李 海

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院,江蘇蘇州,215009）

單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計及其實現(xiàn)路徑

李 海

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院,江蘇蘇州,215009）

信息技術的快速發(fā)展，為嵌入式網(wǎng)絡實際應用范圍的擴大帶來了重要的保障作用。因此，本文通過對硬件平臺的設計分析，對獲取的可靠的單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議棧及其實現(xiàn)路徑，為實際問題的有效處理帶來了必要的參考信息。這種系統(tǒng)運行中最大的特點是工作效率高、運行成本低，具有一定的市場應用前景。

單片機；嵌入式網(wǎng)絡；TCP/IP；協(xié)議棧；路徑

計算機網(wǎng)絡服務功能的不斷完善，對嵌入式系統(tǒng)工作過程中的性能可靠性提出了更高的要求，需要技術人員采取有效的設計方法，制定出可靠的嵌入式系統(tǒng)接入方式，增強實際問題的處理效果。實現(xiàn)這樣的發(fā)展目標，應選擇TCP/IP協(xié)議加處理機的方式，完善嵌入式系統(tǒng)運行時的服務功能。結合現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)運行的實際發(fā)展現(xiàn)狀可知，選擇可靠的接入方式有利于減少開發(fā)成本，優(yōu)化其中的電路設計。文中通過對單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的有效設計及路徑實現(xiàn)的深入分析，為嵌入式系統(tǒng)的正常運行提供了可靠的保障，促使系統(tǒng)能夠處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

1 單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的硬件設計

1.1 選擇性能可靠的芯片

為了使單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計能夠達到預期的效果，需要加強其中的硬件設計，增強不同硬件結構的組成合理性。硬件設計中主要是由可靠的控制芯片、處理機及RJ45組成的。這些不同結構組成部分實際作用的充分發(fā)揮，有利于完善嵌入式系統(tǒng)的服務功能。

作為硬件設計中的重要組成部分，處理機選擇過程中應采用Atmegal16單片機。這種單片機實際應用中具體適用范圍廣、抗干擾性能優(yōu)越的特點，可以滿足單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧硬件設計的實際需求。當Atmegal16用作控制器件時，其主要的特點體現(xiàn)在這些方面：（1）具有同步讀寫的功能，適用于16k字節(jié)的系統(tǒng)；（2）有著豐富的I/O接口，包含了一定數(shù)量的寄存器；（3）為了滿足芯片調(diào)試及編程的需求，可以使用邊界掃描過程中的JTAG接口，間接地優(yōu)化了芯片的服務功能；（4）硬件設計中所需的看門狗定時器，可以用芯片內(nèi)的振蕩器取代。

1.2 不同硬件結構的相互連接

在可靠的總線模式作業(yè)下，可以用地址復用與非復用的方式優(yōu)化硬件結構設計。其中，由于硬件設計中主要涉及的是CP2200芯片，因此，硬件結構連接中需要將這種芯片的MOTEN引腳按照合理的方式接地，為整個硬件結構的正常工作提供可靠地保障。在Intel總線支持下CP2200芯片處于正常的工作狀態(tài)時，應采用地址/數(shù)據(jù)非復用的工作方式，主要在于這種工作方式能夠保證所有數(shù)據(jù)高效地傳輸，提高系統(tǒng)資源的利用效率。硬件結構連接中某些引腳選用跳線的連接方式時，應注重其中的MUXEN引腳的設計合理性，促使系統(tǒng)能夠在地址/數(shù)據(jù)復用方式的支持下對I/O接口進行有效地利用。

Atmega16的PD1口與CP2200的片選信號引腳相連,實現(xiàn)片選功能;PD2口與CP2200中斷信號引腳相連,用于讀取硬件中斷信號。Atmega16的PA0-PA7口分別與CP2200的D0-D7口相連,作為數(shù)據(jù)線；Atmega16的PB0-PB7口分別與CP2200的A0-A7相連,作為地址線。Atmega16的PD4、PD3口分別與CP2200的/RD、/WR引腳相連,實現(xiàn)讀/寫選通控制。CP2200通過與RJ45相連實現(xiàn)以太網(wǎng)接入。

