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1、第 1 页基于单片机以太网通信模块的软件设计基于单片机以太网通信模块的软件设计第第 1 1 章章 绪论绪论1.11.1 选题的目的与意义选题的目的与意义随着信息技术的飞速发展，Internet 应用己经深入到生活的方方面面。传统的互联网应用以 PC 为中心，现在已开始转向以嵌入式设备为中心，许多嵌入式设备尝试着接入 Internet。嵌入式系统己经广泛地渗透到航空、汽车电子、工业生产、通信、消费电子以及人们日常生活的方方面面。IA（Internet Appliance）概念现在甚为流行，这表明互联网应用进入嵌入式互联网的时代己经来临。中国计算机学会（China Computer Federat
2、ion）于 1999 年 6 月举行了“嵌入式系统及产业化在中国的发展前景”研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计算机工业中的地位及其网络化问题，认为下一代网络设备中嵌入式设备将大大增加，互联网上传输信息的 70%将会来自小型嵌入式系统。随着嵌入式系统更广泛的应用以及网络的进一步普及，嵌入式系统接入网络已成为嵌入式系统应用的一个重要方向和必然结果。嵌入式 Web 服务器是嵌入式系统网络化应用的重要方面。把嵌入式系统作为 Web 服务器与 Internet 相连接很适合于远程监控和生产过程控制等系统，通过特定的手段采集数据，利用远程浏览器通过访问嵌入式 Web 服务器就可以直接监控现场设备的运行
3、，提高生产效率和管理水平。在嵌入式系统上实现 WEB 服务器，不仅克服了嵌入式系统用户界面死板甚至无界面的缺点，同时也为嵌入式系统的远程应用提供了一种人机可交互的方便的操作方式，从而使嵌入式 MCU 以 WEB 服务器的方式提供给客户端。在嵌入式系统网络化应用日趋流行的今天，设计和实现微处理器的网络接入是一个很有现实意义的问题，可以实现基于 Internet 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件、自动发送 E-mail 等功能，同时也为 IST（Internet Sensor Technology 网络传感器技术） 、HVAC（家庭环境自动控制） 、局部环境自动第 2 页监测
4、、智能小区管理、网络自动抄表等技术的应用与发展提供技术保证。8051 系列微处理器被广泛应用于从军事、自动控制到 PC 机上的键盘上等各种应用系统中，很多制造商都可提供 8051 内核系列单片机，像Intel、Philips、Atmel、Siemens 等。这些制造商给 51 系列单片机加入了大量的性能和外部功能，像 I2C 总线接口、模拟量到数字量的转换、看门狗、PWM 输出等，更加丰富了 8051 单片机的功能和外围接口。不少芯片的工作频率达到 40MHz，工作电压下降到 1.5V，由于这些功能都是基于同一个内核，使得 8051 单片机很适合作为厂家产品的基本构架。同时由于基于 8051
5、系列微处理器的硬件系统价格低廉，因此对于那些需要开发低成本产品的项目来说是一种不错的选择。而伴随着 Internet 遍布于全世界的每个角落，对于大量低端的以 8051 系列微处理器为核心的小型嵌入式设备来说，把其作为一个简单的 WEB 服务器，借助于 Internet来传送各种测量和控制信息，可以使人们在任何时候，任何地方实时监控现场设备和数据，还可以在远方对现场设备进行诊断和软件升级，具有快速、方便、可靠的特点。因此单片机如何控制以太网网卡控制器进行数据传输，如何嵌入 TCP/IP 协议使其连接到互联网，这些都具有深远的意义。1.21.2 本课题在国内外的发展现状本课题在国内外的发展现状近
