TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)

在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP與在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP是有所不同的，參考《TCP/IP1單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)和方法》我們可以了解到，它的特點(diǎn)是：

1． 速度慢：根據(jù)該文檔的介紹12M晶振的51單片機(jī)的最快網(wǎng)絡(luò)傳送速度為25KB/s。其中的關(guān)鍵在于TCP/IP需要對(duì)傳送的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，以及必要的拷貝。這樣51單片機(jī)的處理速度就不夠了。為了提高單片機(jī)TCP/IP的速度一般的方法是要對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行精簡(jiǎn)。

2． 程序存儲(chǔ)空間和外部RAM空間不大：一般的單片機(jī)的最大程序和數(shù)據(jù)空間為64KB。TCP/IP協(xié)議一般需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，而一個(gè)最大的數(shù)據(jù)包就有1500B左右，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速度很大的時(shí)候內(nèi)存消耗將很大。對(duì)于非嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，64KB的程序和數(shù)據(jù)空間是不夠的。

3． 單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)：51單片機(jī)是8位機(jī)，所以對(duì)于需要完成同一個(gè)數(shù)據(jù)操作，32位的PC機(jī)可能只需要10條指令，而51單片機(jī)可能需要幾百條指令。

由于TCP協(xié)議棧的程序流程較為復(fù)雜，因?yàn)槌绦蛑行枰幚韺?duì)方發(fā)送過來的數(shù)據(jù)、發(fā)起的連接，而我方并不知道對(duì)方會(huì)何時(shí)進(jìn)行什么樣的操作，這就使得協(xié)議處理起來較為復(fù)雜。另外一個(gè)原因是單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧的穩(wěn)定性是以非常重要的問題，一個(gè)穩(wěn)定的協(xié)議棧需要在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，所以編寫一個(gè)穩(wěn)定的單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧更加困難。為此另外一種選擇就是使用現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議棧。

1． eCos單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：eCos TCP/IP棧是涉及與eCos操作系統(tǒng)/內(nèi)核一起運(yùn)行的。eCos（和TCP/IP棧）由大量處理其結(jié)構(gòu)支持。eCos TCP/IP棧當(dāng)前發(fā)布了一個(gè)測(cè)試版，作為一個(gè)單獨(dú)的模塊。

2． ZLIP 51單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：ZLIP是專門為51單片機(jī)設(shè)計(jì)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，可以在有操作系統(tǒng)和沒有操作系統(tǒng)情況下運(yùn)行，具有代碼量適中、運(yùn)行速度快、用戶接口簡(jiǎn)單、兼容BSD socket接口的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了TCP、UDP、ICMP、ARP協(xié)議，ZLWeb實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議。支持多TCP連接、多UDP連接同時(shí)運(yùn)行，支持在uc/os-II操作系統(tǒng)下多任務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)收發(fā)?？梢杂糜?1單片機(jī)TCP/IP上網(wǎng)解決方案。

3． uc/ip 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧:uC/IP(mew-kip)是為為控制其設(shè)計(jì)的一個(gè)TCP/IP協(xié)議棧。代碼基于BSD（很像所有其它棧）但對(duì)非常小的覆蓋范圍功能有所減少。它當(dāng)前為L(zhǎng)inux和DOS目標(biāo)而建。

4． BSD 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：BSD棧歷史上是其他商業(yè)棧的開始點(diǎn)，大多數(shù)專業(yè)TCP/IP棧（如帶Wind-River VxWorks內(nèi)核的）是BSD棧派生的。這是因?yàn)锽SD在BSD許可協(xié)議下提供了他們的棧，它們的許用證使你能以修改或未修改的形式結(jié)合它們的代碼而無須向創(chuàng)建者付版稅。與GPL許用證相比，如果你結(jié)合GPL源代碼，后者要求你的GPL中公開你的源代碼。

5． lwIP 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：lwIP（輕型）TCP/IP棧是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)小型實(shí)現(xiàn)。它包括帶IP和ICMP的TCP和UDP傳輸層。還提供一個(gè)可選的BSD套接字API。為了性能，還包括一個(gè)零拷貝API。LwIP協(xié)議棧是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的并能適合40KB的ROM和幾百字節(jié)的RAM。為了可移植性它用C編寫。

6． uIP 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：uIP是專門為8位和16單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常小的TCP/IP協(xié)議棧。uIP完全用C編寫，以此可以移植到各種不同的結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)上。一個(gè)編譯的棧可以有幾KB ROM或幾百字節(jié)RAM中運(yùn)行。uIP還包括一個(gè)HTTP服務(wù)器作為服務(wù)內(nèi)容。

