维普资讯 http://www.cqvip.com 络化成为当今电子行业的热门话题。把ＭＣＵ与Ｉｎｔｅｍｅｔ互 联，具有巨大的市场要求。 目前，对于将ＭＣＵ和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联的方法还比较少见。 本文主要研究了一种基于ＭＣＵ的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，提出了 低端ＭＣＵ实现网络化的一种新方法，具有成本低、硬件少、 占用面积小、传输速度快、使用方便等优点。最后，在此基础 图２硬件模块设计图 上，设计并实现了基于ＭＣＵ的网络传输系统。 ２．网络传输系统的硬件设计 ２．２．１处理器模块 ２．１ ＭＣＵ介绍 处理器是整个系统的心脏，负责完成网卡芯片的驱动、 ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉ０微控制器，又称 片微型计 ＴＣＰ／ＩＰ协议的实现、数据的采集与控制、中断服务程序的执 算机，简称单片机，是将计算机的ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、定时器 行、串口数据的收发、数据的存储以及一些算法等。 和多种Ｉ／Ｏ接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。 系统选取Ｐ８９Ｃ５８作为处理器。该芯片是５１内核，Ｆｌａｓｈ ＭＣＵ按其存储器类型可分为ＭＡＳＫ（掩模）ＲＯＭ、ＯＴＰ 空间最多可以是３２ＫＢ，最高可以工作在３３ＭＨｚ，ＲＡＭ可扩 （一次性可编程）ＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ等类型，也可按其总线 展到６４Ｋ字节，全双工增强型ＵＡＲＴ，具有４个中断优先 位数分为：４位、８位、ｌ６位、３２位、６４位等类型。目前，随着 级，６个中断源，４个８位Ｉ／Ｏ口，另外带两个ＤＰＴＲｏ这些功 生产工艺和技术的进步，虽然３２位ＭＣＵ的发展势头非常 能有利于提高系统的效率及传输速度。 迅猛，但是从市场销售来看，８位ＭＣＵ的出货量占到了５５％ ２．２．２存储器模块 以上，仍是ＭＣＵ市场的主导产品。高集成度、多功能化、低成 系统采用存储容量达６４Ｋ的ＥＰＲＯＭ２７Ｃ５１２作为外接 本以及小体积是ＭＣＵ的发展趋势。现在的ＭＣＵ大都集 存储器作为数据缓冲区。其具体实现如下：系统处理器 成ＲＩＳＣ ＣＰＵ ＣＯＲＥ、ＡＤＣ／ＤＡＣ、ＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ、ＰＬＬ电路等 Ｐ８９Ｃ５８的Ｐ０口分别与７４ＬＳ３７３的输入引脚１０．Ｉ７相连， 丰富的可供用户使用的资源。 Ｐ８９Ｃ５８的Ｐ０口分别与２７Ｃ５１２的输出引脚ＤＯ．Ｄ７相连， ＭＣＵ功能模块如图１所示： Ｐ８９Ｃ５８的ＡＬＥ与７４ＬＳ３７３的Ｇ１相连，Ｐ８９Ｃ５８的Ｐ２口分 别与２７Ｃ５１２的输入引脚Ａ８．Ａ１５相连，Ｐ８９Ｃ５８的ＰＳＥＮ与 ２７Ｃ５１２的ＯＥ引脚相连，７４ＬＳ３７３的００．０７分别与２７Ｃ５１２的 输入引脚Ａ０－Ａ７相连，７４ＬＳ３７３的Ｇ２，２７Ｃ５１２的ＣＥ接地。 ２．２．３外部接口模块 系统的外部接口模块包括以太网接口模块、串行接口模 块两个部分。 （１）以太网接口模块设计 数据包要能够发送到网络上，能够从网络上接收到数据 图１ ＭＣＵ功能模块图 包，必须借助以太网控制器。 ２．２系统硬件设计 ＲＴＬ８０３９Ｃ芯片是一款应用广泛的１０Ｍ网络芯片，支持 基于ＭＣＵ的网络传输系统的硬件平台主要是由处理 以太网ＩＩ和１ＥＥＥ８０２．