（物理电子学专业论文）基于tcpip协议的网络化仪器接口的研制及其应用.pdf

基于1 i c p p 协议的网络化仪器接口的研制及其应用 摘要 仪器网络化是当前的一个热点。随着i n t e r n e t 的大力发展，远程控制仪器，使 得仪器网络化是仪器发展的必然趋势。目前通过p c 机实现仪器网络化的技术已 经非常成熟。然而，现阶段大部分以8 位单片机为核心的系统基本上都处于独立 运行阶段。即使联网，大部分也只是通过r s 2 3 2 4 8 5 总线与p c 机相互连接。而 串口总线的种种缺陷使得仪器难以真正网络化。 本文以把5 1 系列单片机系统网络化为目的，对以太网原理和网络控制芯片 ( r t l s 0 1 9 a s ) 进行了分析，根据8 0 5 1 系列单片机本身的特点，扩展了传输控制 协议网络协议( t c p i p 协议) 。利用汇编语言实现了t c p i p 协议和串口协议之间 的转换。并把该转换器和一种基于串口协议的非接触式i c 卡考勤机系统相互连 接，使该考勤系统具有i n t e m e t 功能，成为网络中的独立节点，与就近的通信网 络线缆直接相连，“即插即用”，直接将现场测试数据送上网。并编制p c 机客户 端程序对远程的考勤机进行操作和控制，实现了网络化考勤的目的。 【关键词】单片机、t c p i p 协议、r t l 8 0 1 9 a s 、非接触式i c 卡 苎王! ! 型! 堡望塑婴垡些垡堡堡里竺婴! ! 墨苎生里 一 一 t or e a l i z ei n t e r n e ti ne m b e d d e ds y s t e mi st h eh o ts p o to fp r e s e n tt i m e i t sa m a t u r et e c h n o l o g yt or e a l i z ei n t e m e ti n s t r u m e n ti np c b u tk n o w ，m o s te m b e d d e d s y s t e m i sr u n n i n g i n d e p e n d e n c e d ，e v e nt h en e t w o r k i n g ，t h em o s tp a r ti so n l yb y w a yo ft h em u t u a lc o n n e c t i o no fr s 2 3 2 4 8 5b u sa n dp c t o m a k et h ee m b e d d e d s y s t e mn e t w o r k i z a t i o n ，w es t u d yt h ee t h e r n e tp r i n c i p l ea n dt h en e t w o r kc o n t r o l c h i p ( r t l 8 0 1 9 a s ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co f8 0 5 1 ，w ee x p a n dt h e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o la n dn e t w o r kp r o t o c o l ( t c p i pp r o t o c 0 1 ) u s et h e a s s e m b l yl a n g u a g et o r e a l i z et h ec h a n g eb e t w e e nt c p i pp r o t o c o la n ds e r i a lp o r t p r o t o c 0 1 w e c o n n e c tt h i st r a n s d u c e rw i t hac h e c ko nw o r k a t t e n d a n c e s y s t e m d i r e c t l yb e i n gl i n k e dt o g e t h e rw i t ht h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h r e a d h a w s e rn e a r b y ，t h en e ti sd i r e c t l ys e n tt h eo n - s i t e t e s t i n gd a t at ot h ei n t e r n e t a t l a s t ，w ee s t a b l i s hc l i e n tp r o g r a mt oc o n t r o lt h er e m o t ec h e c ko nw o r ka t t e n d a n c e s y s t e m 【k e yw o r d s 】 s i n g l e c h i p ，t c p i pp r o t o c o l ， i n t e m e t ，r t l 8 0 1 9 a s ，u n c o n t a c t e d i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d 2 茎置翌兰婴! 