7． TinyTCP 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：TinyTCP棧是TCP/IP的一個(gè)非常小的簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，它包括一個(gè)FTP客戶。TinyTCP是為燒入ROM設(shè)計(jì)的并且對(duì)大端結(jié)構(gòu)似乎是有用的（初始目標(biāo)是68000芯片）。TinyTCP也包括一個(gè)簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器用于3Com多總線卡。

8． WATTCP 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：WATTCP是為嵌入基于DOS的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一個(gè)小型TCP/IP棧。它包括一個(gè)Real Mode DOS版本和另一個(gè)32位擴(kuò)展環(huán)境版本。

用戶在拿到一個(gè)單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧以后該如何處理呢。其中的處理分為兩個(gè)部分：上層接口和下層接口。

4. 1 上層接口

用戶使用單片機(jī)TCP/IP的目的實(shí)際非常明了，就是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，即從PC機(jī)（或者另一個(gè)單片機(jī)）上傳送過來的數(shù)據(jù)能夠在本地單片機(jī)上接收，反之亦然。所以如果屏蔽底層的話，單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧就是一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的手段。所以最后歸結(jié)到了使用send()、recv()函數(shù)即可。這就是使用單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧的核心所在。

但是事實(shí)上并沒有這么簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?duì)于TCP需要有發(fā)起連接、接受連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接等操作以配合數(shù)據(jù)的傳輸。TCP/IP協(xié)議棧一般為用戶提供如下的接口：

1． 初始化協(xié)議棧和釋放協(xié)議棧的函數(shù)接口，類似Init(), Release()之類的函數(shù)。

2． 提供類似BSD socket的socket, sendto, recvfro, connect, bind, listen, accept, send, recv, closesocket, shutdown, getpeername, getsockname, htonl, htons, ntohl, ntohs, inet_addr,inet_ntoa,ioctlsocket,setsockopt, getsockopt,select等API函數(shù)，用戶調(diào)用此類函數(shù)進(jìn)行發(fā)起連接、接受連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接等操作。

3． 接受連接、接收數(shù)據(jù)、被動(dòng)關(guān)閉的處理：由于此類操作是上位機(jī)發(fā)起的，所以TCP/IP協(xié)議棧必須提供一套機(jī)制來處理此類事件的發(fā)生。一般來說有兩種方法：

a) 主動(dòng)等待：例如使用BSD的recv()函數(shù)等待數(shù)據(jù)的到來。

b) 回調(diào)機(jī)制：采用類似MFC的OnReceive()函數(shù)的回調(diào)機(jī)制，也即是說在接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)自動(dòng)調(diào)用OnReceive()函數(shù)。

那么用戶如何使用以上的接口來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集呢？方法很簡(jiǎn)單。

例如如果需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)對(duì)LED燈的亮和滅的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。首先PC機(jī)使用TCP/IP發(fā)送工具例如SocketDlgTest程序發(fā)送一個(gè)字節(jié)的“1”到開發(fā)板（根據(jù)開發(fā)板的IP地址發(fā)送）。開發(fā)板在OnReceive函數(shù)中發(fā)現(xiàn)收到的是“1”，那么就通過P1端口將燈打開；反之如果收到的是“0”則將燈熄滅。

如果是實(shí)現(xiàn)一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，例如定時(shí)進(jìn)行溫度采集。首先PC機(jī)使用SocketDlgTest程序等待發(fā)來數(shù)據(jù)。開發(fā)板每隔一段時(shí)間采集一個(gè)數(shù)據(jù)，然后通過send()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)（根據(jù)PC機(jī)的IP地址發(fā)送），這樣PC就接收到了當(dāng)前的遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)。

4. 1 下層接口

下層接口是一個(gè)比較復(fù)雜的部分，實(shí)際上是TCP/IP協(xié)議棧和底層硬件的對(duì)接問題。如果用戶將TCP/IP協(xié)議棧移植到自己的單片機(jī)系統(tǒng)上。由于硬件上存在一定的差異，就需要修改底層代碼。這里需要包括：

1．網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)：如果TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)提供了網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)和用戶使用的網(wǎng)卡芯片一樣，那么就相對(duì)容易一些。這里只需要修改網(wǎng)卡的基地址即可。否則需要自己動(dòng)手寫驅(qū)動(dòng)程序。如果網(wǎng)卡采用RTL8019AS可以參考老古開發(fā)網(wǎng)的單片機(jī)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)卡采用CS8900，可以參考《嵌入式 TCP/IP 協(xié)議單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用》

2．TCP/IP底層接口。一般單片機(jī)TCP/IP需要底層為其提供定時(shí)中斷、網(wǎng)卡中斷處理的入口。底層需要做相應(yīng)的處理。