1.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器實質(zhì)上是單片機，主要的作用在于將整個計算機系統(tǒng)的信息按照合理的方式集中在一塊智能化芯片上，為各種復雜問題的有效處理帶來了重要的保障作用。單片機在實際的應用中有著很多的衍生產(chǎn)品，主要是為了滿足不同的應用需求。不同的單片機使用中在存儲器及外設的配置方面有著很大的區(qū)別，一定程度上保證了產(chǎn)品與實際應用需求的匹配效果，促使整個單片機的使用成本可以控制在合理的范圍內(nèi)。結合單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計的具體要求，選擇可靠的微控制器，相比嵌入式微處理器有著很多的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：（1）實現(xiàn)了控制器的單片化；（2）減少了使用中的占地面積，其體積相對較??；（3）在降低開發(fā)成本的同時增強了單片機的可靠性?，F(xiàn)階段微控制器廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中，在優(yōu)化控制系統(tǒng)服務功能方面取得了重要的保障作用。根據(jù)單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧及各種數(shù)據(jù)轉發(fā)的要求，選擇低能耗、高性能的AT89C52微控制器，可以滿足系統(tǒng)設計的多樣化需求。

2 單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計的相關協(xié)議

2.1 地址解析協(xié)議ARP

在單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計方案確定的過程中，由于IP地址無法滿足通信的具體要求，而網(wǎng)絡層中的各種數(shù)據(jù)在傳送的過程中不僅需要通過主機，也需要經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層進行必要地轉變，最終傳送給計算機網(wǎng)絡，因此，在數(shù)據(jù)鏈路層上傳送數(shù)據(jù)的過程中也需要合理運用硬件地址。

結合單片機的嵌入式系統(tǒng)運行的特點，可知系統(tǒng)在工作的過程中是被動連接的。但是，當遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行時，主要采用的是主動連接的方式。因此，需要在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口控制器處做出必要的聲明，確保不同信息的正常傳遞。聲明中由于涉及了ARP請求，因此，必須對ARP協(xié)議有著必要地了解。在該系統(tǒng)涉及的過程中，ARP協(xié)議的主要功能是：（1）當系統(tǒng)處于初始化的工作模式時，結合自身的需求發(fā)送ARP請求；（2）通過對ARP請求內(nèi)容的分析進行必要地處理，不符合實際要求的ARP請求包應及時地舍棄；（3）對IP地址以外的地址進行解析。

2.2 IP協(xié)議

結合TCP/IP參考模型的特點，可知IP協(xié)議主要存在于該模型的網(wǎng)絡層。在IP協(xié)議的支持下，數(shù)據(jù)包可以按照合理的方式在不同的主機上進行實時地傳遞。這種協(xié)議使用中的主要功能為：（1）不需要連接，傳遞服務的可靠性一般；（2）能夠對不同的數(shù)據(jù)包進行分段與重組；（3）具有路由器的相關功能。

2.3 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP

通過對TCP/IP協(xié)議的深入分析，可知這種協(xié)議使用中包含了兩個傳輸層協(xié)議：TCP/IP協(xié)議與UDP協(xié)議，前者是傳輸控制協(xié)議，后者是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。

UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議：進程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP 數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報。UDP不提供可靠性：它把應用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達目的地。對于本系統(tǒng)而言，傳輸數(shù)據(jù)量不大的二進制狀態(tài)信息，UDP協(xié)議已經(jīng)足夠，但UDP的實現(xiàn)要比TCP簡單的多。相比之下，選擇 UDP 協(xié)議對于本次設計更為合理，與此同時，通過對遠程監(jiān)控計算機的合理編程，也可以增加通信的可靠性。

3 單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)路徑

在單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的過程中，需要確定具體的TCP/IP協(xié)議棧方案。優(yōu)化這種協(xié)議棧方案，需要對單片機及嵌入式系統(tǒng)的功能有著必要地了解。對于單片機，其代碼空間有限，工作過程中對于完整性協(xié)議的要求不高，只需要對單片機中的部分結構設置相關的協(xié)議。常用的TCP/UDP、IP、ARP等協(xié)議在單片機工作過程中應用較多。同時，為了保證數(shù)據(jù)的正常采集及傳輸，需要對TCP/IP協(xié)議進行更多地了解。