３１０Ｂａｓｅ５，１０Ｂａｓｅ２，１０ＢａｓｅＴ，并支持 作者简介：周哲，男，广东湛江人，助理工程师，研究方向：计算机通信相关的维护和管理。 维普资讯 http://www.cqvip.com 可编程输出的４．诊断ＬＥＤ。 系统将ＲＴＬ８０３９Ｃ的数据线ＳＤ０．ＳＤ７与Ｐ８９Ｃ５８处理 器的ＡＤＯ．ＡＤ７（Ｐ０口）相连。在驱动ＲＴＬ８０３９Ｃ的过程中，需 要控制它的３２个寄存器，硬件上只需要５根地址线。考虑到 地址的连续性，在设计中用ＳＡ［０…４１作为地址线与Ｐ８９Ｃ５８ 的Ａ０．Ａ４（Ｐ０口锁存后的信号）连接，ＡＤ１５经反相后与ＡＥＮ 相连，故ＲＴＬ８０３９Ｃ的寻址空间为０Ｘ８０００．０Ｘ８０１Ｆ。 ｆ２）串口通信模块设计 在该模块中，电平转换芯片采用ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片，该 模块的串口通过３线电缆与计算机的９阵串口连接，通信协 议为ＲＳ．２３２协议。单片机的ＴＸＤ，ＲＸＤ与ＭＡＸ２３２的 ＴＩＮ，Ｒ／ＯＵＴ管脚相连，ＭＡＸ２３２将发送的串行数据转换为 ＲＳ．２３２Ｃ标准的电平信号发送到发送端；反之ＭＡＸ２３２将 接收的ＲＳ．２３２Ｃ标准的电平信号转换为串行的数据传给单 片机，这样就完成了ＲＳ．２３２Ｃ接口通信功能。串行口的通信 方式采用８位异步通讯方式，波特率采用９６００ｂｐｓ。 ３．网络传输系统的软件设计 ＴＣＰ／ＩＰ协议实际上就是在物理网上的一组完整的网络 协议。ＴＣＰ／ＩＰ是一个四层协议，即由应用层（如Ｈｔｔｐ、ＦＴＰ）、 传输层（ＴＣＰ和ｕＤＰ）、网络层（ＩＰ、ＩＧＭＰ、ＩＣＭＰ）和链路层 （设备驱动程序和网卡等）组成。ＴＣＰ／ＩＰ协议的核心部分是 传输层协议（ＴＣＰ和ｕＤＰ）、网络层协议（ＩＰ）和物理接口层。 系统软件设计流程图如图３所示： 应用层 传输层 网络层 链路层 图３软件设计流程图 ３．１ 以太网卡驱动程序 网络接口层是ＴＣＰ／ＩＰ协议栈与以太网设备的驱动程序 之间的接口。它一方面将从网卡接收到的数据提交给上层 网络层协议软件处理；另一方面它将从网络层接收来的数 据传送给网卡驱动。接口函数介绍如下： （１）初始化函数 初始化函数ＩｎｉｔＮｉｃ（）负责实现网络接口层以及下层的 物理设备驱动程序的初始化。主要包括以太网控制器的上 电复位、ＭＡＣ地址的配置、收发缓冲环首尾地址的配置以及 ＤＭＡ的初始化和收发数据格式的定义等。 （２）发送函数 在发送数据时，网络接口层发送函数Ｓｅｎｄ ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｆｒａｍｅ（）负责接收ＩＰ协议产生的数据，将其封装成以太网数 据帧后，调用下层的Ｓｅｎｄ＿Ｐａｃｋｅｔ（）函数实现发送。 Ｓｅｎｄ Ｐａｃｋｅｔ（）函数实现的是把太网数据帧通过远程ＤＭＡ通 道送到ＲＴＬ８０３９Ｃ中的发送缓存区，然后再启动本地ＤＭＡ， 将数据发送网上。 网络技术 （３）接收函数 在接收数据时，网络接口层接收函数Ｒｅｃｅｔｈｅｒｎｅｔ—— Ｐａｃｋｅｄ ０被下层以太网驱动程序的数据接收函数Ｒｅｃ— Ｐａｃｋｅｄ（）调用。Ｒｅｃ ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｐａｃｋｅｄ（）的作用根据以太类型 值，调用不同的函数，同时去除以太帧的头部，将数据从ＮＩＣ 的数据缓冲区内发送到ＰＣ机的接收缓冲区内。Ｒｅｃ－＿Ｐａｃｋｅｄ （）函数通过读取ＲＴＬ８０３９Ｃ的当前寄存器ＣＵＲＲ（写寄存 器）和边界寄存器ＢＮＲＹ（读寄存器）的值来确定是否有新数 据的到来，若有新数据到来，则设置数据地址和数据长度，然 后启动远程ＤＭＡ将接收缓冲环中的以太网帧送交给上层。 ３．２ ＡＲＰ协议的实现 ＡＲＰ协议的职责是实现ＩＰ地址和物理地址的动态映 射。