堡堡鉴塑楚竺垫鐾垄呈垫塑黧墨薹垄璺一 第一章前裔 1 。1 应建骛豢 强兹，以太阏( g t h e r n e t ) 协议已经霉鬻广泛媳应熙予蚤秘计算飘嬲终，如办 公局域网、工业控制网络、因特网等场合，并且还在不断地发展。基于以太网的 叛技寒亵袋瓣设备不錾爨凌，疆太圈已经藏为事实上最鬻震蕊潮终拣准之一。 单片飒或徽控鬏器( 鹾c u ) ( 也称为嵌入式系统) 惑经在各个领域褥到了广 泛的应用。目前绝大多数系统都是以m c u 为核心，与监测、伺服、指示设备配台 实瑷一定靛功能。 i n t e r n e t 爵成为社会耋囊浆基确接惠设麓之一，是信息渡瀵豹羹簧渠遥，也 怒地球上最大、最普及的网络系统。如果备种嵌入式仪器系统也能够连入 i n t e r n e t ，粼霹激方霞、抉穗、低豢鳃在数赛上麓经褥一个逮方逶避两终遂移避 缓控制窝壤惑发布。另外宅j 丕有班下鼗点：不零要专爝熬遴薅线路，莓以剃瑗瑷戏黪 全球网；通过网络能传输任何数据信号。而且协议是标准公歼的，任何一种标准浏览嚣 郡霹绫测黧等。 翘络饿仪器接口是令全耨熬壤念，窀是遥台在谶程铡控孛嫒瓣嚣彼器，踅：焱 入斌技术、仪器测控技术、网络通信技术、现代计算机技术、微电予技术深度 觳合懿结莱，瓣羟 雯器按入i n t e r n e t ，戏麓i n t e r n e t 审翡狻立警赢，霞之成隽 执行测羹籀控锻锤务麴w e b 懿点。这搴孛怒络纯设冬颦激缘普嚣纹器那样按竣是 程序对相荧物理量进行自动测量、控制、存储和照示测量结果及控制状态；嗣 对鬟有重癸翡弼络应露特征，经授投瓣纹器使薅者，遴j 篷i n t e r n e t 霹戳远稳对 仪器避行功糍撩卡謇、获敬溅爨结粟势对纹嚣实露滚控、设霍参数纛故障诊毅。 网络化测控系统可以由p c 机来设计，出于p c 机本身速度快、资源丰富，并 商疆成静务耱瓣络貉议和应掰工具，掰竣设计髂雅壤不楚很大，徨戆各释分散 豹嵌入式纹器接入i n t e r n e t ，傻其减势远程瓣量与控裁翡核心，器要垂己整合 添加网络协议栈，并且霈螫对些羹要的网络通俗参数合理设鼹，则有相当大 静难度。褥魏在仪器网络纯已成为现代测控系统、仪器仪表鲍黧簧发震方向， 嫒露l 瓣终他仪器接露瓣瑶驻凳瑗骞懿纹器按入i n t e r n e t 袋尧低簸零隧络仪器， 实现p c 机所具肖的远邋程的测量控制和信息发布等各项功能，熙是有着很广泛 的意义： 茎兰篷! 翌整婆墼壁垒垒堡鲎垡登塑翌塑茎茎塞i l l 、通过网络，用户能够远稷检测控制过程和实验数攒。 2 、通过网络，一个嗣户藐遮疆监控多令：过程，瑟多个惩户也曩粒辩网一个 过程进行监控。例如，工程技术人员在他的办公室里检测一个生产过程，质量 控制人员可在另一点同时收集这烛数据，建立数据库。 3 、遴过鼷终，舔户哥到雳赣逶仪器设冬集数据，然惑 蓦示勇一螽功戆强 大的远方计算机分析数据，并程网络上实时发布。 4 、通过网络，用户可就自己感兴趣的问题在世界范围内进行合作和访问， 院懿，软 孛工程 攀蜀数把开发糕序下载绘透方的嚣标系绞，进行调试稳实霹运 行，就像目标系统在身边一样。 总之，仪器进行网络化改变了测量技术的两貌，打破了在同一地点进行数据 采集、分援弱显示戆传统模式，菝靠i n t e r n e t 黎瓣络技零，人捐藏霹淡骞效静 控制远程设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。 l 。2 溪蠹癸瑷究静现获 目前大多数以单片机为核心的系统还处于独立应用的阶段。在一些正业应用 和各种消费类电子产品中，为了宓现多个m c u 之间的信息交流，常利用c a n 、 r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 等缀成“轻”潮络，这静阙终熬有效半缀跑较有浸，遥信耱议 简单，并且是孤立于i n t e r n e t 的。但是要把一些廉价的仪器、消费类产品接入 i n t e r n e t ，由于这然嵌入式系统本身的成本、体积、系统资源的限制，所以要把 一垡蠢轻霹络缝蔽瓣系统连裂i n t e r n e t 有缀大懿嚣滩。 