嵌入式TCP／IP协议栈在单片机上的实现

随着嵌入式设备与网络的日益结合，在单片机系统中引入TCP／IP协议栈，以支持单片机接入网络，成为嵌入式领域的一个重要方向。在此对基于SST89E516RD单片机的TCP／IP协议栈的实现方法给予讨论。选用SST89E516RD单片机实现了在线仿真和编程的功能，大大节约了开发成本。采用VB 6．0语言与Window 98／2000／XP等为软件开发平台，对系统进行了测试。经过几个月的软硬件测试表明：系统设计合理、稳定可靠，已基本实现了最初的设计目标。对其他类似系统移植该项技术奠定了基础，有很好的参考价值。

1 系统硬件实现

整个系统以SST89E516RD单片机为核心，通过RTL8019AS以太网控制芯片实现远程通信。串口完成网卡参数的修改、在线仿真，在系统中还使用X5045作为外部扩展的E2PROM，用来存储IP地址、物理地址以及网卡的其他配置信息，同时X5045还具有电压监控、看门狗定时器、上电复位三种功能，使用X5045监控系统的运行过程，当系统不稳定时可以进行有效地复位。图1为系统硬件结构图。

2 系统软件实现

系统软件主要包括客户端和服务器端软件的设计，主要有以下几部分内容：
(1)RTL8019AS的初始化和驱动程序的设计；
(2)数据帧的发送和接收子程序；
(3)TCP／IP协议栈程序的设计；
(4)客户端和服务器端程序的设计；
(5)X5045看门狗和E2PROM程序的设计。

系统的主程序流程图如图2所示。

由图2可知，系统首先完成对单片机定时器、串口、网卡芯片和以太网等部分的初始化，然后进入以太网处理部分的主程序，通过定时器中断进行网口数据的超时出错处理，并完成TCP定时器保活和ARP表生存时间的更新。

2．1 系统初始化

所谓初始化和驱动程序是指实模式下一组硬件芯片的驱动子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供与硬件无关的接口。主要包括定时器初始化，初始化PING表、ARP表，初始化TCP，RTL8019AS的初始化等。RTL8019AS的初始化主要包括网卡的复位和网卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括网卡的复位和网卡寄存器的初始化。RTL8019AS内部寄存器有4页，与NE2000兼容的有3页，第4页不用。页选择由CR寄存器的PSl，PS0位确定。在零页寄存器中可以设置接收、发送状态配置以及发送缓存区的起始页与接收缓存区起止页地址等；在1页寄存器中可以设置以太网接口的MAC地址和组播地址。对网卡的初始化就是对相关寄存器初始化，这些寄存器包括CR，RCR，TC-R，PSTART，PSTOP，BNRY，TPSR，ISR，DCR，IMR，CURR，PAGO～PAG5，MAR0～MAR5等。初始化过程如下：

(1)CR=0x21，选择页零的寄存器同时使芯片处于停止模式，不会发送和接收数据包；
(2)RCR=OxE0，设置接收结构寄存器，monitor方式，所有数据包都被拒绝；
(3)TCR=OxE2，设置发送配置寄存器，工作在内部lookback模式；
(4)PSTART=0x4C，接收缓冲区开始页面地址；
(5)PSTOP=0x80，接收缓冲区中止页面地址；
(6)BNRY=0x4C，接收缓冲区最后页面指针；
(7)TPSR=0x40，发送页的起始页地址，初始化为指向第一个发送缓冲区的页即0x40；
(8)ISR=0xFF，清除所有中断标志；
(9)DCR=OxC8，设置数据配置寄存器，使用FIFO缓存，普通模式，8位数据DMA；
(10)IMR=Ox00，设置中断屏蔽寄存器；屏蔽所有中断；
(11)CR=Ox61，选择页一的寄存器；
(12)CURR=Ox4D，网卡写内存的指针，指向当前正在写的页的下一页，初始化时指和0x4C+1=0x4D；
(13)设置多址寄存器MAR0～MAR5，均设置为Ox00；
(14)CR=0x22，使网卡芯片开始工作；
(15)设置网卡地址寄存器PAR0～PAR5；
(16)CR=Ox21，选择页零的寄存器；
(17)RCR=OxCC，设置接收结构寄存器，设置为使用接收缓冲区，跟外部网络连接；
(18)TCR=0xE0，设置发送配置寄存器，启用CRC自动生成和自动校验，工作在正常模式；
(19)CR=0x22，使网卡芯片开始工作；
(20)ISR=0xFF，清除所有中断标志；

2．2 TCP／IP协议栈的移植

以太网帧的发送与接收属于协议层中的最底层。发送前的协议封装和接收时的协议分解都非常简单。封装时，只需在上层封装数据前面添加14 B的以太网首部就可以了；接收到数据帧之后，根据头信息中的帧类型字段判断是否属于IP包或ARP包，若是就继续相应的协议分解，否则将被丢弃，不予处理。帧的接收工作由网卡自动完成，只需对相关的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY进行适当的初始化即可。以太网帧的发送过程如下：

(1)初始化命令寄存器CR，启动RTL8019AS；
(2)设置数据配置寄存器DCR，以字节方式通信；
(3)设置发送配置寄存器TCR，选择RTL8019AS数据发送的工作方式；
(4)设置远程开始地址寄存器RSAR0(低位)，RSARl(高位)，指明远程DMA操作时所传送数据的起始地址；
(5)设置远程字节计数寄存器RBCR0(低位)，RBCRl(高位)，指明远程DMA操作时所传送的数据的字节数；
(6)设置命令寄存器CR，开始远程DMA写操作。RTL8019AS自动将数据I／O端口的数据写入其缓冲区中；
(7)开始向数据I／O端口传送需要发送的数据；
(8)数据传送完毕后，设置发送页起始地址寄存器TBCR，指明待发送数据的起始地址；
(9)设置发送字节计数寄存器TBCR0(低位)，TBCRl(高位)，指明待发送数据的字节数；
(10)设置命令寄存器CR，启动本地DMA操作。把缓冲区中的数据发送到网络上；
(11)结束。

需要指出的是，数据在发送前必须先由上到下进行层层封装才能正确地发送出去，同时，接收到的数据包还必须自下而上层层解包才能为用户所识别，即协议分解。在协议编程实现中，数据封装与协议分解互为逆过程。这就是说，必须在数据采集子系统中实现嵌入式TCP／IP协议才能完成数据的TCP／IP处理。

2．3 客户端和服务器端程序的设计

分别设计客户端和服务器端程序。适应于不同的工作场合。在面向连接的TCP协议中，服务器和客户机开始通信之前必须首先建立连接。在连接之前，服务器程序必须正在运行并处于监听模式，等待客户端的连接。TCP的连接是通过3次握手协议来完成的。首先，客户端发送1个SYN标志位的TCP段给服务器，其带有所选择段的初始序号。服务器端收到该报文段后，以1个带有SYN标志的段作为应答，其中也给出根据本身情况选择的初始序号，并包含对客户端的确认。

而客户端收到服务器端的应答后，再次送回1个报文段，其中带有对服务器端SYN的确认。这样双方的连接就建立了，以后就能开始传送数据。同样终止1条TCP连接实际上也需3次握手过程。