TCP/IP协议在VRS51单片机上的实现

作者：时间：2013-09-10 来源：网络

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　　ICMP（Internet控制报文协议）用来传递差错报文以及其他需要注意的信息。uIP只实现了echo。

　　ARP（Address Resolution Protocol）为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。ARP协议是把目标IP地址解析为以太网MAC地址，当一个IP包要在以太网上发送时，先查询ARP表，找出要发送的MAC地址。如果在表里找不到对应的IP地址，就会广播ARP请求包，以获取给出IP地址所对应的MAC地址。目的主机收到请求包后发出一个ARP回应包，给出自己的MAC地址和IP地址。ARP表每十秒更新一次。ARP协议是uIP的可选模块。

　　UDP（User Datagram Protocol）协议是一个简单的、面向数据报的传输层协议。UDP协议是uIP可选模块。

　　uIP是一个专为8位和16位单片机设计的小型简易的TCP/IP协议栈，简单易用、占用资源少是其设计特点。为了占用较少的资源，uIP只保留了基本的通信功能而把全功能协议栈中那些不常用的功能去掉，其重点是在IP、TCP和ICMP的实现上，而把ARP和UDP作为可选模块。

　　uIP处于网络通信的中间，其上层协议是应用程序层，其下层硬件或固件称为网络设备驱动层。uIP并不仅仅是为以太网设计的，它与媒体无关。

uIP的设备驱动程序接口

　　uIP中需要底层驱动支持的函数有：uip_input( )和uip_periodic( )。uip_input( )函数是用来处理网络层和设备驱动层之间的传送数据的，当设备驱动程序从网络层收到一个数据包时会调用此函数，设备驱动程序会事先把数据包存放在uip_buf[ ]缓冲区里，而把数据长度放到uip_len，然后交给uip_input( )函数处理。当函数返回时，如果uip_len不为0，则表明带有数据。如果需要ARP支持时，则要考虑更新ARP 表或者发送ARP请求和回应。

　　uip_periodic( )用于内部时钟事件计时，当周期定时激发时，每一个 TCP连接应该调用uip_periodic( )函数。这个函数用于uIP内核对各连接的定时轮循，因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用它轮循各连接，一般用于检查主机是否有数据要发送，如果需要则构造IP包。

　从本质上来说，uip_input( )和uip_periodic( )在内部是一个函数，即uip_process ( )。UIP的设计者将uip_process(UIP_DATA)定义成uip_input( )，而将uip_process(UIP_TIMER)定义成uip_periodic( )，因此从代码实现上来说是完全复用的。

uIP应用程序接口

　　uIP在接受到底层传来的数据包后，如需送上层应用程序处理，就会调UIP_APPCALL( )，同时uIP设置UIP_CONN结构体指针指向当前连接。UIP_CONN记录一条TCP连接的所有相关信息。为了将用户的应用程序挂接到uIP中，必须将宏UIP_APPCALL( )定义成实际的应用程序函数名，这样每当某个uIP事件发生时，内核就会调用该应用程序进行处理。如果要加入应用程序状态的话，必须将宏UIP_APPSTATE_SIZE定义成应用程序状态结构体的长度。

uIP在VRS51L3074上的应用和简单Socket通信

　　本硬件平台是网络POS机的一部分，它的工作原理是：由扫描枪采集的数据经串口送入网卡内，然后经网络发送到远端主机。

　　本系统的软件部分包括网络设备驱动程序、TCP/IP协议栈实现以及简单的Socket通信程序。

　　CS8900主要包括三个部分：EtherDevInit（）函数完成CS8900A网络芯片的初始化，包括初始化寄存器等，使之进入服务状态；EtherDevSend（）实现把以太网数据包发送到网络中；EtherDevRecv（）完成数据的接受。在CS8900的头文件中设置了MAC地址以及其他的一些参数。

　　网络设备驱动程序通过两个全局变量与uIP协议栈进行接口：uip_buf为收发缓冲区，uip_len为数据的长度。EtherDevSend( )函数把uip_buf里的数据发送到网络中，EtherDevRecv( )函数把接受到的数据存储到uip_buf缓冲区中，同时修改uip_len的值。

　uIP协议栈承担网络通信功能，一方面与底层链路层通信实现数据收发，另一方面为上层应用程序提供了简单的API接口。uIP基本实现了IP、TCP、ARP、UDP以及ICMP（ping）等协议，它包括uip.c、uip_arch.c、uip_arp.c、uip.h、uipopt.h、uip_arch.h、uip_arp.h等文件。uip.c完成主要TCP/IP功能，主要是IP和TCP协议，UDP是可选模块；uip_arp.c完成地址解析；uip_arch.c完成校验；uipopt.h是uIP配置文件，它以宏的形式定义便于修改，用户可根据自己的需要设置本地的物理地址、IP地址、网关地址、收发缓冲区大小、支持的最大连接数以及ARP表大小等选项。
VRS51L3074有3个16-bit的定时器，可以选择一个为TCP/IP协议中与事件有关的事件定时。uIP中需要定时的事件有：为uip_periodic( )函数的执行提供基准和ARP表更新。uip_periodic( )函数每0.5秒执行一次，ARP表每10秒更新一次。

　　添加了必需的模块，进行了正确的配置后，需要编写主程序和应用程序初始化包括定时器初始化、串口初始化、网卡芯片初始化、uIP协议栈初始化、用户应用程序初始化等，主程序初始化完成后，进入不停查询的状态，如果有数据到来，则交给uip_input( )进行处理，如果没有则由uip_periodic( )来处理定时事件。为了将应用程序挂接到uIP中，必须把UIP_APPCALL( )定义为实际的应用程序函数名，这样每当某个uIP事件发生时，内核就会调用该应用程序进行处理。本应用程序定义 #define UIP_APPCALL socket_appcall。

结束语

　　本方案成功地把嵌入式TCP/IP协议栈uIP移植到VRS51单片机上，实现了网络通信。该方案是网络POS机的一部分，目前已经正在运行，且状态良好。本方案采用的单片机和网络芯片不但性能良好而且价格低廉，uIP是一个性能优良的免费小型TCP/IP协议栈，因此本系统运行速度快、稳定可靠且价位较低。本方案可广泛应用于远程数据采集、传输，远程监控，远程抄表以及信息家电等领域。