摘? 要：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動了嵌入式技術(shù)的發(fā)展。信息共享的程度越來越高，通過互聯(lián)網(wǎng)共享以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為中心的嵌入式設(shè)備成為目前通信技術(shù)行業(yè)熱門的話題，越來越多的產(chǎn)品應(yīng)用了嵌入式技術(shù)。然而在進行系統(tǒng)設(shè)計時，需要充分考慮TCP/IP協(xié)議的相關(guān)特點和內(nèi)容，并有效結(jié)合?；诖?，對嵌入式下協(xié)議棧的概念及特點進行了概述，分析了單片機接入Internet的方式，嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式;單片機;網(wǎng)絡(luò)通信;TCP/IP

中圖分類號：TP368.1;TN915.04 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0082-03

Abstract：The continuous development of internet technology drives the development of embedded technology. The degree of information sharing is getting higher and higher. Sharing the embedded equipment centered on SCM application system through the internet has become a hot topic in the communication technology industry. More and more products have applied the embedded technology. However，in the system design，we need to fully consider the relevant characteristics and contents of TCP/IP protocol，and combine them effectively. Based on this，this paper summarizes the concept and characteristics of protocol stack under embedded system，analyzes the way of SCM accessing internet，and the application of Embedded TCP/IP protocol SCM technology in network communication.

Keywords：embedded;single chip;network communication;TCP/IP

0? 引? 言

嵌入式Internet技術(shù)是為了接入Internet而提出的，是嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具備著智能、簡便、可編程的優(yōu)點，又能通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行信息共享，方便經(jīng)濟信息交流。單片機在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用是單片機應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。隨著嵌入式設(shè)備的日益完善，在單片機中引入TCP/IP協(xié)議棧，對于節(jié)約成本、保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠和設(shè)計合理有著重要的作用。一般采用單片機作為處理器，需要在單片機上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。我國的技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，有了長足的進步，但是與發(fā)達國家相比，網(wǎng)絡(luò)通信的智能化水平還存在一些差距。此外，通信行業(yè)目前面臨的競爭日趨激烈，嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)成為通訊行業(yè)的熱門話題，未來將是促進經(jīng)濟增長的重要組成部分。這種嵌入式TCP/IP協(xié)議的單片機系統(tǒng)板具有成本低、硬件少、占用面積少、傳輸速度快、使用方便等優(yōu)點。適用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景，特別在是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要由大量傳感器節(jié)點通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)，將嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，有很大的優(yōu)勢，必將為控制工程學(xué)院的無線傳感網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的研究提供強有力的技術(shù)支撐，有很好的應(yīng)用前景。

1? 嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)概述

1.1? 嵌入式下協(xié)議的概念及特點

嵌入式是為了實現(xiàn)信息交互，將電子設(shè)備嵌入式模塊介入Internet的技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)之間互相連接，進而實現(xiàn)信息共享、狀態(tài)控制和信息通信。嵌入式Internet是近些年來應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)，以計算機為基礎(chǔ)，可以對軟件和硬件實現(xiàn)裁剪，極大地滿足了市場需求。要想實現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，需要實現(xiàn)TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。嵌入式技術(shù)既是一種傳輸媒介，也是一種協(xié)議。通過網(wǎng)絡(luò)接口控制器來實現(xiàn)鏈路層和物理層的協(xié)議。MCU要實現(xiàn)與Internet的連接，需要運行嵌入式TCP/IP協(xié)議的通信模塊。Unix系統(tǒng)是最先使用TCP/IP協(xié)議，后來TCP/IP在Linux/DOS/Windows等操作系統(tǒng)里也得到了應(yīng)用，嵌入式的系統(tǒng)和PC機有著很大的差別，嵌入式系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)的運行方式也存在著很大的不同。嵌入式協(xié)議對于滿足嵌入式系統(tǒng)的實際需求有著很重要的影響，克服了傳統(tǒng)協(xié)議中實時性不夠好的問題，很大程度上保證了數(shù)據(jù)的可靠性和實時的要求。通過對龐大的功能齊全的TCP/IP協(xié)議的仔細研究，并進行有效的取舍，滿足了網(wǎng)絡(luò)功能的實際需求。嵌入式協(xié)議和標準的協(xié)議棧有著很大的區(qū)別，其一般應(yīng)用在專業(yè)的特殊性領(lǐng)域。它具備可裁剪性，這是因為嵌入式的應(yīng)用對存儲器的容量、價格成本有著一定的要求，在使用時需要考慮這些因素，需要對完整的TCP/IP協(xié)議棧功能進行裁剪。嵌入式的應(yīng)用是多種多樣的，在開發(fā)和應(yīng)用時是可以移植的。由于單片機內(nèi)部資源有限，要想實現(xiàn)正常的應(yīng)用，必須精簡TCP/IP協(xié)議。