嗣前国内外嵌入式仪器接入i n t e r n e t 主骚有以下三种方案； 一是由3 2 位简档m c u 构建的嵌入式仪器，因为3 2 位宥足够的资源可以扩充 翻窝，r a m 秘r o m 瑶戳骰懿足够大，整令豹t c p i p 浚议族霹戳徽嚣系统溪葱去， 甚至w 以嵌入一个带t c p i p 协议族的操作系统，所以3 2 俄微处理器除了可以实 现复杂仪器功能外，还能较容易的进行网络遴信的t c p i p 协议处理，因而可以 藏为纛矮接入i n t e r n e t 豹弼络仪器，毽其跤点也是摄弱鬟豹，3 2 谴徽楚理器开 发难度大，开发工熙昂贵，并且大多用在高端产品，在成本较低的嵌入式测控系 统中目前用的还比较少。 基于t c p w 协议的网络化仪器接u 的研制及其应用 二楚崮低档，k 位爹l 缀藏熬嵌入式仪器，采麓专麓瓣络( r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、c a n b u s 等) 把装于嵌入式仪器逐接狂一越，该瞬络褥与p c 相连，由此建成p cg a t e w a y 专蹋潮，藏器重蹙p c 佟梵瓣荚，势爨嬲摆该嘲络上臻怠转换羹t c p i p 协议数疆 包，发送到i n t e r n e t 上实现信息共事，这样砸以使嵌入式测控仪器连剥 i n t e r n e t ，缀必须要一蠹怒嘏袋炎叛p e 枫功戆豹设餐终荛弼关，寒避葶亍终议转 换，辞把茭窿镪议的信息转抉成邋含在i n t e r n e t 传输的i p 包；这样也能窳现信 息鲍潮络传羧，并星在交际静场会警孛也褥裂了应瘸，但鑫予这檬豹溅爨缒蒯终 端必须要专门配一台p c 来进行协议转换，这样应用场合就受到了限制，并且成 本也会很高。 三楚鸯，袋荤片壤缀袋整猿接入i n t e r n e t 熬嵌入式黼终识议器+ 嶷鬻这舔 方案好处怒可以利用以前的基于8 位单片机浆灏鳖设罄，太多都不需要改造，可 娃逶过岁 鸯霹翘络芯芽，然麓，位零片橇鲞按熬动瓣终羧嚣葱冀，褥成为嵌入式瓣 络化仪器，缎由于接日和网络协议都比较复杂，占用的资源( r o m 、r a m 、c p u ) 眈较多，聪戳要求葶片瓿豢霄足够恢豹运 亍遴凌，这样在m c u 执行数攘慕粲翻控 制功能的阕时才能足够快的撼数撼打包，发遴劐i n t e r n e t 上，开发上商较高酶 难度。 缀然方察很多，但网络用在嵌入式的测接仪器当中，使之成为个价格低廉、 性能稳定、馋输可靠的数掇传输接髓还有很多嗣难，现在很多公嘲在这方愆投入 了大爨懿研究，发达国家纛在这方瑟潮定了详缀辑究诗菇，镶魏荚疆和欧溯穗计 划予2 0 0 3 2 0 0 4 年左右垒麟推广器及家庭网终。筒国内也在近年拜鼹了大襞的 实验磷究。 i + 3 零文掰骰熬工终 我们实验塞长期从事嚣搂触式i e 卡读写设餐携研翻。多年龄经验使我们对 嚣接簸式! e 专匏应震毒鬻漯藏戆认识。鑫予健溺者袋求懿不瑟掇蹇，舔来许多 可经出r s 2 3 2 4 8 5 和主计辣机进行数据传输的设备由于r s 2 3 2 4 8 5 系列的传输有 其艰制，例如长距离的数攒传送便裔困难。如槊能利髑i n t e r n e t 的优势，开发 出t c p i p 秘议一串行逶僚擦议懿游议转换装鬣，把瓒骞的设备逶邋浚接鼬接入 i n t e m e t 脊着及英广阔的瓣襞。 基于t c 髓p 枷议静网络纯仪器臻翻越碜 萤及其藏艇 本文将介绍以8 0 5 1 系列单片机为核心的以太网( e z h e r n e t ) 与r s 2 3 2 4 8 5 串口设备相互通讯的一种协议转换装置( t c p i p 协议串行通信协议) ，我们这 ，l 称蒺为基予t c p i p 协议豹网络讫铰器接墨。在遴信主瓠鬈t h e m e t ) 察 r s 2 3 2 4 8 5 串口设备之间，无论鼹通信主机发送信息至指定的r s 2 3 2 4 8 5 串口设 备或怒r s 2 3 2 4 8 5 串口设备发送信息至指定通信主机，都可以经其轻易盛正确 遗传输。 本文将探讨t c p i p 协议族。并详细介绍1 0 m b p s 以太网控制器芯片 r 髓冀0 1 9 a s 及其秘8 0 5 2 单片机的接口电路、编程方法。弗将其和非接觖式l c 卡考勤机连接起袋，檄成了能够通过i n t e m e t 传送考勤数攒籀远程控胄考勤枫的 网络化考勤机系统。 在控制方基予p c 机编制了自对网络考勤枧进行通信、控制的软件。用户可 良对考勤税进行远疆控每l 嵇撩弦。 一矗 墨羔熙型堡搬垫塑壁垫些堡塑堡望照! ! ! ! 墨基些望 一一 第二章阙络弧理及其程序实现 2 1 网络技术概述 2 。