。客戶端使用最常用的Windows 操作系統(tǒng)和Internet Explorer 瀏覽器，客戶端不需要安裝其它特殊的服務(wù)程序。系統(tǒng)僅設(shè)置為最多4 個并發(fā)客戶端訪問單片機(jī)Web 服務(wù)器。圖4 是訪問單片機(jī)Web服務(wù)器的結(jié)果。

圖4 客戶端訪問單片機(jī)Web 服務(wù)器。