1.2? 單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)

MCU微控制單元又叫單片微型計算機，即單片機，是一種集成電路芯片。單片機是計算機發(fā)展的一個重要分支。單片機結(jié)構(gòu)比較簡單，處理速度比較快，功能性強，通過模塊化的管理，使得系統(tǒng)功能比較具有優(yōu)勢。目前單片機已經(jīng)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸、廣泛使用的IC卡、全自動洗衣機等都得益于單片機的使用。單片機是一種典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。

TCP和IP是實現(xiàn)相互通信的兩個重要協(xié)議。TCP/IP協(xié)議代表的是將互聯(lián)網(wǎng)連接起來的一個協(xié)議組，是互聯(lián)網(wǎng)上使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其主要功能是保證數(shù)據(jù)的快速傳輸，TCP/IP協(xié)議層包含四部分，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。應(yīng)用層負責(zé)對接收的數(shù)據(jù)提供解釋服務(wù)，如常見的HTTP、Telnet、FTP等;傳輸層則是讓網(wǎng)絡(luò)程序通過一定的通道獲取數(shù)據(jù)，UDP協(xié)議就屬于傳輸層;網(wǎng)絡(luò)層可以讓信息發(fā)送到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任意主機上;鏈路層是TCP/IP協(xié)議軟件的最低層，主要功能接收IP數(shù)據(jù)包，以及通過合適的方式將數(shù)據(jù)傳輸出去，它也具有單片機接口這一重要的物理介質(zhì)作用。

TCP/IP軟件概念性層次如圖1所示。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實現(xiàn)，包含系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)、系統(tǒng)軟件的設(shè)計。將兩者進行嵌入式的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的優(yōu)化，提高通信技術(shù)的智能化水平。

2? 嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)的設(shè)計

關(guān)于嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信，本文的研究主要從硬件總體功能結(jié)構(gòu)出發(fā)進行設(shè)計，并結(jié)合嵌入式TCP/IP協(xié)議鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層、應(yīng)用層的內(nèi)容進行分析設(shè)計。

2.1? 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

關(guān)于單片機的選擇，需要考慮到TCP/IP的特點，協(xié)議組內(nèi)容龐大，對系統(tǒng)的運行速度和存儲都要求比較高。本文基于實際，選用Philips公司的P89C51，無論容量和速度都能滿足要求。單片機是整個系統(tǒng)的核心部分，遠程通信是通過RTL8019AS以太網(wǎng)對芯片的控制得以實現(xiàn)的。在線仿真和網(wǎng)卡參數(shù)的修改則是采用串行通信方式實現(xiàn)，使用X5045實現(xiàn)外部擴展，以存儲IP抵制和配置信息。X5045除了具有擴展的功能，還能對電壓進行監(jiān)控，以及具備看門狗定時器、上電復(fù)位的功能。硬件設(shè)計屬于TCP/IP的協(xié)議鏈路層設(shè)計，是協(xié)議的硬件平臺。如圖2所示是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

以上是硬件實現(xiàn)的過程，其中單片機充當了連接端口的物理介質(zhì)，有效實現(xiàn)了嵌入式的系統(tǒng)功能。為了達到預(yù)期的目標，需要加強對硬件的設(shè)計，要注意各個硬件之間組合的合理性，充分發(fā)揮各組合部分的實際功能。