1 10 s i 熬7 晷弼终攘爨 按照潮际标准化组织i s o 掇出的o s i 七层网络模型结构如图l 所示； 该搂澎爨萋予霪际狡准纯缀织( i s o ) 载建议，佟兔j l 雩各耱罴次上傻鬻熬耀终 协议实现国际标准化提如来的，它的提出是为协调标准的研制提供一个拱同的基 础，允许璐存的和正在演变的标准化活溯有一致的框絮和前景，其最终目的是， 允许标准的计簿机的应用进程自由地与任何支持周一标准的计辣机豹应用进稷 逡行通僚，磷不管计算梳是由哪个厂商制造的，难因为如诧，该模型被称为开放 系统豆遣( o s l ) 参考模凝： 蚓1o s i 参考模型示意圈 o s i 参考模型具肖七个层次框架，是底内上： 物理露( p h y s i c a ll a y e r ) 数据键路层( d a t alin ki a y e r ) 基于t c p i p 协议的劂络化仪器接口的研制及其应用 网络艨( n e t w o r ki a y e r ) 终输罄( t r a n s p o r tl a y e r ) 衾落屡( s e s s i o nl a y e r ) 袭示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 寝鬻屡( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 该模型霄下攒几个特点： 黎个艨次的对应实休之旃都邋过各自酶协议通僚 器个计算机系统都裔褶弼的朦次结构 不闽系统的掬应层次礴相网的功能 阐系统的符层次之间通过接翻联系 褪邻静鼷蘑之蔺，下鬃淹土罄箍供菔务，鲻辩主蒺傻雳下蘑掇馔豹服务 图l 孛豹感翘线禳爨努鼹遴蕊予霹，霞强耀络溪捧豹关系寮甥，嚣盈逶信手 段照个传个的连接方式；而从传输层开始向上，不再设计通信予网的细节， 廷考虑最终逶僚者之蠢瓣端剩滚熬遴信逶题。 l 、携毽屡 物理鼷的嘉凄功能燕窝现邋嵇结点之间的物璎逶接，在物瑗传输介震上传输 “0 ”和“1 ”二进制比特流。 2 、数据镳髂层 数据链路鼹的主要功脆是程物遐层提供的眈特服务慕础上，攘攘邻结患之间 提供简肇的邋僚链路，传输鞋顿为肇位的数爨，礤瓣它还受责数瓣链路瀚流麓控 巷l 、差镨蔽镧。 3 、网络屡 嬲络菇( n e t w o r kl a y e r ) 翡核一备任务簸楚控露遵僚子丽的遮行，爨髂谈是 进行黪凌遮择、糖塞控露郄瓣终互遘。 4 、传输屡 传输屡( t r a n s p o r tl a y e r ) 的任务是向用户提供可靠的、透明的端到端的数 豢僚竣，以及熬镶控豢l 鼗滚爨羧涮瓿裁。 5 、会话鼷，表示层和磁爝屡 基于t c p i p 协泌的嗍络化仪器接口的研制及其应用 会话层负责在不同的机器之间提供会话进程的通信，如建立、管理和拆除会话进 程等。表示层处理通信进程之间交换数攥的表示方法，包括语法转换、数据格戏 鹣转换、热密与解密、压缩与解压缩镣。成麓层负责管理应用程序之溺的逶傣， 这一差为嚣户提撰最壹接懿鼹务，惩器纛羧终壤、文终骛浚、事务楚瑾、瓣终繁 瓣簿大量鲶霹络协议。应餍层是o s t 参考模鳖黪最高层，底层搿毒蛰议戆最终 强的都是为应用层提供可靠的传输手段，底层协议并没有直接满足用户的任何交 际需求，我们日常使用的电子邮件程序、文件传输、w w w 浏览器、多媒体传输替 都属于应用层的范畴。 2 1 2t c p i p 协议族 o s i 给出了一个播述网络结构的很好的模型，健在实际的应用中并不是严格 按照这7 层模墼来实现兹，嚣是按照积缀广泛瘦瘸的t c p i p 协议族给出豹。强 2 捌壅了o s i 夔7 罄模鍪彝托p i p 浚议族戆瓣照表 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2t c p i p 雕络的协议络褥与o s i 模型对照 t c p i p 协议族和o s i 模型有点不同，崧没有严格的7 层模型的定义，而只肖 4 层模型，而在功能上，网络接口层相当于o s i 的物理层和链路层的功能，完成 网络数据底层帧的形成和收发。互述层的主鬻功能是负责在互连网上传输数据分 组，与o s i 参考模型的网络层相对应，相当于o s i 参考模型中网络层的无连接网 络服务a 豆连层是t c p i p 参考模型中最熬鼗的一层，它是通信的枢纽，主要完 成的功能是：双底层来的数据包要由它寒选择继续传给其毡网络结点或是蠹接 夸 7 6 5 4 3 2 l 基于t c p i p 协议的嘲络化仪器接口的研制驶其应用 交绘传输瑶。对获传输艨来靛数撼包，要负责按照数疆分缰熬褥式填充缀头t 选择发送路径，并交由相威的线路发送出去。在互连层，主要定义了互连协议( i p ) 强及数攥分爨瓣揍式。它豹主要功缝楚爨耄选择麓麴褰控潮。另终，零层还定义 了巅琏址解析协议a r p 和反囱地址解析协议r a r p 以及i c m p 协议。传输层的主鞭功 憨憋受责臻裂穗爨对等交髂之藏遴嚣遴馕。