單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)板如何選擇

2. 1 各類(lèi)開(kāi)發(fā)板

目前單片機(jī)TCP/IP一般有面向16位和32位的單片機(jī)的LWIP、面向8位單片機(jī)的uIP、面向51單片機(jī)的ZLIP等。目前51單片機(jī)上的TCP/IP協(xié)議棧以u(píng)IP和ZLIP為主，目前uIP的最高版本為V1.0，ZLIP的最高版本為ZLIP增值版V1.0。

2. 2 選擇注意事項(xiàng)

作為單片機(jī)上網(wǎng)技術(shù)學(xué)習(xí)者，選擇一款合適的開(kāi)發(fā)板對(duì)于學(xué)習(xí)是事半功倍的，選擇開(kāi)發(fā)板時(shí)應(yīng)該注意以下問(wèn)題：

1． 價(jià)格考慮。TCP/IP開(kāi)發(fā)板的最主要的東西在于TCP/IP協(xié)議棧本身，硬件的成本可以做得很低，所以不要因?yàn)榈蛢r(jià)而忽略了核心軟件。對(duì)于TCP/IP協(xié)議?？梢詮娜缦路矫婵紤]：

a) 穩(wěn)定性：商家提供的TCP/IP協(xié)議棧是否有全面的測(cè)試，是否在連續(xù)PING的情況下不斷線，是否在發(fā)送接受大數(shù)據(jù)量（例如10M以上）時(shí)不丟失任何字節(jié)？對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)如果協(xié)議棧不穩(wěn)定，那么對(duì)于項(xiàng)目的順利開(kāi)發(fā)將帶來(lái)很大麻煩。

b) 易用性：使用單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)板的用戶一般都對(duì)于嵌入式TCP/IP的使用不太了解，這就需要開(kāi)發(fā)板提供更加完善的資料和使用手冊(cè)。包括函數(shù)定義、更多的例子程序等。

c) 廠家的技術(shù)：某些廠家只是仿冒他人的開(kāi)發(fā)板，用戶在使用中遇到的問(wèn)題根本無(wú)法給于解答。這就需要用戶問(wèn)清楚該協(xié)議棧是否是廠家自己設(shè)計(jì)的。

2． 外包裝和質(zhì)量保證：外包裝不好可是使得用戶收到時(shí)，開(kāi)發(fā)板已經(jīng)在運(yùn)輸過(guò)程中受損而無(wú)法使用。

目前單片機(jī)上網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)熱門(mén)技術(shù)，很多高校學(xué)生選擇與此相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，同時(shí)高校也有與此相關(guān)的項(xiàng)目。為了快速實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TCP/IP，可以通過(guò)使用單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般一個(gè)單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)板需要包含如下的內(nèi)容：

1． 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：用戶可以根據(jù)協(xié)議棧提供的用戶接口來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP的發(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。最好是該協(xié)議棧能夠兼容BSD socket接口。

2． 硬件電路板及其相關(guān)連接線：用此硬件可以建立嵌入式TCP/IP實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3． 硬件原理圖：這可以方便用戶將相關(guān)硬件集成到自己的電路板中。

4． 配套開(kāi)發(fā)工具：在嵌入式TCP/IP實(shí)驗(yàn)環(huán)境中必須要有PC機(jī)端的軟件，用以和開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信。

下面介紹如何使用TCP/IP開(kāi)發(fā)板來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

3. 1 開(kāi)發(fā)板套件

為了建立單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)環(huán)境，需要一套開(kāi)發(fā)套件，一般包含有：①開(kāi)發(fā)板。②開(kāi)發(fā)板光盤(pán)。③USB線。④對(duì)連網(wǎng)線。⑤普通網(wǎng)線。⑥串口線。其中TCP/IP協(xié)議棧相關(guān)資料在②開(kāi)發(fā)板光盤(pán)上，③USB線一般用于從PC機(jī)USB端口獲得電。網(wǎng)線用于和PC機(jī)通信，⑥串口線用于和PC機(jī)串口通信。

3. 2 開(kāi)發(fā)板部件

一個(gè)開(kāi)發(fā)板本身是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，包含有CPU、RAM、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊有很多選擇，這里以RTL8019AS為例來(lái)說(shuō)明。對(duì)于外部接口，最主要的是：⑨網(wǎng)線接口和⑩串口，它們是開(kāi)發(fā)板和PC連接的接口。