2.2? 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)中的系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)，主要是對網(wǎng)卡控制器驅(qū)動程序設(shè)計和TCP/IP協(xié)議設(shè)計，驅(qū)動程序的功能包含初始化RTL8019AS、接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包。而作為上層協(xié)議的TCP/IP協(xié)議，具有很強的獨立性，對其編程主要考慮其中的功能，不用考慮其關(guān)聯(lián)?？梢詣澐譃锳RP（）模塊設(shè)計、ICMP模塊設(shè)計、IP模塊設(shè)計、UDP模塊設(shè)計、TCP模塊設(shè)計。其中ARP協(xié)議的作用是對IP地址進行轉(zhuǎn)化，使其變成物理地址，以及對ARP進行解析、管理，對緩存表進行更新;ICMP協(xié)議則可檢測其中的錯誤項，診斷數(shù)據(jù)流;IP是對發(fā)送的信息尋找路徑;UDP主要是對報文進行發(fā)送和接收，由于是一種沒有連接的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸?shù)乃俣缺容^快;TCP是一個需要連接的協(xié)議，通信雙方需要建立數(shù)據(jù)連接，通過一定的順序號，獲得可靠的信息。

在實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的過程中，首先是初始化，其中包含PING表、ARP表，初始化TCP，之后進入主程序，再進行超時出錯處理，完成TCP定時?；詈虯RP表的更新。在本系統(tǒng)中對通信系統(tǒng)完成相關(guān)的操作，使得系統(tǒng)中的不同結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接，這個系統(tǒng)涉及到ARP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP協(xié)議等。

3? 單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計

3.1? ARP協(xié)議

ARP協(xié)議是IP地址獲取物理地質(zhì)的一個協(xié)議，IP地址無法完成通信的具體要求，ARP協(xié)議能夠通過網(wǎng)絡(luò)層中的各種數(shù)據(jù)，有效接收返回的包含目標IP地址的消息，并將請求發(fā)送到主機。同時ARP協(xié)議還具有緩存的功能，可以在收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機ARP緩存中并保留一定時間。單片機的嵌入系統(tǒng)在運行時是被動連接的，在運行遠程控制系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡(luò)接口處做出必要的說明，確保不同信息的正常傳遞。在運用地址協(xié)議時需要注意以下幾點：當系統(tǒng)處在初始化階段時，需要結(jié)合實際情況發(fā)送ARP協(xié)議的請求，對于不符合要求的地址協(xié)議要進行取舍，選取符合要求的地址協(xié)議，以確保信息的有效性，同時還要注意解析IP地址以外的信息。

3.2? IP協(xié)議

根據(jù)IP協(xié)議的結(jié)構(gòu)，可以看出IP協(xié)議存在于網(wǎng)絡(luò)層，在此協(xié)議下，數(shù)據(jù)包可以按照一定的方式在不同的主機上進行傳送，這個協(xié)議與路由器的功能有著一些相似性，能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)進行重組，由于其不需要連接，可靠性一般。

3.3? UDP協(xié)議

通過對TCP/IP協(xié)議進行觀察和研究，可以看出UDP是作為傳輸層協(xié)議存在的。UDP所發(fā)送的數(shù)據(jù)不具有可靠性，其將應(yīng)用程序傳統(tǒng)到特定的IP層，但是是否能夠到達目的地，并不能保證。相對于TCP協(xié)議來說，UDP協(xié)議要更簡單一些，對于設(shè)計本文的協(xié)議具有很大的合理性，且比較適合用在通信中。

4? 結(jié)? 論

21世紀是互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟時代，嵌入式系統(tǒng)作為計算機技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，得到了廣泛的應(yīng)用，單片機發(fā)展過程中連接互聯(lián)網(wǎng)是未來發(fā)展的必然方向，將單片機與TCP/IP協(xié)議進行嵌入式的連接是通信技術(shù)的一大進步。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對信息共享程度的要求越來越高，以單片機為核心的小型嵌入式的設(shè)備必將得到廣泛推廣。將其與TCP/IP進行嵌入式的連接，對于提高系統(tǒng)的科學(xué)性和實用性具有重要的意義。加強對單片機TCP/IP協(xié)議的設(shè)計以及探索，可以很大程度上縮減開發(fā)的成本，同時還能夠優(yōu)化系統(tǒng)，拓寬系統(tǒng)的使用范圍。對TCP/IP協(xié)議的設(shè)計要結(jié)合自身的實際以及協(xié)議組的特點，選擇合適的單片機，滿足人們相關(guān)生產(chǎn)活動的多樣化需求。同時，隨著嵌入式設(shè)備硬件和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)也將會越來越完善，使用的范圍也會越來越廣。

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作者簡介：袁勇（1984.07-），男，漢族，新疆且末人，實驗師，本科，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。