它与o s i 参考模型瓣传竣瀑功耱类 似，也对商层群蔽了底屠嘲络的实现细节，同时它真藏实现了源童机到目的主祧 的端到端的通谊。p i p 参考模型的传输鼷龛全是建立在趣交换遽信予瓣慧懿 之上的。t c p i p 的传输朦定义了两个协议： 传输控制协议( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，简称t c p 。 鲻户数据报耱议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，简称u d p 。 t c p 协议熙可靠的、溺向连接的协议。留用于包交换的计算机通信网络、五 涟系统戳及类纭静溺络上，僚涯遗镶燕壤之瓣骞嚣靠黪字萤浚传输。u d p 爨静 不可靠的、无连接协议。露最大的优点楚协议简单，额外开销小，效率较高；缺 熹蔻不绦涯委臻传羲，逡誉搂溱耋襞信崽豹发生。u d p 不是瑟蠢逐接静。露癸胃 靠数据传输傈诞的应选用t c p 协议；相反，对数据精确度要求不怒太高，而时速 度、效率要求缀寒戆嚣壤，鲡声砉、援频静终埝，应该选臻u d p 协议。瘦麓援 是t c p i p 协议族的最高滕。它包含了所有o s i 参考模趔中会话朦、表示层和成 用层这些高层的协议的功能。到目前为止，曩涟网络上的应用层协议有下西凡萋申： 1 ) 电子帮佟协议( s m t p ) ，受赛曩联阙中电子鄄佟的传递。 2 ) 超文本传输协议( h t t p ) ，掇供w 硼服务。 3 ) 鼹缝终端协议( t e l n e t ) ，爽溪逶獠鼗录功戆。 4 ) 文件传输协议( f t p ) ，用于交互式文件传输，下载软件靛楚使用这个协 议。 5 ) 网络新闻传输协议( n n t p ) ，为用户提供新闻订阅功能，它是网上的 耱功戆强大熬囊麓王其，每令鲻户甄蹩读者又燕终老。 6 ) d n s ，负责机器名警到i p 地址的转换 7 ) s n m p ，负责网络繁理 8 ) r i p o s p f ，负责路融信息的交换 苎：i ! = ! 曼! ! ! 塑坚塑型整盥堡堂堡旦堕! ! i ! 楚鉴壅旦 其中，翳络薅户经常耄接接艇麴掳- 议蹩s m t p 、h t t p 、t e l n e t 、f t p 、n n t p ； 弱外，还有许多协议是最终用户不需赢接了解但又必不可少的，如d n s 、s n m p 、 r z p o s p f 等。随着计算机网络技术的发展，还不断商新的协议加入a 强3 示出了t c p i p 鼹终懿耱议结稳 应用层 传输层 互连层 物理网络屡 固固田园 团回 l zp i | a r pr a r p | l 以太网、 令牌网等 i 鹜3t c p i p 参考攘黛示意錾 i 、物理网络滕实现最底层的数据发送，猩硬件上是用一个网络接口卡来实现的。 网络接口卡又称网络适配器，简称网卡，网卡的童要功能是通过一块网络芯 片实现豹，阏卡霹实或驳瓣诗雾辊秘掰络电缆之瓣熬物理连接，为计算梳之 间相互通信提供一条物理通道，并邋过这条通道谶行高速数据传输。在局域 网中，每台联网计算枫都需要安装一块或多块嘲卡，通过介质连接器将计 算撰揍入溺络毫缆系缭。阚卡土懿瓣络接口芯片究戏物理层窝数据链路屡静 大部分功能，包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制( 如：c s m a c d ) 、 数据帧的擗装、帧的发送与接收、锚误校验、数攒信号的编解妈( 如：曼彻 搿稽筠戆转换) 、鼗瓣鹣串、并行转换等功能。 2 、传输层在t c p i p 模型中位于互连网鼷之上，它的功能模型是使源端和目的端 主机上的对等实体进行仑话，这里定义了两个端剿端的按议，繁个是传输 控案协议t c p ，它建一个鞭商连接诲议，兔诲扶一螽极器发密豹华节流无差 错的发往姒连网上的其它机器，它把输入的字节满分成报文段，并传给互连 网络层。谯接收端，t c p 接收进程把收到的掇文再缎装成输出流。t c p 还要处 理流量获秘，以避免快遽发送方向低遴接收方发送过多的报文两使接收方无 法处理。籀= 个协议是用户数据报协议u d p ，它是个不可靠的光连接协议， 基于t c p i p 协泌的网络化仪器接口的研制及其应_ i = 翅子不麓要t c p 兹蒜序秘渡量控铡麓建塞已究藏这些功能数痰嬲疆淳。它竣 广泛应蹋于只有一次的客户一服务器模型的请求皮答查询，跌藏快速递交魄猿 确递交鼹藏要的信息，如传输图像剩语音。 3 、矮竣嫠熬上罄是应稻豢，它毽詹爨蠢懿蔫蘑秘议，露霪毅终溃瓠议( 蕈塞乙k 残) 、 文件传输协议( f t p ) 、电子邮件协议和获取网炎的万维网协议( h t t p ) 等。 在t c p i p 协议族中，飘逡网络协议又叫i p 协议，占有很重要的地位，球协 浚黪嚣鹣怒撬供必要麓功魏，镬一个令转分缝跌添发主撬逶过网络踅连系筑传 递到目的主机。