6、几年来，国外投入嵌入式 Internet 研究的公司逐渐增多，参与研究的公司规模差异也越来越大，大的如 Philips、Microsoft、NEC、Motorola 等公司，小的则是一些刚刚成立的高科技公司。下面主要介绍一些国外公司在嵌入式 Internet 领域的研究状况。1）iReady 公司致力开发各种 TCP/IP 堆栈处理器硅片解决方案。它己成功开发TCP/IP 堆栈技术，这种独特的技术可提供全面的传送卸载支持，确保以太网网络可以发挥极高的性能。多家公司已获许可使用 iReady 的硬件加速 TCP/IP 堆栈技术，有关公司包括 Toshiba、Seiko Instruments、S
7、ony 及 Agilente Seiko 公司在此基础上推出 IC 芯片 S7600A 芯片，将 TCP/IP 协议栈用硬件方法予以实现。第 3 页2）Accelerated Technologies 公司开发的 Nucleus Plus 实时核心软件，提供了完整的 TCP/IP 协议栈，包括全部源程序（称为 Nucleus Net，价格约为 14995 美元） 。3）美国 EmWare 公司提出嵌入式微互联网 EMIT（Embedded Internet Technology）运行技术，即嵌入式微型网络技术，将串口设备接入 Internet，实现基于Internet 的远程数据采集、智能控制
8、、上传/下载数据文件等功能。松下电工的家庭网络中间件，核心技术即采用的 EmWare 公司开发的 EMIT 构架。4）在工业测控领域，1999 年成立的“工业以太网协会” （IEA）正在积极致力于工业以太网现场总线的研究开发，美国 OPT022 公司采用嵌入式 Internet 技术，研制开发了“以太网 I/O 系统”-SNAPI/O 系统，成功应用于工业控制过程、楼宇智能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用 IEEE1451.2 标准，生产的嵌入式以太网控制器具备 10-BaseT 接口，运行 FTP/HTTP/TCP/UDP 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。而国内嵌入式 Inter
9、net 技术的研究才刚刚起步，有一些公司也正在积极研究嵌入式Internet 技术，但成果没有国外的丰硕，且大多停留在理论阶段。对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络上，对建立工业以太网控制网络还未进入到实质研究阶段。在产品开发方面，北京英贝多公司研发出了基于芯片的微型Internet 网关和瘦服务器，为迎接 Internet 向嵌入式领域发展的第三阶段做好基础性准备。另外武汉力源公司也推出了专用网络接口芯片 PS2000 以及一款用于连接电子设备和 Internet 网络的集成电路 Web chip，其内部固化了 MCU NET 协议，该协议与 EmGateway 和 OSGI
10、协议兼容。这种应用系统通过 Web chip 网络芯片与Gateway 连接，再接入 Internet。目前国内己经有基于该芯片的相关应用开发。可见，如何通过互联网共享以“微控制器” （MCU, Micro Controller Unit）为中心的小型嵌入式设备相关的信息，也即如何使 MCU 成为 Web 服务器是当今嵌入式研究领域中的一项重要内容。第 4 页1.31.3 本课题要解决的主要问题本课题要解决的主要问题本文主要是针对以 RAT8019AS 单片机为硬件平台的中低档嵌入式系统，用 C5l 编程语言开发一个适合小型系统使用的轻型嵌入式 TCP/IP 协议。具体的工作主要有:(1)RT
11、L8O19AS 的驱动编程，为 TCP/IP 协议栈的开发提供易用的接口。(2)从实际成本出发，本文采用低档单片机直接控制网卡芯片，在单片机中实现TCP/IP 协议的方案。(3)在本文对网络协议做了详细的阐述，特别是本设计中需要进行设计的几个协议，IP 协议、ARP 协议、UDP 协议。(4)精简 TCP/IP 协议的编程，这是本课题的重点所在。(5)联机调试,完成各层协议的测试。第 5 页第第 2 2 章章 TCP/IPTCP/IP 协议协议TCP/IP 协议即传输控制协议/网际协议是发展至今最成功的通信协议，它被成功应用于当今所构筑的最大的开放式网络系统 Internet 之上就是其成功的