在本系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的過程中，主要是通過多媒體中央控制系統(tǒng)完成相關的操作。這種系統(tǒng)工作時的主要特征是：按照合理的方式將系統(tǒng)的不同結構進行有效地連接，并通過接收遠程監(jiān)控系統(tǒng)各種命令的作用，對投影機、電動窗簾等進行實時地控制，促使這些設備能夠處于正常的工作狀態(tài)。與此同時，該系統(tǒng)運行中涉及的ARP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP協(xié)議等，可以為TCP/IP協(xié)議棧完成相關的操作提供可靠地保障。在對系統(tǒng)中傳輸層協(xié)議選擇的過程中，由于TCP協(xié)議使用中可能會增加系統(tǒng)負擔，因此，在數(shù)據(jù)量相對較小的嵌入式系統(tǒng)中應放棄面向連接的TCP。

單片機的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)的過程中體系結構的主要內(nèi)容包括：（1）在數(shù)據(jù)鏈路層上引入以太網(wǎng)協(xié)議；（2）在網(wǎng)絡層上引入ARP協(xié)議、IP協(xié)議及ARP協(xié)議；（3）將UDP協(xié)議置于傳輸層上；（4）應用程序加載于應用層。當單片機的嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧體系結構設置完成后，為了對整個設計流程的合理性進行綜合評估，可以通過遠程控制系統(tǒng)進行必要地測試。測試的內(nèi)容主要包括：（1）結合遠程控制系統(tǒng)實時控制的要求，選擇可靠的UDP協(xié)議；（2）為了保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量，不宜采用TCP協(xié)議；（3）系統(tǒng)運行中通信質(zhì)量要求較高時，應充分發(fā)揮應用層上應用程序的實際作用；（4）將以太網(wǎng)與遠程控制系統(tǒng)按照合理的方式進行有效結合，并在可靠的控制芯片作用下利用LED燈進行實時的遠程控制。

4 結束語

加強對單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設計及其實現(xiàn)路徑的深入分析，有利于減少系統(tǒng)的開發(fā)成本，優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的服務功能，一定程度上擴大了系統(tǒng)的實際應用范圍。在具體的設計過程中，應加強對TCP/IP協(xié)議棧的全面認識，靈活運用不同的設計方法對嵌入式TCP/IP協(xié)議棧進行合理地設計，并結合單片機的功能特性，對設計過程中存在的細節(jié)問題進行實時處理，找出這種協(xié)議棧實現(xiàn)的相關路徑，促使嵌入式系統(tǒng)實際應用中能夠滿足相關生產(chǎn)活動的多樣化需求。文中從不同的方面對單片機TCP/IP協(xié)議棧設計及其實現(xiàn)路徑進行了系統(tǒng)地闡述，客觀說明了做好這項研究工作對于嵌入式系統(tǒng)正常使用的重要性。

[1]王芳,周優(yōu)霞.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2010,(10).

[2]黃振宇.嵌入式TCP/IP在單片機與PC機通信中的應用[J].河南科技學院學報(自然科學版),2011,(05).

李海（1979.02-），男，漢，本科，實驗師，研究方向為應用電子技術。

Design and implementation of embedded TCP/IP protocol stack based on MCU

Li Hai
（Suzhou Institute of Trade & Commerce,jiangsusuzhou,215009)

The rapid development of information technology has brought an important guarantee for the expansion of the practical application of embedded network.Therefore,this article through to the hardware platform design analysis,obtains the reliable monolithic chip microcomputer embedded TCP/IP protocol stack and its realization path,has brought the essential reference information for the effective processing of the actual problem.The biggest feature of this system is high efficiency and low operating cost,which has a certain market application prospects.

single chip microcomputer;embedded network;TCP/IP;protocol stack;path