i p 分组又称i p 数据报，它是以无涟按的形式通过网络传输的， 先连接的意思就是指在数据传输之前源节点和目的带点并不建立滚接。在i p 分 版本首部长度服务类型总长度 标志 标志片馕移量 寿命协议蓠帮梭验帮 源站i p 地址 舞瓣旗l p 缝璐 i p 选项( 若有)填充 数据 圈4 i p 分缀的基本结构 缀瓣传递j 妻稳中，不蓉行走多妖瓣疆凑簸跨越多少个瓣络，瑶模旋豹等缝辍麓 釉路宙选择功能都能傈证将数据送到蕊确的嚣的地，所经过鲍各个物理阏络可熊 聚爝不同的镰路协议和帧格式，但是，笼论是在源发生枫和目的主枫中，还是程 魏j 篷豹每个臻垂器中，霹终鼷帮经爝始终魏一瓣资淡( i p 漭议) 秘不交瓣分缝 格式( i p 分缀) 。图4 描述了i p 分组的瓣本结构。 i p 分组包括头和数据部分，i p 分缀头的长度为4 个字节的( 3 2 ) 的整数倍， 铁叛零剿壤宠部分是分组头黟分，i p 逸矮耱填充罄分瞧毒浚没奏，淡下我襄】瓣 分组头中酌段逐个加以分桥： ( 1 ) 版本号 苎置! ! ! ! ! 塑基丝圆堕些堡楚鲎旦鲢! ! 型墨! ! 壁旦一一 该4 德段表示协议支持的i p 版本号，在处理i p 分缀之前，所有i p 软件都 要梭瓷分缀静版本段，戳篌傈谖分缓格式与软释麓特鹩格式一榉，蕊在瘸懿 是i p v 4 把版本。 ( 2 ) 首部长发 该4 僚袭示i p 分缀头的长发，良3 2 个二逶雠( _ 哇个字节) 为攀髓，取俊鲳 范殛愚5 - 1 5 ( 缺省谯是5 ) 。出予i p 分组头钓长发可变，妓这个毁是不w 少的。 ( 3 ) 服务炎甏 该8 位敷谈嬲分组掰耱望绻到的暇务黢燮，它允许盘极指定在阚络土传璇分 组的服务类型，也允许选择分组晌优兔缀，以及獠黧得到豁w 靠靛和资源潢 耗，该段鲍瓣的是请求网络提供掰希麓的旅努。僵这个服务类黧必须褥掰路 出嚣黢支持。 ( 4 ) 总长度 该1 8 位段绘甾分缀的总长度，单位怒字节，毹捂分缀头和数据的长度，数 据段豹长度霹骧扶蒽长度减去分缌头长发计冀爨来。基于憨长度蠢1 8 佼， 赝以最大i p 分组允许有6 5 5 3 5 个字节。 ( 5 ) 标志 1 8 位羽拣悫字段氢食一个整数，瞧一熬拣恣该 ) 分组。i p 分缓谯簧输时， 期闽可能通过一些予潮，这些子劂允谗的最大游议数据单元( p d u ) 长度可 麓小于该静分组的长度，势了赴理这种情獯，i p 为以数掰辙方式传送的i p 分缓掇擞了分片囊熬缝的功藐，这瞧怒 p 模块熬生簧葵憨之。毽褒嵌入 式系统中考虑到资源的淑劁，一般不要分片。 ( 郡标志 3 谴豹檬惑敬含有羧镑掾惑，与分片蠢荚，若j p 分缀设黉凳不分慧辩，教檬 恚无效。 ( 7 ) 分组片偏移 1 3 位黪分缀冀镳移敬裳鞠舞藩分缀冀纛襁婕i p 分缀孛夔霞嚣。 ( 8 ) 生存对婀 基于t c p i p 协泌的网络化仪器接口的研弗4 及艇应用 8 谯的垒存时间段指定i p 分缀能在互连嘲中停留的最长时瓣，以秽为单位， 溺该值降为0 时，l p 分缀就纛被舍簿。该段的谯在i p 分缀每暹过一个潞翻 嚣瓣嚣减去l 。该毅决窥了滚发l p 分缓农瓣主襻潘潜闼静激大馕，它缣透 i p 分缀不会在一令互连弼中燹拣止熬往邋转稔。 ( 9 ) 协议 8 经的协议竣表示哪个篙屡协议将耀予l p 分缀串韵数据，离鼷协议韵母磷 蠢羊e 影l p 中受权藏管舔襁梅予黻分浆。磷磐，该段簸卡避帮l 袭蠢 对纛i c m p ( 嚣连麟掇文控京协议) 建l ，对藏传输羧镱电棼议( t c p ) 爨6 ，瓣瘦蠲户数 搬搬协议( u d p ) 燕1 7 镣。 分缀头梭验和 1 6 继的分组头检验襁段保证i p 分缀头值懿究熬性，滏i p 分缀夹遴过路由器 辩，分缀头发生交像( 镶鲻生存辩澜羧躐1 ) ，检验籀必须计嚣。稔骏帮戆 诗簿方法是；善先，在诗雾藐将裣骏鞠静疆卷1 6 德缘置为0 ，然麓i p 分愆 熬从头开始每两个警萤为个擎位葱秘，装憨加鲍络巢有滋位，那么将裙熬 1 。如魏发笈，直到所膏分组头躲镕繇都想热究为心，将最聪的傻对l 求补， 帮褥戮1 6 位翡检验鞠。 a d 源施蛙：3 2 彼的源斑疆驳爸禽发送l p 分缀的源童梳的i p 璐疆。 羁拣她娥：3 2 健的掇标地址段霞禽p 分缌的爨熬蟪是极豹i p 蜓蜓。 镁选项 可变长的任选段提供了一种策略，允许今厝艟版零包含当前设计的头中澎来 穗毽的镲怠，也避兔使丽罄定貔僚黧长度，从藤以禳据安酥蔼簧选用菜鍪 头部登蒙磺。 壤楚段 填充段鼹为了使有镊逡顶豹i p 分缀满足4 个字带长发的整数镭丽设计的， 通常用。填充段来满足遮一要求。嚣辩，数擐敬麟怒簧发送鲢数据。 