12、明证。Internet 最初的设计是为了满足美国国防部的需要，今天 Internet 已经发展得更加商业化，更加面向消费者，尽管基本目的发生了改变，但其最初的所有质量标准(也就是开放式、抗毁性和可靠性)依然是必需的。这些特性包括可靠传输数据、自动检测和避免网络发生错误的能力。TCP/IP 是一个开放式的通信协议，开放性意味着在任何组合间，不管这些设备的物理特征有多大差异，都可以进行通信。本章主要介绍了 TCP/IP 协议分层模型及其工作原理，并按照由下向上的顺序介绍了TCP/IP 协议族中最重要的一些协议如 ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、HTTP 等。其中结合本课题的需要，重点介绍了
13、 IP 协议和 TCP 协议。如同 0SI 参考模型，TCP/IP 也是一种分层模型。它是由基于硬件层次上的四个概念性层次构成，即应用层、传输层、IP 层和数据链路层。图 2.1 给出了 TCP/IP 的概念性层次结构图。概概念性层次念性层次 层次之间的传递对象层次之间的传递对象报文或字节流传输协议分组IP 数据包特定网络帧图图 2.1 TCP/IP 概念性层次结构概念性层次结构应用层传输层IP层数据链路层物理层第 6 页2.2.1 1 TCP/IPTCP/IP 分层模型的工作原理分层模型的工作原理TCP/IP 协议是一个大的协议族，其中一些常用协议在 TCP/IP 分层模型中所处的位置如表
14、2.1 所示。数据包在 TCP/IP 在协议栈中流动的时候，也是由上至下或由下至上，逐层进行传输的。在 TCP/IP 参考模型中，每个实体和另一个系统的同层实体按协议进行通讯，而一个系统内实体和上下层间的通讯，则通过接口进行。表表 2.1 协议在协议在 TCP/IP 分层模型中的位置分层模型中的位置应用层应用层HTTP FTP Telnet E-mail DNS 等传输层传输层TCPUDPIP 层层IP ICMP ARP数据链路层数据链路层介质访问控制协议 MAC，以太网协议物理层物理层网路接口芯片不同系统间同层实体间的数据传输过程如图 2.2 所示。发发送送进进程程应应用用层层T TC CP
15、 P U UD DP PI IP PM MA AC C物物理理层层发发送送进进程程应应用用层层发发送送进进程程应应用用层层T TC CP P U UD DP PI IP PM MA AC C物物理理层层N NH H比比特特流流M MH HM MT T数数据据数数据据A AH H数数据据T TH H数数据据数数据据图图 2.2 数据包在数据包在 TCP/IP 分层模型中的传输过程分层模型中的传输过程在整个协议层次结构中，通信协议使用了复用和分解的技术。发送方在报文中加入报文的类型、选用的协议等附加信息，在接收方收到分组后，参考附加信息对收到的分组进行分解，根据其中的协议类型选择相应的协议进行处理
16、，图 2.3 是 IP 包的第 7 页去复用过程。到到达达的的I IP P数数 据据包包I IP P模模块块U UD DP P协协议议T TC CP P协协议议I IC CM MP P协协议议I IG GM MP P协协议议图图 2.3 IP 数据报的去复用过程数据报的去复用过程2.22.2 数据链路层协议数据链路层协议数据链路层(Data Link Layer)是 TCP/IP 协议族的最底层，它负责接受 IP 数据报并把数据报通过选定的网络发送出去，或者从网络上接收物理帧，抽取出 IP 数据报，交给 IP 层。数据链路层一般可再细分为介质访问控制子层 MAC 和逻辑链路控制子层 LLC。MAC 子层的协议实现一般是由 MAC 接口芯片来完成的;而 LLC 子层的实现一般是由网络接口芯片的驱动程序来完成的。除此之外，数据链路层典型的协议就是地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)。以太网的网络接口层支持的是 48 位以太网地址，而网络层支持的是 32 位的 IP 地址。ARP 协
