在網絡技術應用日益廣泛的今天，網絡傳輸是最經濟有效的數據傳輸方式。如何利用廉價的51單片機來控制網卡芯片進行數據傳輸，加載TCP/IP協(xié)議連接到互聯網，實現網絡通信成了眾多設計者的目標。但由于指令及資源的限制，實施過程會有許多困難。我們在設計方案中舍棄了耗費資源的高級協(xié)議，采用發(fā)送小數據包的方式以避免分段，來簡化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，實現互聯接入。

硬件設計與實現

系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的微控制器是Winbond公司的78E58，網絡接口芯片是與NE2000系列兼容的ReaLTEk公司的RTL8019AS。RTL8019AS內置了10BASE-T收發(fā)器，外接一個隔離LPF濾波器，經RJ-45接口輸出。外部RAM是62256，24C02是I2C總線的 EEPROM。

圖1 嵌入式協(xié)議轉換硬件框圖

系統(tǒng)的軟件設計與實現

為適應上網的需求，系統(tǒng)軟件設計主要包括兩部分內容：一是要執(zhí)行對RTL8019AS等的控制功能，二是要執(zhí)行與連接Internet相關的功能，實現TCP/IP協(xié)議。本文著重介紹第二部分，主程序采用C51語言編寫。

RTL8019AS初始化

要將嵌入式系統(tǒng)接入以太網，首先要設置RTL8019AS的工作方式和工作狀態(tài)，分配收發(fā)數據的緩沖區(qū)，通過對地址及數據口的讀寫來完成以太網幀的接收與發(fā)送。然后設置RTL8019AS的工作參數，亦即設置內部控制寄存器。對RTL8019AS的工作參數進行設置完畢后，進入正常工作狀態(tài)，接下來就讀寫RTL8019AS的RAM以完成數據包的接收和發(fā)送。由于篇幅有限，這里就不再詳述。

TCP/IP模型

TCP/IP協(xié)議是一套把Internet上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議族，保證Internet上數據的準確快速傳輸。TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。

本系統(tǒng)中，應用層傳遞來自以太網和數據終端的數據，并對數據報作打包拆包處理。傳輸層采用傳輸控制協(xié)議TCP或用戶數據協(xié)議UDP。網絡層實現IP協(xié)議，還要實現能報告數據傳輸差錯等情況的ICMP協(xié)議。鏈路層部分由RTL8019AS完成，鏈路層由控制同一物理網絡上的不同機器間數據傳送的底層協(xié)議組成。

在單片機里只實現與需要有關的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。單片機應用的TCP/IP協(xié)議大多是為了完成數據采集和數據傳輸，而不需要網頁瀏覽、文件傳輸這些功能。

ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議）

以太網是TCP/IP協(xié)議主要采用的局域網技術，是系統(tǒng)接入Internet的基礎。ARP本質是完成網絡地址到以太網物理地址的動態(tài)映射。UNIX系統(tǒng)的ARP協(xié)議支持以太網、令牌環(huán)等網絡，但我們的單片機系統(tǒng)里只支持以太網。

IP協(xié)議（網際協(xié)議）

IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數據都以IP數據報格式傳輸。就對某些協(xié)議而言，IP包最大可以為65K，可以分段傳輸，而在單片機里根本無法容納如此大的數據包，因此一般是不支持分段的。我們的設計中采用發(fā)送小數據包的方式，以避免分段。

TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）

TCP數據封裝在一個IP數據報中，并具有自己的TCP首部， TCP協(xié)議定義十分復雜，鑒于51單片機的片內資源十分有限，本系統(tǒng)對TCP協(xié)議進行了一定的簡化處理。標準的TCP協(xié)議使用慢啟動的滑動窗口機制，如果只使用單個窗口，就變成了一種簡單確認的處理方法。即只需對單個數據報發(fā)送和確認，節(jié)約了系統(tǒng)資源，也使維護更加方便。