设计中没有实现ＡＲＰ高速缓存以及动态改变ＡＲＰ相关 参数，而是使用全局变量保存源、目的ｌＰ地址和源、目的物 理地址。简化后的协议的实现由以下４个函数来完成： Ａｒｐ Ｒｅｑｕｅｓｔ（）完成ＡＲＰ请求操作。ＡＲＰ协议要求程序 根据子网掩码削断请求解析的ＩＰ地址是否属于旧一子网， 如果在问‘ 内，ＡＲＰ请求目的物理地址，否则 求默认 网关ＭＡＣ地址。 Ａｒｐ Ａｎｓｗｅｒ（）完成将ＡＲＰ请求包的源地址和目的地址 的内容交换，填写源物理地址和并将操作类型改为ＡＲＰ应 答。 Ａｒｐ Ｐｒｏｃｅｓｓ（）对 ＡＲＰ 应答回来的信息进行处理，进行简单的ＡＲＰ更新，将解析得到的目的主机的物理地址存入 Ｐｉｎｇ＿Ｉｐ＿Ａｄｄｒｅｓｓ中，而将网关的物理地址存入ＧａｔｅｗａｙＩｐ＿＿ Ａｄｄｒｅｓｓ中。 ＧａｔｅｗａｙＡｒｐ＿＿Ｒｅｑｕｅｓｔ０定时对网关的ＩＰ地址进行解析。 ３．３ Ｐｉｎｇ的实现 经过简化的Ｐｉｎｇ能够完成最基本的连通测试功能。完 整Ｐｉｎｇ过程主要用以下４个函数实现： Ｐｉｎｇ Ｒｅｑｕｅｓｔ０完成Ｐｉｎｇ请求。当从串口输入Ｐｉｎｇ命令 ， 凋刖此函数，发出请求包。 ＰｉｎｇｎＡｓｗｅｒ０完成Ｐｉｎｇ应答。只要收到发给自己ＩＰ的 请求他就会自动应答。 Ｐｉｎｇ Ｅｃｈｏ（）显示应答信息。每当收到应答就立即显示相 天信息。 Ｐｒｏｓｓ＿Ｐｉｎｇ０负责对Ｐｉｎｇ数据包进行处理。主程序循环 中调用该函数，判断所Ｐｉｎｇ的ＩＰ地址是否已经解析。若已 经解析，则发出Ｐｉｎｇ＿Ｒｅｑｕｅｓｔ；否则需要先解析ＩＰ地址。 ３．４ ＩＰ协议的设计 网际协议ＩＰ是ＴＣＰ／ＩＰ协议族中最为核心的协议，它的 主要功能是负责把数据交付给主机，当目标主机与原主机处 于不同的物理网络中时，ＩＰ负责把数据包路由到相应的目 标网络上。Ｉｎｔｅｍｅｔ所有的数据都以ＩＰ数据包格式传输。ＩＰ 协议最大的特点是提供不可靠的和无连接的数据包传送服 务。简化后的协议主要由以下２个函数来完成： ＳｅｎｄＩｐ＿＿Ｆｒａｍｅ０负责发送ＩＰ数据。该子程序用来创建 一个发送数据包。当系统需要发送数据时，ＩＰ层以上的协议 将调用该子程序。 一５７— 维普资讯 http://www.cqvip.com
络荻术 Ｒｃｖｅ 负责接收 数据。该子程序检测一个Ｉｐ Ｆｒａｍｅ（） Ｔｃｐ Ｉｎｉｔｉａｌ（）完成初始化ＴＣＰ首部的各项信息。 Ｓｅｎｄ Ｒｅｓｅｔ（）是发送ＴＣＰ ＲＳＴ数据包，复位对方连接。 Ｄｅｌｅｔｅ Ｓｏｃｋｅ０完成撤销本地连接，并清空重发缓冲区。 Ｔｃｐ Ｌｉｓｔｅｎ（）使得ＴＣＰ处于监听状态，等待ｓｙｎ信号的到 来。 ＴｃｐＳｙｎＲｅｃ０从ＴｃｐＬｉｓｔｅｎ接收到ｓｙｎ后，即可进入该状 —外来的数据包，并对数据包作相应的处理。 ３．５ ＵＤＰ协议的设计 ＵＤＰ协议是一种简单的传输层协议，处于应用层和网 络层之间，是应用程序和网络操作的中介物。ＵＤＰ协议使用 端口号创建进程到进程的通信，不提供流控ＳＵ，只提供程度 很弱的差错控制。简化后的ＵＤＰ协议主要由以下３个函数 来完成。 Ｕｄｐ ｅｑｕｅｓｔ（）完成ｕｄｐ请求。当从串口输入ｕｄｐ命令 ＿＿态该状态可接收Ｔｃｐ Ｓｙｎ和ＴｃｐＡｃｋ或ＴｃｐＲｓｔ。 ＿＿ＴｃｐＳｙｎ＿＿Ｓｅｎｔ０用ＳｅｎｄＩｐＦｒａｍｅ函数，该函数自动为 ＿＿ＴＣＰ数据报生成 头，并发送数据包。 后，即调用此函数，发出请求包。 Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｕｄｐ Ｃｏｍｍａｎｄ（） 负责判断 地址是否解析，在Ｔｃｐ Ｃｌｏｓｅ Ｗａｉｔ（）完成ＴＣＰ等待关闭状态的处理。 Ｔｃｐ＿Ｌａｓｔ Ａｃｋ（）当接收到Ｔｃｐ ＲＳＴ，ＴｃｐＳｙｎ或ＴｅｐＡｅｋ ＿＿主程序中被定时调用。如果 地址已经解析则直接使用解 析得到的物理地址并调用ＵｄＰ ；如果ＩＰ地址未解Ｒｅｑｕｅｓｔ（） ．