3. 3 建立開(kāi)發(fā)環(huán)境

建立單片機(jī)TCP/IP開(kāi)發(fā)環(huán)境的步驟有如下幾步：

1． 連線：連線是將開(kāi)發(fā)板與PC機(jī)的串口連接，給開(kāi)發(fā)板上電，然后將開(kāi)發(fā)板連接到和PC在同一個(gè)網(wǎng)段中。

2． 安裝軟件：需要安裝開(kāi)發(fā)板的編譯環(huán)境。對(duì)于51單片機(jī)，一般選用KeilC51作為編譯器。設(shè)置IP地址，由于必須要求PC機(jī)和開(kāi)發(fā)板處于同一個(gè)網(wǎng)段，所以需要將PC機(jī)的IP地址設(shè)置為開(kāi)發(fā)板IP地址的同一個(gè)網(wǎng)段的IP地址（有時(shí)候也需要設(shè)置為特定的IP地址）。

3． 測(cè)試連接：一般可以通過(guò)PING命令，例如ping 192.168.0.2 –t來(lái)測(cè)試開(kāi)發(fā)板和PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)是否處于連通狀態(tài)。

3. 3 開(kāi)發(fā)基于開(kāi)發(fā)板的新程序

這里介紹如何在不修改開(kāi)發(fā)板硬件的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)自己的單片機(jī)TCP/IP程序。開(kāi)發(fā)新程序就是在開(kāi)發(fā)板提供的TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用層的協(xié)議。由于TCP層和IP層都已經(jīng)提供，所以用戶不用考慮其中的運(yùn)行機(jī)制。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(lèi)似Init(), Release()之類(lèi)的函數(shù)。

2． 提供類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lái)處理此類(lèi)事件的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)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(lái)。

b) 回調(diào)機(jī)制：采用類(lèi)似MFC的OnReceive()函數(shù)的回調(diào)機(jī)制，也即是說(shuō)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(lái)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。

例如現(xiàn)在需要實(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(kāi)發(fā)板（根據(jù)開(kāi)發(fā)板的IP地址發(fā)送）。開(kāi)發(fā)板在OnReceive函數(shù)中發(fā)現(xiàn)收到的是“1”，那么就通過(guò)P1端口將燈打開(kāi)；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(lái)數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)板每隔一段時(shí)間采集一個(gè)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)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. 3 開(kāi)發(fā)基于新硬件的程序

通過(guò)“開(kāi)發(fā)基于開(kāi)發(fā)板的新程序”一節(jié)的介紹后，開(kāi)發(fā)基于新硬件的程序就相對(duì)容易了。這只要根據(jù)相應(yīng)的硬件調(diào)整通過(guò)單片機(jī)的控制端口例如P1進(jìn)行控制或者數(shù)據(jù)采集即可。

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。

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(guò)來(lái)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(méi)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(lèi)似Init(), Release()之類(lèi)的函數(shù)。

2． 提供類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lái)處理此類(lèi)事件的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)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(lái)。

b) 回調(diào)機(jī)制：采用類(lèi)似MFC的OnReceive()函數(shù)的回調(diào)機(jī)制，也即是說(shuō)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(lái)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(kāi)發(fā)板（根據(jù)開(kāi)發(fā)板的IP地址發(fā)送）。開(kāi)發(fā)板在OnReceive函數(shù)中發(fā)現(xiàn)收到的是“1”，那么就通過(guò)P1端口將燈打開(kāi)；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(lái)數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)板每隔一段時(shí)間采集一個(gè)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)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(wèn)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(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。如果網(wǎng)卡采用RTL8019AS可以參考老古開(kāi)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。

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(guò)來(lái)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(lái)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(wèn)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，所以編寫(xiě)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(zhuān)門(mén)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(méi)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(kāi)始點(diǎn)，大多數(shù)專(zhuān)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(wú)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(kāi)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(xiě)。

6． uIP 單片機(jī)TCP/IP協(xié)議棧：uIP是專(zhuān)門(mén)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(xiě)，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?？梢杂袔譑B 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。