摘 要：uIP 協(xié)議棧是一種免費的可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧，可以使用于由8位或16位微處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)。本文分析了uIP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用接口，并討論了如何將其應(yīng)用到51系列單片機(jī)上。 關(guān)鍵詞：TCP/IP 單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) 一 引言 　　近幾年來，人們對連接各種裝置到一個現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)上產(chǎn)生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網(wǎng)通訊，一個可實現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議棧是必須的。對于由32位嵌入式處理器構(gòu)建的中、高端網(wǎng)絡(luò)接入嵌入式系統(tǒng)中，通常會運行一個集成有TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。但是對于由8位和16位低端處理器構(gòu)建的系統(tǒng)，由于其所具有的處理能力和資源十分有限，通常不運行操作系統(tǒng)，這就要求系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)應(yīng)用的要求以及所選用的處理器的實際情況構(gòu)建自己的TCP/IP協(xié)議棧。而TCP/IP協(xié)議的透明性掩蓋了其實現(xiàn)的復(fù)雜性，從無到有構(gòu)建一個協(xié)議棧是一件艱巨的任務(wù)，并且缺少有效的調(diào)試工具。uIP TCP/IP協(xié)議棧是使用于低端8位或16位微處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)的一個可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以自由分發(fā)和使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP使用C語言編寫，使其方便于移植。并且uIP協(xié)議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小，這就使得它可以方便的應(yīng)用到各種低端系統(tǒng)上。本文將簡要描述uIP的實現(xiàn)方法，分析uIP協(xié)議棧的應(yīng)用接口，并討論如何將其應(yīng)用到51系列單片機(jī)上。 二 uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法簡述 　　uIP實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議， ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應(yīng)用，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實現(xiàn)時采用有針對性的方法，保持代碼大小和存儲器使用量最小。 　　1 實現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時為了節(jié)省存儲器，ARP應(yīng)答包直接覆蓋ARP請求包。 　　2 實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時對原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡化，它沒有實現(xiàn)分片和重組。 　　3 實現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議時，只實現(xiàn)echo（回響）服務(wù)。uIP在生成回響報文時并不重新分配存儲器空間，而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型，重新計算校驗和修改校驗和字段。 　　4 uIP里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口。每個TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結(jié)構(gòu)保存，uip_conn結(jié)構(gòu)包括當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)端的TCP端口編號，遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，重發(fā)時間值，上一段重發(fā)的編號，和連接的段的最大尺寸等信息。一個uip_conn結(jié)構(gòu)數(shù)組用于保存所有的連接，數(shù)組的大小為支持的同時連接的最大數(shù)量。為了減少儲存器的使用量，在處理重發(fā)時uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應(yīng)用程序在需要重發(fā)時重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。 三 uIP協(xié)議棧的接口 　　uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性，在實現(xiàn)時將底層硬件驅(qū)動和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集“打包“在一個“庫“里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應(yīng)用“通信“。通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨立性，移植到不同系統(tǒng)和實現(xiàn)不同的應(yīng)用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺無關(guān)性的特點。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的接口關(guān)系如圖（一）所示： 　　1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口 　　uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設(shè)備驅(qū)動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類。 　　1.1 uIP與設(shè)備驅(qū)動接口 　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為了減少存儲器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動接收到一個IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應(yīng)該調(diào)用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當(dāng)uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0，沒有包要發(fā)送;如果uip_len大于0則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動發(fā)送數(shù)據(jù)包。 　　1.2 uIP與系統(tǒng)計時接口 　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時事件，例如包重發(fā)、ARP表項更新。系統(tǒng)計時用于為所有uIP內(nèi)部時鐘事件計時。當(dāng)周期計時激發(fā)，每一個TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）。TCP連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值。當(dāng)uip_periodic（）函數(shù)返回后，應(yīng)該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡(luò)上。 　　ARP協(xié)議對于構(gòu)建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的，但對于構(gòu)建與其他網(wǎng)絡(luò)接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結(jié)構(gòu)化的目的，uIP將ARP協(xié)議作為一個可添加的模塊單獨實現(xiàn)。因此，ARP表項的定時更新要單獨處理。系統(tǒng)定時器對ARP表的更新進(jìn)行定時，定時時間到則調(diào)用uip_arp_timer（）函數(shù)對過期表項進(jìn)行清除。 　　2 uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口 　　應(yīng)用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。用戶需將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)按功能描述如下： 　　2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)。全局變量uip_appdata指針指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen（）函數(shù)獲得。 　　2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send（）函數(shù)采用兩個參數(shù);一個指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個指明數(shù)據(jù)的長度。 　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調(diào)用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。 　　2.4 關(guān)閉連接接口：應(yīng)用程序通過調(diào)用uip_close（）函數(shù)關(guān)閉當(dāng)前連接。 　　2.5 報告錯誤接口：uIP提供錯誤報告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯誤。應(yīng)用程序可以使用兩個測試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯誤情況。 　　2.6 輪詢接口：當(dāng)連接空閑時，uIP會周期性地輪詢應(yīng)用程序，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應(yīng)用程序使用測試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。 　