編程實現TCP協(xié)議的另一個難點在于TCP建立連接和終止連接的具體過程的實現。TCP協(xié)議是一個面向連接的協(xié)議，連接的雙方無論是哪一方向另一方發(fā)送數據，都必須先通過“三次握手”過程在雙方之間建立一條連接，和通過“四次握手”終止連接。

連接建立后，TCP就可以發(fā)送數據塊，稱為數據段。當TCP發(fā)出一個段后，它啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發(fā)這個報文段。另外，TCP將保持它首部和數據的檢驗和。

系統(tǒng)主應用程序的實現

系統(tǒng)初始化后，進入主程序循環(huán)的兩部分：一是對接收到的以太網數據幀進行解包，供應用程序使用，一是對發(fā)送的數據進行封裝并發(fā)送，使采用TCP/IP協(xié)議的以太網內的所有計算機都能收到此數據幀。圖2是系統(tǒng)的主應用程序的流程圖。

圖3 系統(tǒng)的主應用程序的流程圖

單片機實現TCP/IP協(xié)議的難點

51單片機的程序空間、可用的內存RAM、運算速度、指令集等原因，在UNIX或Windows上實現的TCP/IP協(xié)議的源代碼并不能夠直接移植到8位的單片機上。在51單片機上編寫代碼會受許多限制，特別是實現TCP/IP協(xié)議這樣關系復雜的程序，我們必須根據實際情況盡可能挖掘51單片機的性能。綜合來說，單片機實現與UNIX實現TCP/IP有如下區(qū)別：

（1）操作系統(tǒng)：Windows或UNIX都是多任務操作系統(tǒng)，這使得代碼編寫簡單化，在單片機只能是單任務系統(tǒng)，代碼結構為順序執(zhí)行+硬件中斷的方式，無法并發(fā)執(zhí)行。

（2）內存分配：Windows或UNIX的內存分配是動態(tài)的。而一般單片機只有外接的一塊32K字節(jié)的RAM，并同時被各個協(xié)議使用。一個最大的以太網數據包有1.5K字節(jié)，分配一包的緩沖區(qū)就要1.5K字節(jié)。為此，我們分配一個256×6=1536個字節(jié)的固定的RAM來存放收到的以太網數據包。收到一包就處理一包。

（3）指針：在PC里所有程序都必須先放在RAM里才能運行，所以它的指針都指向RAM。而單片機的結構和PC的結構有很大差別，指針類型很多，各指針運算的速度也不一樣，特別是“一般指針”運算很慢，還會占用很多程序空間。UNIX實現TCP/IP的源代碼中，用得最多的就是指針，而在單片機里一般要求少用指針，或使用特定類型的指針。對使用UNIX的源代碼需要作很多的改動。

（4）參數傳遞：在UNIX實現的TCP/IP源代碼中，一般有很多的參數傳遞，而在單片機里允許傳遞的參數是有限的（因為受到內部RAM的限制），同時參數傳遞的過程要浪費程序代碼空間，也降低單片機執(zhí)行速度。所以在單片機的實現里，一般不要做太多的參數傳遞，而多使用公共的全局變量來實現調用的過程。

（5）硬件接口：在UNIX或Windows里，對網卡驅動無一例外都是采用中斷方式，因為PC的處理速度快，一次中斷的處理時間也很短，不會影響系統(tǒng)內的其它中斷。而在單片機的應用中，大部分的方案都是查詢式的。PC的NE2000的網卡，一般都是用16位DMA的方式，而在單片機里卻只能用8位DMA方式。這也使UNIX對網卡驅動的代碼不能直接移植。

結語

本文設計的嵌入式網絡接入方案，采用廉價的8位51單片機實現了簡化TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，并支持主動和被動連接、跨越網關，實現互聯網接入，在被控設備與上位控制機之間提供了一條透明的傳輸通道，用戶不需對原有串口設備或其他數字設備做任何修改，就可享受到網絡的好處。目前，本文的系統(tǒng)已被成功使用在網絡化的數據采集器中。