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1、源码公开的TCP/IP协议栈在远程监测中的应用 摘要：介绍一个适用于8/16位单片机的嵌入式TCP/IP协议栈（uIP）在发电机远程监测系统中的应用。重点阐述uIP的功能特性、体系结构和相关接口，并详细介绍如何在该协议栈上实现一个嵌入式Web服务器。目前uIP已成功地移植到51单片机上。 关键词：TCP/IP协议栈 嵌入式Web服务器 远程监测目前，随着互联网的发展，越来越多的工业测控设备已经将网络接入功能作为其默认配置，以实现设备的远程监控和信息分布式处理。笔者曾参与某发电机射频监测仪的开发，该设备主要用于诊断和预警发电机早期故障，并通过RS232接口定时输出电平和状态数据，现场专门设一台P
2、C作接收、显示及存储。每年都要有专家到各发电厂对以往数据作检查和诊断，不胜其烦。因此有必要设计一个RS232到Internet的数据传输模块，以便对发电机的运行状况作远程监测。设计该模块的关键在于如何实现一个嵌入式TCP/IP协议栈，根据以往的经验，自己设计一个协议栈的难度很可能超过应用本身，而采用商业的协议栈似乎又无必要（功能过于复杂），最后笔者选用一种功能简易的免费TCP/IP协议栈uIP 0.9作为设计核心。1 嵌入式TCP/IP协议栈目前，市场上几乎所有的嵌入式TCP/IP协议栈都是根据BSD版的TCP/IP协议栈改写的。在商业嵌入式TCP/IP协议栈大都相当昂贵的情况下，很多人转而使
3、用一些源代码公开的免费协议栈，并加以改造应用。目前较为著名的免费协议栈有：lwIP(Light weight TCP/IP Stack)支持的协议比较完整，一般需要多任务环境支持，代码占用ROM40KB，不适合8位机系统，没有完整的应用文档；uC/IP(TCP/IP stack for uC/OS)基于uC/OS的任务管理，接口较复杂，没有说明文档。笔者采用的协议栈系瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels开发的uIP0.9。其功能特性总结如下：*完整的说明文档和公开的源代码（全部用C语言编写，并附有详细注释）；*极少的代码占用量和RAM资源要求，尤其适用于8/16位单片机（见表1）；*高
4、度可配置性，以适应不同资源条件和应用场合；*支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP（可选）等必要的功能特性；*支持多个主动连接和被动连接并发，支持连接的动态分配和释放；*简易的应用层接口和设备驱动层接口；*完善的示例程序和应用协议实现范例。表1 uIP在ATMEL AVR上代码和RAM占用情况协议模块代码大小/B使用的RAM/BARP1324118IP/ICMP/TCP3304360HTTP994110校验和函数6360数据包缓存0400总和6258988注：配置为1个TCP听端口，10个连接，10个ARP表项，400字节数据包缓存。正是由于uIP所具有的显著特点，自从0.6版本以来就被移
5、植到多种处理器上，包括MSP430、AVR和Z80等。笔者使用的uIP0.9是2003年11月发布的版本。目前，笔者已将它成功移植到MCS-51上了。2 uIP0.9的体系结构uIP0.9是一个适用于8/16位机上的小型嵌入式TCP/IP协议栈，简单易用，资源占用少是它的设计特点。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能，而保留网络通信所必要的协议机制。其设计重点放在IP、ICMP和TCP协议的实现上，将这三个模块合为一个有机的整体，而将UDP和ARP协议实现作为可选模块。UIP0.9的体系结构如图1所示。UIP0.9处于网络通信的中间层，其上层协议在这里被称之为应用程序，而下层硬件或固件被称之
6、为网络设备驱动。显然，uIP0.9并不是仅仅针对以太网设计的，以具有媒体无关性。为了节省资源占用，简化应用接口，uIP0.9在内部实现上作了特殊的处理。注意各模块的融合，减少处理函数的个数和调用次数，提高代码复用率，以减少ROM占用。基于单一全局数组的收发数据缓冲区，不支持内存动态分配，由应用负责处理收发的数据。基于事件驱动的应用程序接口，各并发连接采用轮循处理，仅当网络事件发生时，由uIP内核唤起应用程序处理。这样，uIP用户只须关注特定应用就可以了。传统的TCP/IP实现一般要基于多任务处理环境，而大多数8位机系统不具备这个条件。应用程序主动参与部分协议栈功能的实现（如TCP的重发机制，数
7、据包分段和流量控制），由uIP内核设置重发事件，应用程序重新生成数据提交发送，免去了大量内部缓存的占用。基于事件驱动的应用接口使得这些实现较为简单。3 uIP的设备驱动程序接口uIP内核中有两个函数直接需要底层设备驱动程序的支持。一是uip_input()。当设置驱动程序从网络层收到的一个数据包时要调用这个函数，设备驱动程序必须事先将数据包存入到uip_buf中，包长放到uip_len，然后交由uip_input()处理。当函数返回时，如果uip_len不为0，则表明有带外数据（如SYN，ACK等）要发送。当需要ARP支持时，还需要考虑更新ARP表示或发出ARP请求和回应，示例如下：#defi
8、ne BUF(struct uip_eth_hdr*)&uip_buf0)uip_len=ethernet_devicedriver_poll(); /接收以太网数据包（设备驱动程序）if(uip_len0) /收到数据if(BUF-type= =HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)/是IP包吗？uip_arp_ipin(); /去除以太网头结结，更新ARP表uip_input(); /IP包处理if(uip_len0) /有带外回应数据uip_arp_out(); /加以太网头结构，在主动连接时可能要构造ARP请求ethernet_devicedriver_send(); /发送数据到
