嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中应用

时间：2007-05-25

摘要：介绍了嵌入式TCP/IP协议单片机在网络通信中的数据传输技术。将TCP/IP协议嵌入到单片机中，借助网卡芯片CS8900实现了单片机在局域网内和通过局域网在因特网上的数据传输。用户终端以单片机系统板为媒介，通过网络与远程数据终端实现数据通信。
关键词：TCP/IP协议　　单片机　因特网　局域网　网卡芯片

在因特网上TCP/IP协议每时每刻保证了数据的准确传输。在数据采集领域，如何利用TCP/IP协议在网络中进行数据传输成为一个炙手可热的话题。在本系统中，笔者利用TCP/IP协议中的UDP(用户数据报协议)、IP(网络报文协议)、ARP(地址解析协议)及简单的应用层协议成功地实现了单片机的网络互连既提高了数据传输的速度，又保证了数据传输的正确性，同时也扩展了数据传输的有效半径。

1 TCP/IP协议简介
TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。参考开放系统互连(OSI)模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链路层。
(1)应用层
网络应用层要有一个定义清晰的会话过程如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。在本系统中,单片机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理。
(2)传输层
传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。在本系统中使用UDP数据报协议。
(3)网络层
网络层让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上,IP协议就是该层中传送数据的机制。同时为建立网络间的互连,应提供ARP地址解析协议,实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。
(4)链路层
由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成实现这一层协议的协议并不属于TCP/IP协议组。在本系统中这部分功能由单片机控制网卡芯片CS8900实现。

2 硬件框图

如图1所示,系统提供RJ45接口连接Ethernet网络,并且提供一个串口给用户使用。系统板可以将从Ethernet上过来的IP数据报解包后送给串口,也可将从串口过来的数据封装为IP包送到局域网中。外部RAM使用61C1024(128KB)，从而为数据处理提供了很大的缓存；使用E2PROM--X25045,既可以作为看门狗使用也可以将IP地址、网卡物理地址和其他参数保存在里面。
CS8900芯片是Cirrus Logic公司生产的一种局域网处理芯片,它的封装是100-pin TQFP,内部集成了在片RAM、10BASE-T收发滤波器,并且提供8位和16位两种接口，本文只介绍它的８位模式。
ME103是一种脉冲变压器，在CS8900的前端对网络信号进行脉冲波形变换。

3 工作原理
3.1 CS8900的工作原理
CS8900与单片机按照8位方式连接，网卡芯片复位后默认工作方式为I/O连接，基址是300H，下面对它的几个主要工作寄存器进行介绍(寄存器后括号内的数字为寄存器地址相对基址300H的偏移量)。
·LINECTL(0112H)
LINECTL决定CS8900的基本配置和物理接口。在本系统中，设置初始值为00d3H，选择物理接口为10BASE－T，并使能设备的发送和接收控制位。
·RXCTL(0104H)
RXCTL控制CS8900接收特定数据报。设置RXTCL的初始值为0d05H，接收网络上的广播或者目标地址同本地物理地址相同的正确数据报。
·RXCFG(0102H)
RXCFG控制CS8900接收到特定数据报后会引发接收中断。RXCFG可设置为0103H，这样当收到一个正确的数据报后，CS8900会产生一个接收中断。
·BUSCT(0116H)
BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。设置初始值为8017H,打开CS8900的中断总控制位。
·ISQ(0120H)
ISQ是网卡芯片的中断状态寄存器，内部映射接收中断状态寄存器和发送中断状态寄存器的内容。
·PORT0(0000H)
发送和接收数据时，CPU通过PORT0传递数据。
·TXCMD(0004H)
发送控制寄存器，如果写入数据00C0H，那么网卡芯片在全部数据写入后开始发送数据。
·TXLENG(0006H)
发送数据长度寄存器，发送数据时，首先写入发送数据长度，然后将数据通过PORT0写入芯片。
以上为几个主要的工作寄存器(为16位)，CS8900支持8位模式，当读或写16位数据时，低位字节对应偶地址，高位字节对应奇地址。例如，向TXCMD中写入00C0H，则可将00h写入305H，将C0H写入304H。
系统工作时，应首先对网卡芯片进行初始化，即写寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。发数据时，写控制寄存器TXCMD，并将发送数据长度写入TXLENG，然后将数据依次写入PORT0口，如将个字节写入300H,第二个字节写入301H，第三个字节写入300H，依此类推。网卡芯片将数据组织为链路层类型并添加填充位和CRC校验送到网络。同样，单片机查询ISO的数据，当有数据来到后，读取接收到的数据帧。读数据时，单片机依次读地址300H,301H,300H,301H．．．。
3.2 单片机工作流程
如图2所示，单片机首先初始化网络设备。网卡的IP地址和物理地址存在X25045中，单片机复位后首先调取这些数据以初始化网络。

单片机主要完成数据的解包打包。当有数据从RJ45过来，单片机对数据报进行分析，如果是ARP(物理地址解析)数据包，则程序转入ARP处理程序(因为在网络上正是ARP协议将IP地址和物理地址相映射)。如果是IP数据包且传输层使用UDP协议，端口正确，则认为数据报正确，数据解包后，将数据部分通过串口输出。反之，如果单片机从串口收到数据，则将数据按照UDP协议格式打包，送入CS8900，由CS8900将数据输出到局域网中。
可以知道，单片机主要处理协议的网络层和传输层，链路层部分由CS8900完成。因单片机将数据接收后完整不变地通过串口输出，所以将应用层交付用户来处理，用户可以根据需求对收到的数据进行处理。
在单片机的程序处理中，包含了完整的APR地址解析协议。通过在单片机中正确设置网关、子网掩码等参数，实现了通过局域网单片机与外部因特网上的终端设备的数据通信。

4 应用
这种嵌入了TCP/IP协议的单片机系统板，具有成本低、硬件少、占用面积少、传输速度快、使用方便等优点。适用于现有的网络传输系统，有着广泛的应用前景，特别是数据采集、数据传输领域。目前，在屏幕板数据成像、远程数据采集系统中被使用。

参考文献
1 Douglas E.comer David L．Stevens著．张娟，王海译．用 TCP/IP进行网际互连．北京：电子工业出版社，1998
2 雷斌，杨建华，黄超．Visual C++6.0网络编程技术．北京：人民邮电出版社，2000
3 Postel， J． Internet Protocol． RFC 760 USC/Information Sciences Institute,January 1980．
4 Postel，J． User Datagram Protocol． RFC 768 USC/Information Sciences Institute，August 1980．

5. X25045 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/X25045_722886.html.

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