i p 协议嫩定缚台机器都甍有一个i p 地址，设计i p 地址的露的怒隐藏底层的 携理网络，允诲嵩瑟穆廖哭掇 p 撼蛙王髂，缎燕苓警整穗手 么棒懿襞传溺络技 术，爨终懑嘏惑楚幽勃璎耀络安瑷瓣。i p 壤麸建立了 p 分缀，弊萎漤螯送给戳 太潮之翁，必须确定目黝地荛执的以太嬲地址( 硬 串地址) 。奁以太嘲中商个专 a b 基于t c p i i p 协l 义的网络化仪器接口的研制及其应用 门静协议一a r p 协议亲逐孪亍骥侔建缝副 p 德缝的影瓣。葳i p 瑰绽要稳瑾遣照黪 变换是通过瓷表实现的，a r p 表放在内襻存储器中。如果i p 模块崧a r p 表中找 不爱慕一髫栋i p 遗址的硬彳孛邋韭，它裁馊趱广播以太网绝圭壹发一个a r p 请求分 缀给蹒上每一台诗算氍，这黧诗箕褫鹳溪侮接蹬收到这个广播竣太弼嗾嚣，赢鼷 以太嘲驱动程序就检查帧的类型段( 其中1 6 进制0 8 0 6 值表明是一个a r p 分组) ， 将棱瘦的a r p 分组黉给a r p 模块。这个a r p 请袋分缀豹意愿是：热慕髂瓣i p 璁 缝跟这个目标地址相同，请告诉我你的以太阏地址。收到广播的每个a r p 模块梭 焱请求分组中的目标i p 地溉，当该地址和自己的i p 地址相同时，就邕接发一个 噙澎分组给源以太网她蛙。a r p 响应分缎意思是：那个嚣标地址是浅，让我告彭荤 你我的戳太鹅建琏。这个璃成分组被源发计算裁接收，英a r p 模块将褥到懿霹标 计算机i p 地址和以太网地缴加入它的a r p 袭。如果鹾标计算机不移在，则得不 到a r p 穗瘦，零逮摸块藏会瓣赛发往这个鏊檬避蛙鹃 p 分组。a r p 又蹑潋太弼 a r p ，强本就怒以太丽囊l 造的，毽是在爨露类 娃辊裁的其它网络上丽榉可疆运穗。 嶷体a r p 协议的格式及其实现讨见后面的讲述。 簧使i n t e r n e t 上主援翔辘菠誊透蕊，必须绘每个计算掇一个垒琢熬缝接狡秘 谈掰的唯一标识，它就是i p 地址，从概念上讲，每个i p 地址都是由两部分构成： 类虹二互工二二工j 互工二 类地吸二二区二二 二二匠二 e 类地哑 二玉丑二二 夏】 蚤蹙绝哑匝 二二 巫互 二 鼹5i p 地缝格箴 茎羔堡型婴塑婆堕堕垡些堡墅垄旦监婴趔丝! ! 些旦 一一 网络号，主机号。其中，网络号标识某个网络，主机号稀识在该网络上的一个特 定的主椒，如图5 。 i p 地址分为a 、转、c 、d 、e 五类： a 类：第一个字节的最高位是0 b 类：第一个字节的前滔位是l o c 类：第一个字节的前三位是l l o 蚤类：第一个字节瓣蘩鼗位为l l i 0 e 类：第个字节的前五位为1 1 t 1 0 盎、8 、c 三裳 p 逡致豹缝襁餐是壹鼹部分缀娥：鼹络号窝圭橇每。 a 类她址：共1 2 8 个予潮，每个子网内可以裔1 6 0 0 万台主枫； b 类跑缝：共1 6 ，3 8 4 个子网，每个予朗内可以有6 5 ，5 3 6 台童橇； c 类予嘲：共2 0 0 万个子网，每个c 类子网内最多只越霄2 5 6 奁主枫。 例如，我们学校的某台熏机的i p 地址怒：2 0 2 11 9 1 0 2 1 2 6 ( 分别用十进制 表示) ，划2 0 2 1 1 9 1 0 2 是嬲络号，1 2 6 是具体巢台主凝。 2 1 。3 疆太瓣数据帻缝耱 在以太网中传输的数据被打包到标准的数据帧中，帧结构如图6 所示： 节，则需 鹜6 d i x 叛太网 陵 图6 恩示的遐1 9 8 1 攀d i x ( d e c - - i n t e l - - x e r o x ) 版以太网标准所定义的原始 滋太鼹赣。 耨豹i e e e8 0 2 3 版本搽漆对簸耱定义徽了一些黪敬，d i x 梭格式跑较麓攀，疆 前在局域阿中使用非常广泛。d i x 帧用一个称为前同步倍号的6 4 位组开始。前 基于t c p i p 拂议的例络化仪器接姆的研制及其应用 同步信号在以太网系统中主要用于掇供使所有硬件有爝够时间采识别一个正在 传输的帧，著镁它们开始王作，以接收数据。戆同步偿号后面是嚣糠地垃帮源地 圭壹字段。这碧圭| 亟址字段戢分配是e i li e e e 控瓤的，i e e e 管理着一部分遣缝字浚。 在囱阻络销售巍分配地缱时，i e e e 掇供秘2 4 蕴的“缝织唯一据忠符”，麓2 4 位燕出销售商岛己确定款。把这个唾8 位地垃称为硬件地娃或秘珊魄蛙，这楚分 酉己给以太网接翻的地址。融为以太网介质访闯控制系统包括了帧和它的地址，所 瑷又把它称为介质访海控凝秘稳e ) 遗疆= 。任一个馥太网犊孛，蟪浚籍面舔的建 个1 6 位的类型字段，用该字段标识出数据书段中所携带的高层网络协议的类型 【t y p e ) ，热t c p i p 或n o v e l li p x 簿。露i e e e 魏8 0 2 。3 犊使惩豹是一个1 8 位的长度字段而不是类裂字段，这部分内容将在后面介绍，类型字段后是数据字 段，它款范围兹蟠字节剿1 5 0 0 字节之闻。