天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院 胥寶萍

1.單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信的基本原理

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，人們的生活越來越依賴于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，從電氣設(shè)備使用的角度，對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的連接。很多信息家電、儀表等對網(wǎng)絡(luò)的需求也日益明顯，單片機(jī)應(yīng)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢。從原理上講，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的連接，需要遵循TCP/IP協(xié)議，將單片機(jī)接入英特網(wǎng)，起到單片機(jī)與外界信息交流的作用。從技術(shù)細(xì)節(jié)上看，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)手段是在電子設(shè)備中嵌入TCP/IP協(xié)議，利用內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)接口芯片以及微控制器，來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

2.單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在市場上的電器所嵌入的微處理器一般都是8位，因此本文從適應(yīng)性廣泛的角度出發(fā)，在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)以8位單片機(jī)為基礎(chǔ)。從硬件之間的關(guān)系上看，單片機(jī)的內(nèi)嵌微處理器要以TCP/IP協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議為基礎(chǔ)，并且要借助以太網(wǎng)接口芯片和其他電子元件。以太網(wǎng)接口芯片則負(fù)責(zé)處理本身實(shí)現(xiàn)了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過數(shù)據(jù)接口（如RJ45型接口）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。由此可以得出單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)通信的硬件組成和流程結(jié)構(gòu)為：單片機(jī)→以太網(wǎng)接口芯片→數(shù)據(jù)接口→集線器→網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，箭頭的流程順序也可以反過來，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2 硬件選型

(1)單片機(jī)選型

為了提高單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的效率，應(yīng)當(dāng)選用性能更為優(yōu)良的高性能單片機(jī)，如AT90系列、W78E系列、P89C51系列等，本文所選用的的單片機(jī)型號(hào)為Winbond公司生產(chǎn)的W78E16B型單片機(jī)。

(2)網(wǎng)絡(luò)接口芯片選型

以太網(wǎng)控制器是網(wǎng)絡(luò)接口的核心部件，在單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的作用是實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)的連通。以太網(wǎng)控制器之間的差異主要體現(xiàn)在集成度上，有的以太網(wǎng)控制器既集成了MAC層和物理層接口，而有的以太網(wǎng)控制器只具備物理層接口。具體選用那種類型的以太網(wǎng)控制器取決于設(shè)計(jì)時(shí)的具體需要，一般選用對物理層和MAC層都集成的芯片。本文中所采用的以太網(wǎng)控制芯片型號(hào)為Realtek公司生產(chǎn)的的RTL8019AS，該款芯片的集成度較高，具有全雙工通信接口，可以支持對PNP的自動(dòng)探測功能。

3.單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用除了對硬件方面有要求外，軟件方面同樣有相應(yīng)的要求，主要體現(xiàn)對如何讓單片機(jī)應(yīng)用TCP/IP協(xié)議。從原理上講，在采用OSI七層參考模型時(shí)，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議由以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS來實(shí)現(xiàn)。而系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層面既要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議也要實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議，這兩類協(xié)議所負(fù)責(zé)的內(nèi)容有所不同，由于所采用系統(tǒng)的不同而工作重點(diǎn)也有差異。在本文中是以web server為背景，對數(shù)據(jù)的可靠性要求較高，因此重點(diǎn)是處理TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)問題。由于單片機(jī)本身容量和處理能力有限，需要對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行必要的簡化。結(jié)合本文的具體情況，以以太網(wǎng)控制芯片為出發(fā)點(diǎn)的系統(tǒng)協(xié)議分為兩個(gè)分支：(1)以太網(wǎng)控制芯片（RTL8019AS）→IP→TCP(UDP)→HTTP；(2)太網(wǎng)控制芯片（RTL8019AS）→ICMP→ping。web server的應(yīng)用流程相對較為復(fù)雜，可參照有關(guān)文獻(xiàn)，在此不再贅述。