9、以太网（设备驱动程序）else if(BUF-type=HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)/是ARP请求包uip_arp_arpin(); /如是是ARP回应，更新ARP表；如果是请求，构造回应数据包if(uip_len0) /是ARP请求，要发送回应ethernet_devicedriver_send(); /发ARP回应到以太网上另一个需要驱动程序支持的函数是uip_periodie（conn）。这个函数用于uIP内核对各连接的定时轮循，因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用它轮循各连接，一般用于检查主机是否有数据要发送，如有，则构造IP包。使用示例如下：for(i=0;i0)
10、uip_arp_out();ethernet_devicedriver_send();从本质上来说，uip_input()和uip_periodic()在内部是一个函数，即uip_process(u8t flag)，UIP的设计者将uip_process(UIP_DATA)定义成uip_input()，而将uip_process(UIP_TIMER)定义成uip_periodic()，因此从代码实现上来说是完全复用的。4 uIP的应用程序接口为了将用户的应用程序挂接到uIP中，必须将宏UIP_APPCALL（）定义成实际的应用程序函数名，这样每当某个uIP事件发生时，内核就会调用该应用程序进行
11、处理。如果要加入应用程序状态的话，必须将宏UIP_APPSTATE_SIZE定义成应用程序状态结构体的长度。在应用程序函数中，依靠uIP事件检测函数来决定处理的方法，另外可以通过判断当前连接的端口号来区分处理不同的连接。下面的示例程序是笔者实现的一个Web服务器应用的框架。#define UIP_APPCALL uip51_appcall#define UIP_APPSTATE_SIZE sizeof(struct uip51app_state)struct uip51app_stateunsigned char * dataptr;unsigned int dataleft;void uip
12、51_initapp /设置主机地址u16_t ipaddr2;uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192);uip_sethostaddr(ipaddr);uip_listen(HTTP_PORT); /HTTP WEB PORT（80）；void uip51_appcall(void)struct uip51app_state *s;s=(struct uip51lapp_state *)uip_conn-appstate; /获取当前连接状态指针if(uip_connected() /有一个客户机连上if(uip_newdat()|uip_rexmit() /收到
13、新数据或需要重发if(uip_datalen()0)if(uip_conn-lport=80) /收到GET HTTP请求update_table_data();/根据电平状态数据表动态生成网页s-dataptr=newpage;s-dataleft=2653;uip_send(s-dataptr,s-dataleft); /发送长度为2653B的网页if(uip_acked() /收到客户机的ACKif(s-dataleftuip_mss()&uip_conn-lport=80) /发送长度最大段长时s-dataptr+=uip_conn-len; /继续发送剩下的数据s-dataleft-
14、=uip-conn-len;uip_send(s-dataptr,s-dataleft);return;if(uip_poll() /将串口缓存的数据复制到电平状态数据表return;if(uip_timedout()| /重发确认超时uip_closed()| /客户机关闭了连接uip_aborted() /客户机中断连接return;5 uIP0.9在电机远程监测系统中的应用笔者设计了一个嵌入式Web模块UIPWEB51,用于将发电机射频监测仪串口输出的数据上网，以实现对发电机工作状态的远程监测，目前已获得初步成功。该模块的硬件框图如图2所示。单片机采用的是Atmel的AT89C55WD，
15、它内置20KB程序Flash，512字节RAM，3个这时器/计数器，工作在22.1184MHz时具有约2MIPS的处理速度。网卡芯片同样采用的是低成本的RTL8019AS，是一款NE2000兼容的网卡芯片，系统外扩了32KB的SRAM，用于串口数据和网络数据的缓冲，另外还存放了uIP的许多全局变量。UIPWEB51的主程序采用中断加轮循的方式，用中断触发的方式接收发电机射频监测仪发出的数据，开设置了一个接收队列暂存这些数据。在程序中轮循有无网络数据包输入，如有则调用uIP的相关处理函数（如上uip_input()使用示例）；如无则检测定时轮循中断是否发生。这里将T2设为uIP的定时轮循计数器，在T2中断中设置轮循标志，一旦主程序检测到这一标志就调用uip_periodic()轮循各连接（如上uip_periodic()使用示例）。