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數(shù)，一個新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當(dāng)在一個監(jiān)聽端口上接收到一個新的連接請求時，uIP產(chǎn)生一個新的連接和調(diào)用該端口對應(yīng)的應(yīng)用程序。 　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個新連接。這個函數(shù)打開一個新連接到指定的IP地址和端口，返回一個新連接的指針到uip_conn結(jié)構(gòu)。如果沒有空余的連接槽，函數(shù)返回空值。 　　2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應(yīng)用程序可以通過函數(shù)uip_stop（）停止遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好接收更多數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)uip_restart（）通知遠(yuǎn)程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當(dāng)前連接是否停止。 四 uIP在51系列單片機(jī)上的應(yīng)用 　　51系列單片機(jī)具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內(nèi)核的8位單片機(jī)，被應(yīng)用在各個領(lǐng)域內(nèi)。因此使用uIP這種免費的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內(nèi)核的單片機(jī)構(gòu)建的低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機(jī)上實現(xiàn)簡單的WEB SERVER，遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機(jī)系統(tǒng)上的WEB頁面。 　　硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖（二）所示：其中單片機(jī)選用PHILIPS公司的P89C51RD2，64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲WEB頁面。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過MAX232實現(xiàn)與PC機(jī)的串行連接，可以顯示調(diào)試信息。 　　uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動和上層應(yīng)用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加以下幾個模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動、應(yīng)用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實現(xiàn)、系統(tǒng)定時器。 　　RTL8019AS的驅(qū)動主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化，包括設(shè)定網(wǎng)卡物理地址，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等;eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送;eth_rcve（）函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序與uIP協(xié)議棧通過兩個全局變量進(jìn)行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址;uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值。 　　uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲器中存儲靜態(tài)頁面，同時具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)說明實現(xiàn)自己的應(yīng)用層功能。用戶的應(yīng)用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務(wù)程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序為httpd（）函數(shù)，則要進(jìn)行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd。 　　51系列單片機(jī)上都有2到3個定時計數(shù)器，可以選擇其中的一個來為TCP/IP協(xié)議中與時間有關(guān)的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準(zhǔn)，還要為ARP表項的更新定時。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表項每10秒更新一次。 　　uIP的設(shè)置單獨包含在一個叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應(yīng)根據(jù)自己的應(yīng)用在uipopt.h文件里設(shè)置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項。 　　添加了必須的模塊，對uIP進(jìn)行了正確地配置后，需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應(yīng)用，主程序在完成初始化后將不停的進(jìn)行查詢，如果有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input（）函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則處理定時事件?？蚣艽a如下所示： 　　void main（void） //主程序開始 　?。?…… //省略部分代碼 　　timer0_init（）; //定時器初始化函數(shù)由開發(fā)者完成 　　serial_init（）; //串口初始化函數(shù)由開發(fā)者完成 　　init_8019（）; //網(wǎng)卡芯片初始化函數(shù)由開發(fā)者完成 　　uip_init（）; //uIP協(xié)議棧初始化函數(shù)由uIP協(xié)議棧提供 　　httpd_init（）; //HTTP應(yīng)用程序初始化函數(shù)由WEB SERVER示例程序提供 　　uip_arp_init（）;//ARP協(xié)議初始化函數(shù)由ARP模塊提供 　　while（1） 　?。?uip_len = eth_rcve（）; //查詢網(wǎng)卡是否有數(shù)據(jù)到來 　　if（uip_len == 0） //如果沒有數(shù)據(jù)到來則處理定時事件 　?。?if（0.5秒定時時間到） 　?。?for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS為TCP連接數(shù) 　　｛ uip_periodic（i）; //處理每一個TCP連接 　　if（uip_len > 0） //說明本連接有數(shù)據(jù)要發(fā)送或重發(fā) 　?。?uip_arp_out（）; //由ARP處理部分添加以太網(wǎng)幀頭 　　eth_send（）; //由網(wǎng)卡驅(qū)動程序發(fā)送 　?。? 　　｝//對應(yīng)于：for（） 　?。?/ 對應(yīng)于：if（0.5秒定時時間到） 　　if（ARP表項更新時間到） 　　uip_arp_timer（）; //進(jìn)行ARP表項更新 　?。齟lse if（uip_len > 0） //說明接收到新的數(shù)據(jù)包 　?。?if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP數(shù)據(jù)包 　?。?uip_arp_ipin（）; //送ARP模塊進(jìn)行表項更新 　　uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太網(wǎng)幀頭 　　uip_input（）; //送uip_input（）進(jìn)行處理 　　if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不為零說明有數(shù)據(jù)要回送 　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太網(wǎng)幀頭 　　eth_send（）; //送交網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送 　?。?/對應(yīng)于：if（）收到IP數(shù)據(jù)包 　?。齟lse if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包 　?。?uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）處理，如果為應(yīng)答包則進(jìn)行表項 　　//更新 　　//如果為請求包，則構(gòu)造應(yīng)答數(shù)據(jù)包 　　if（uip_len > 0） //說明收到的是ARP請求包，需要回送ARP應(yīng)答包 　　eth_send（）; //送網(wǎng)卡驅(qū)動發(fā)送 　?。?/對應(yīng)于：else if（）收到ARP數(shù)據(jù)包 　?。?/對應(yīng)于：else if（） 說明接收到新的數(shù)據(jù)包 　?。? 　　以上實例在keil C51編譯器下設(shè)置大模式，優(yōu)化等級6（速度優(yōu)先）進(jìn)行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達(dá)進(jìn)行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺上運行良好。 五 總結(jié) 　　uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結(jié)構(gòu)化的代碼，使其存儲器占用量很小并且可以很方便的應(yīng)用到不同的工程項目中。同時它又是免費的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入提供了很好的解決方案，具有很高的應(yīng)用價值。 參考文獻(xiàn) 　　[ 1 ] DOUGLAS E. 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