3.2 RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

前文已經(jīng)對以太網(wǎng)的接口芯片進(jìn)行選型，為RTL8019AS。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要以該款芯片的具體構(gòu)造為基礎(chǔ)來進(jìn)行。RTL8019AS的SRAM為16KB，并可分為64個(gè)存儲(chǔ)頁面。在對SRAM進(jìn)行初始化時(shí)，需要處理接受數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包兩個(gè)部分，先分別進(jìn)行討論。SRAM的初始化是比較復(fù)雜的過程，初始化的內(nèi)容包括：(1)復(fù)位寄存器的初始化；(2)配置寄存器的初始化；(3)接收緩沖區(qū)的初始化；(4)接收緩沖區(qū)邊界寄存器的初始化；(5)接收緩沖區(qū)當(dāng)前頁面寄存器的初始化；(6)發(fā)送緩沖區(qū)的初始化；(7)接收配置寄存器的初始化；(8)發(fā)送配置寄存器的初始化；(9)數(shù)據(jù)配置寄存器的初始化；(10)設(shè)置以太網(wǎng)接口的物理地址。以上各個(gè)部分都需要做處理，具體的操作代碼較為繁雜，不在此詳述，可參照有關(guān)文獻(xiàn)。

4.TCP/IP協(xié)議的簡化

TCP/IP協(xié)議是一組完整的協(xié)議族，協(xié)議中各層分別為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。由于單片機(jī)的資源有限，要在8位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，就必須做一定的簡化，否則在嵌入式系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)。在本文中根據(jù)web server應(yīng)用的特點(diǎn)，對TCP/IP協(xié)議簡化后各層的要實(shí)現(xiàn)的協(xié)議分別為：(1)應(yīng)用層HTTP協(xié)議；(2)傳輸層TCP協(xié)議和UDP協(xié)議；(3)網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議、ARP協(xié)議和ICMP協(xié)議。本文在編寫協(xié)議時(shí)在單片機(jī)keil編譯器上進(jìn)行。

5.單片機(jī)web server的實(shí)現(xiàn)途徑探討

在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的主流是Internet，但I(xiàn)nternet網(wǎng)絡(luò)是主要針對具有較高處理性能32以上的微處理器而設(shè)計(jì)的，因此要以8位單片機(jī)來是實(shí)現(xiàn)web server的應(yīng)用是有困難的。但從目前智能家電的普及和嵌入式單片機(jī)性能的提高，基于單片機(jī)的web server應(yīng)用已經(jīng)成為研究的方向之一，本節(jié)將就此進(jìn)行初步的探討。

單片機(jī)的web server實(shí)現(xiàn)原理為在單片機(jī)EEPROM中存儲(chǔ)網(wǎng)頁信息，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通過Internet來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端的訪問，在經(jīng)過解析后發(fā)送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，并以瀏覽器的形式展示網(wǎng)頁內(nèi)容。在細(xì)節(jié)上需要處理以下兩個(gè)方面的內(nèi)容一是HTTP協(xié)議，二是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是以數(shù)據(jù)包的處理為基礎(chǔ)的，即系統(tǒng)需要處理有客戶機(jī)發(fā)送的含HTTP請求的數(shù)據(jù)包，通過對數(shù)據(jù)請求內(nèi)容的判斷來做系統(tǒng)處理。其步驟為：(1)通過端口接受和存儲(chǔ)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)包；(2)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析；(3)以數(shù)據(jù)解析結(jié)果為基礎(chǔ)，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)區(qū)并打包，并向客戶機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包；(4)一次數(shù)據(jù)接受和發(fā)送后關(guān)閉連接，等待下一次數(shù)據(jù)請求。

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制模式取決于對數(shù)據(jù)包的解析要求，以及所提供的服務(wù)內(nèi)容。不同的功能設(shè)定會(huì)有不同的系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制模式，通過編寫具體的控制程序可以實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)內(nèi)容。顯然，系統(tǒng)能夠提供的服務(wù)內(nèi)容會(huì)受到系統(tǒng)資源的限制，這也是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)web server應(yīng)用的最大瓶頸所在。但隨著單片機(jī)性能的提高，系統(tǒng)能夠提供的服務(wù)內(nèi)容將越來越多，因此是值得深入研究的一個(gè)方向。

6.結(jié)語

本文的研究內(nèi)容為單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間通信的實(shí)施方案，并給出了一種可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在硬件選型上采用較為主流的以太網(wǎng)芯片和8位單片機(jī)，在對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行必要的簡化后實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信。最后探討了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式web server應(yīng)用的途徑。在未來的研究中，需要深入研究的問題是實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信后安全問題。因?yàn)閱纹瑱C(jī)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)的原理并不復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程惡意控制的技術(shù)難度也不大。這是目前單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一個(gè)大問題，是值得深入研究的。

[1]Realtek Semiconductor CO.LTD.Realtek Full-Duplex Ethernet Controller with Plug and Play function,2005.

[2]王峰等.嵌入式internet技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010(12).