8位机嵌入式TCP通信速度的研究

　　0 引 言

　　长久以来，串行RS 232和RS 485通信技术一直是自动化仪器、仪表中常用的通信标准。但近年来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展及其在工业自动化系统中的应用，使得工业自动化系统和仪器、仪表领域加速了向智能化、数字化和网络化方向发展的进程。出现了电力线通信技术、无线红外和蓝牙通信技术、基于USB接口的通信技术、现场总线技术以及嵌入式Internet接入技术等新技术。其中基于嵌入式Internet接入技术的网络化仪器是近年提出的全新概念，它是仪器检测技术与现代计算机技术、网络通信技术、微电子技术深度融合的产物口。检测仪器接入Internet，成为执行测量和控制任务的仪器Web站点，这种网络化仪器可以像普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测控、存储和显示等，同时允许已授权的用户通过Internet远程对仪器进行操作、监控、故障诊断等。在具体的应用中，出现了不少问题，其中之一就是传输率和系统利用率不高，本文正是在这种背景下产生的。

　　1 TCP通信硬件接口

　　典型的8位机采用TCP协议接入Internet的以太网网络接口如图1所示。RTL8019AS以其优异的性价比，成为目前单片机以太网系统的首选以太网接口芯片。该芯片符合IEEE802.3 10Base2和10BaseT标准，具有自动奇偶检测和纠错功能，支持全双工工作模式。如图1中，RTL8019AS工作于8位跳线模式，数据线 SD0～SD7与8位单片机（51系列）的数据线（AD0～AD7）相连，地址线A0～A4与8位单片机的地址线（A0～A4）相连。读写信号经 74S04产生。RTL8019AS的基地址（配合引脚34（AEN））为0x8000H，对应RTL8019AS内部地址0x300H。 RTL8019AS通过网络变压器HR901170A和RJ45接口与以太网相连接入internet，隔离网络上的干扰信号。

　　2 单片机系统中TCP通信问题分析

　　TCP协议是TCP／IP协议簇的核心，也是最复杂的协议。但由于其独特的自动检错和重发机制，实现了数据的可靠通信，但也正是由于其复杂性，在8 位机上实现TCP协议通信耗时就比较多，传输速率低下。TCP协议的数据通信过程，以客户机为例进行分析。图2是典型的采集系统TCP数据通信的时间序列图。在建立连接后，由客户机向服务器发送数据。假设此时客户机的启始序列号为100，每次固定发送100字的样数据。服务器负责接受该数据，但不下发任何送数据，只确认所接收的数据，其启始序列号为50。对于单片机系统，由于其处理速度和内存资源的局限，通常的处理流程如图3。

　　由于服务器（一般为装有windows系统的微机或工业计算机）并不是收到数据就直接发送确认，而是继续等待接受序列中的其他数据。这就会经常触发服务器的接受延时的确认算法，这将导致剩下的数据不能在200 ms内发送。对于高速交互的采样系统而言，这将产生明显的时延。Host Requirements RFC申明TCP必须实现Nagle算法，但必须为用户提供一种方法来关闭该算法在某个连接上的执行。该算法要求TCP连接上最多只能有一个未被确认的未完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。实际使用Sniffer监听软件也得到同样的结果，在接收到下位机的数据包后，上位机延时 200 ms后，发送确认包，其传输速度为10 packet／s，实际网络利用率不足1％。由图3可见，只要提高服务器确认发送的速度，就可以提高通信的速度。对于本系统采用33M的主频（C051F 单片机）发送一个分组（1 024 B）和接受一个确认分组（60 B）总用时为3～3.5 ms，关闭Nagle算法后，使用Sniffer监听分析数据包，系统上位机在收到数据包后，立即发送确认包，期间只有0.3 ms左右的网络延时，系统速率提高到设定的20 ms发送一次采样数据，即100 packet／s，系统利用率提高为为原来的10倍。

　　然而对于有些应用场合，每次采样的数据量并不大（小于100 B），采用关闭Nagle 算法来提高传输率是不理想的，因为这样增加了网络上传输的分组的数量，同时增大了客户机（下位机）处理这些多出来的分组的时间消耗，降低了系统利用率，增大了传输出错率，大幅度的减少了持续传输时间。实验中，当采用高频单片机（100M主频），将数据通信速率提高到1 000 packet／s，发现传输错误的数据包达到5％，同时传输持续时间由原来的大于48 h不间断，减少为不足2 h，系统利用率也只有不到2％，同时已无法继续提高传输速度（由硬件条件限制）。为解决这个问题，同过分析具体TCP通信的各环节对时间的消耗过程，寻求在已有的硬件基础上，通过软件来解决问题。

首先是数据分组打包。这里的耗时与要打包的数据量和