包文时，关闭连接。 ４．结束语 析，则调用函数Ａｒｐ Ｒｅｑｕｅｓｔ（） ，请求解析ＩＰ地址；如果ＵＤＰ 连接的主机是本机，则发出出错信息。 ｒｏｃｅｓｓＵ＠０是对Ｕｄｐ＿ＲｅｑｕｅｓＰｔ（）的处理，每当收到请 ＿本文主要研究了一种基于ＭＣＵ的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，提 出了低端ＭＣＵ实现网络化的一种新途径，具有成本低、硬 件少、占用面积小、传输速度快、使用方便等优点，使ＭＣＵ 可以利用网络进行相互通信。随着嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ设备实时 求就立即显示相关信息。在Ｕｄｐ Ｒｅｑｕｅｓｔ ０ 函数中调用了Ｓｅｎｄ ＩＤ Ｆｒａｍｅ ０函数，该函数自动为ＵＤＰ数据包生成ＩＰ 头，并发送数据包。 ３．６ ＴＣＰ协议的设计 性的不断提高，ＭＣＵ与ＴＣＰ／ＩＰ相结合的方法将会更广泛地 应用在家庭和工业的各个领域。 参考文献： ［１】李明，康静秋，贾智平．嵌入式ＴＣＰＨＰ协议栈的研究与开发 ［Ｊ１．计算机工程与应用，２００２，（１６）：１１６－１２１． ＴＣＰ协议是整个ＴＣＰ／ＩＰ协议的核心，也是传输层中最 复杂的协议。同时ＴＣＰ协议是一种可靠的传输层协议。应用 程序将数据流交给ＴＣＰ后就保证了数据流能按序地、无差 错地、也没有丢失或重复地到达另一端的应用程序。经过简 化的ＴＣＰ协议由以下函数组成： ＣｈｅｃｋＳｕｍ（）完成计算校验和把ＴＣＰ ｐｓｅｕｄｏ ｈｅａｄｅｒ、ＴＣＰ 头部和数据域按字相加，结果取反。 ［２］Ｄｏｕｇｌａｓ Ｅ Ｃｏｍｅｒ．用ＴＣＰ／ＩＰ进行网际互联，第（２）卷：设计、实 现与内核［Ｍ１．北京：电子工业出版社，２００１． ［３】丁峰，邵定宏，Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ和ＡＳＰ．ＮＥＴ在ＧＩＳ中的应用探讨 Ⅲ．微计算机信息，２００５，（１）：１６２－１６３． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ Ｚｈｏｕ Ｚｈｅ （Ｚｈａｎｊｉａｎｇ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｈｕｂ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ ５２４００５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ） 【 ｂ棚】 ＭＣＵ ｉｓ ａ ｎｏｒｍａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ＩＣ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｎｄ ａｎｅｔｗｏｒｋ，ＭＣＵ ｉｓ ｍｏｒｅ ｎｄ ａｍｏｒｅ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＣＵ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｗｉｔｈ ｗｈｉｃｈ ｗｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ／ｍｐｌｅｍｅｎｔ ａ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ． 【 巧ｒ＇喇 】ｎｅｗｏｒｔｋｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ＭＣＵ：ｌｎｔｅｒｎｅｔ