嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用

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协议嵌入式单片机中，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。

ne103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。

以上为几个最主要的工作寄存器（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，如将第一个字节写入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

如图人所示，单片机首先初始化网络设备。网卡ip地址和物理地址存在x25045中，单片机复位后首先读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udr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

这种嵌入式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。