嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用研究

焦毅霞

（晋城职业技术学院，晋城 048026）

1 嵌入式TCP/IP协议、单片机技术的概念

1.1 TCP/IP协议简介

所谓TCP/IP协议，即把Internet上各种系统互相联系起来的一套网络通信协议组，是Internet的基础协议，也是电脑数据打包的标准办法。其作用是保证Internet上每一时刻内数据的准确性，规范网络上所有通信设备，尤其是一个主机和另一个主机的数据往来格式。

1.2 TCP/IP协议层次的划分

TCP/IP的结构，从OsI的角度来看，层次并未明确划分，但是大致可分为四个层次，即链路层、网络层、传输层和应用层。

（1）链路层

链路层由控制同一网络上的不同机器之间数据传输的底层协议所构成。该层的作用在于管理Internet的链接并且提供网络上的数据与报文的输入、输出。

（2）网络层

网络层的作用在于根据数据与报文的信息决定数据与报文的去向。网络层使信息可以发送到TCP/IP网络上的任一主机上，并且同时可以建立网络之间的互连。

（3）传输层

该传输层的基本作用是管理源和目的之间的数据传输。但是与其他传输层不同，TCP/IP协议中的传输层不保证数据的准确传输。

（4）应用层

应用层包括以下一些服务。

①用户相关认证。

②数据处理以及压缩。该系统处理来自数据终端的数据。这里需要注意，应用层往往只对大数据做打包拆包的处理。

1.3 单片机

（1）单片机的概念

单片机，又被称为微控制器，它是指一个集成于一块芯片上的完整计算机系统，最初被应用于工业控制领域。单片机虽然大部分功能集于一块芯片上，但是它具有一个完整计算机需要的大多部件，如CPU、内存、内外部总线系统。

（2）单片机的硬件接口

本文中要介绍的典型8位机，采用TCP/IP协议接入Internet的网络接口，目前单片机首选的接口芯片，是性价比超高的RTL8019As，RTL8019As是台湾Realtek半导体公司生产的以太网控制器，其性能包括：支持EthernetII和IEEE802.3标准；支持8/16位数据总线；内置16K Word的sRAM；全双工，收发同时达到10Mb/s；支持BNC、AUI、UTP介质。

RTL8019As工作于8位模式，通过网络变压器和接口，相连接入Internet，可以隔离网络上的干扰信号[1]。

2 系统结构框图

2.1 系统硬件结构

系统提供相应的接口连接网络，并给用户提供一个串口使用，如图1所示。

图1 系统硬件结构图

系统将IP数据解包后提供给串口，外部RAM使用61C1024（128kB）时，得到了极大的缓存，使用X5045可以将IP地址、网卡物理地址和其他数据参数保存在里面，还可以将串口过来的数据封装为数据包送到局域网中。网卡芯片RTL8019As是一种局域网处理芯片，并且提供8位和16位的两种接口。但是由于本系统中使用的单片机是8位数接口，因此本文只介绍8位数的模式[2]。NE103是一种脉冲变压器，用于对网络信号进行脉冲波形变换。从图中可以看出，整个系统以单片机为核心，通过RTL8019As以太网控制芯片，来实现远程通讯。系统中还使用了X5045作为外部扩展，用来存储网卡和物理地址等一系列的配置信息。与此同时，X5045还具有看门狗、监控电压、上电复位等功能。因而使用X5045监控系统的运行过程，当系统不稳定的时候可以有效地进行复位。

2.2 系统软件的主要构成

该TCP/IP网络通信系统为了具有较好的实时性和稳定性，采用μC/Os-II设计系统软件。μC/Os-II是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统它可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。软件设计工作主要分为操作系统μC/Os-II部分、TCP/IP协议各模块在μC/Os-II上的实现以及RTL8019As驱动模块的编写。操作系统首先初始化网络设备，然后根据需要建立任务，完成数据的解包打包，用户建立自己的应用程序。TCP/IP的基本协议流程图如图2所示。

图2 TCP/IP基本协议流程图

TCP/IP在μC/Os-II上的设计结束后，剩下的工作就是编写应用程序。将系统划分成若干个任务，每个任务对应一个独立的无限循环的主程序，完成一个特定的功能。为简化设计，应用程序采用静态优先级，即应用程序在执行的过程中各个任务优先级保持不变。

3 工作原理

根据TCP/IP协议的层次特性，每个协议层都有自己的数据格式。用户数据从本地嵌入式设备传输到远程主机过程中，需要走过各个协议时不断的打包和解包。单片机把数据包放到一确定的存储区，协议栈各层间传递的都是数据指针，当数据最终发送出去或被用户程序取走时，再进行真正的数据搬移。把嵌入式TCP/IP连入网时，首先将芯片复位，将内部寄存器初始化，等待一定时间后对RTL8019进行操作，RTL8019复位后初始化寄存器，进行数据包的接收和发送。它通过DMA进行读写内部的RAM，将数据包放入外部RAM，单片机直接操作外部RAM。TCP处理数据包流程图，如图3所示。

图3 TCP处理数据包流程图

4 应用

嵌入式TCP/IP协议单片机具有占用小、成本低、硬件少、使用方便、传输速度快等优点，还可以很好的运用于Internet的传输系统中，适用于现有的网络传输系统，特别是传输数据和采集数据的领域中，有着十分广泛的应用前景。

目前，TCP/IP协议单片机在屏幕板的数据成像、远程数据收集系统中被广泛应用。

5 优势与不足

5.1 优势

（1）TCP/IP可以传输通用数据，并且能够轻而易举地取代以前的由专有数据网络传输的数据。

（2）开销极小，成本低。

（3）客户需求量大。

5.2 不足

（1）功能与实现方法区别不明确。在这一点上，它未能清楚地区分服务、接口和协议三者的区别。一个应用效果良好的软件工程应该将功能与实现方法区别出来，但是TCP/IP却未能做到这一点。

（2）没有区分开主机和网络层。一个应用效果良好的参考模型应该区分开来物理层与链路层，但TCP/IP也未能做到这一点。

（3）TCP/IP协议模型对新的技术的指导意义不够。综上两点，TCP/IP的参考模型不适用于其他协议簇。

6 结语

纵观国内市场，基于TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用正在逐步发展，广泛的应用促进了该技术的不断发展与创新，以TCP/IP协议单片机技术的应用系统稳定性高的优势，最终促进我国网络通信事业的发展，为推动我国网络通信事业打下了坚实的基础。