数据字段至少必须有4 8 个字节这 楚必了确保顿信号在网络传输过程中停馨的辩闻足够长，使蹰络系统中的每个始 点在以太潮系绞的最大獯繇信号馕羧辩闽蠹爨缝收剥羧。如果数攒字段携豢熬数 攒魄4 6 个字节短，就必须使用一垫髋定的数据填充，藏到它达到4 6 字节斡长发 为止。帧的末爆是一个3 2 位的帧校验序列( f c s ) 字段。它包括了一个对整个帧中 的数精盼完整髋进行校验缀环冗余梭验帮( c r c ) 。校验和是通过辩缀成帧的数据 位的模式进行多项式运冀而得到的一个唯一的数字。在接收站点使用同一个多项 式产生一个校验稻，把宅冬发送臻患产垒魏嚣于f c s 字段中熬校验耪进行魄鞍。 网络接口以此来判断和确认帧中的锫个数据饿在网络系统的传递中肖没有被破 坏，嫉检验序列( f c s ) 兹藏懑包括豫圈步筠秘f c s 以钤瓣爨有段亵内。 丽新的i e e e 8 0 2 3 椽准在最初确盘髓没有包括类擞字段，i e e e 规范把道个 字段髂为长度字段。毽是i e e e8 0 2 。3 栋壤爨近鸯妥入了类型字段。爨鞋在簸邋戆 i e e e8 0 2 3 标准中，这个字段被称搀长度类型字段，字段中的十六进制傻袭 示的楚字段使用的方式e 如果这个字段的值小于或等于爆大帧长度1 5 1 8 十溅剑， 则字段作为长度字段使用，从丽字段中的傻表示的是帧的数据字段中逻辑链路控 制l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 数攒的个数。在这种情况下，如果l l c 数据的个 数，l 、予藏数舞字段要求戆黢夺蓬，麓藤壤宠数据傻数掇字浚这翔怒够熬大小。魏 果这个字段中的值大于或等于十进制数1 5 3 6 ( 十六进制为o x 6 0 0 ) 。则字段被作为 荧蘩字段，字蔽中熬十六遴裁撼蓼 题塞耩谖数搀字数黪携荣戆数攒豹终议炎黧。 基予t c p j l p 协议的蝌络惚仪器接口的龋铡蕨其斑薅 霆烫获字段麴数g 粒字段翡长壤慕鹫，d i x 辩i e e e 赣餐是樽麓魏。媵以戳太阏 羧翻霹啦嚣慕裳速嚣释獒蘩戆犊。黎令搂之瓣 戆嚣鬟在予享较黪突琢砖容戳 疑发送鞫攘数辕弱滔纛辩这些两罄煞瓣释不瓣，痞瑟翁褰基褥谖簧羧爨勰释鳓缝 策转入槎窿熬过莛寒楚毽。 2 1 + 4 以太飕的数据健送避黻 警一个戳太网站点的倦怠黻被缎遴猁熬攀的信母德道或介质时。掰谢谢储濑 稠造的以太麟接口都读入该帧。并殿巍潜该帧的第个4 8 比特地址字段，熊中 镪食誊器戆蠛缝。各个按弱把筷龄瓣鼬蛾酶鼍鑫己鼹4 8 毙特遗址滋行致较。船 黎该遗蛙与搂皆静嚣戆逮缱穗溺，疑8 该默太瓣菇点将缝续读a 蘩个姣，磐将露送 给诗冀瓿歪程逶行戆主袋瓣终较髂。土懑翳络较癸读入竣熬癸鍪譬袋，鞭黻这令 臻患犊是a r p 裁还是i p 毽，然麟褥突绘不瓣魏蛰谈竣楚理。姿其稔瀚嬲络接霸 发璞惑斡逢懿冬它髑瓣逮蜓不蕊孵，魏衾侉盛搂入穰爨蘸。 2 2 网卡芯片董【t i 名0 1 9 a s r t l s 0 1 9 a s 莛一个薄嶷般淡瀚瓣络瓣糕蕊片。兼容帮摇鼯鲻躺n e 2 0 0 0 避 配瓣。并且是金双工的。r t l s 0 1 9 a s 憝“绦色p c 系统”的理想选择。制用淑绞 绫逐浚全双王网络交换襁，窀可以感辩接牧粒发送数撼。 r t l s 0 1 9 a s 是1 0 0 辩p q f p 艇装澎式。蠹建1 6 ks r a m 。支持闲裕凌驾。支 黪u t p ( u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r e d 黪器藏鼹绞线a u i ( a t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e 涟援攀元接g 劳b 挝q 瓣辍逡缆按矮鳓鑫秘袋溅。支掩薹。邀蛙垒瓣褥穰戏。 r t l 8 0 1 9 a s 翡雩 骝分麓5 焚 ( 1 ) 电澈零 瓣；( 2 ) i s a 瑟缓连羧葶| 瓣；( 3 ) 内帮 涟接葶i 脚( 包括s r a m ，b r o m ，e e p r o m ) ：( 4 ) 中介逶接引脚：( 5 ) l e d 输出g 脚。蕊引脚分稚如图7 。 基于t c p i p 协议的网络化仪器接口的研制及其应用 图7 2 。2 1 寄露器播述 r t l s 0 1 9 a s 的寄存器根据地址和功能可以直观的分为n e 2 0 0 0 和即插即用两 组。 1 。n e 2 0 0 0 寄存嚣 ( 1 ) n e 2 0 0 0 兼容寄存器 这一组褥存器包括4 页a 它 由c r 寄存器的p s 0 鞠p s l 这两经寒选择哪 页寄存器。稼页包括1 6 个寄存器。除了n e 2 0 0 0 滚容的寄存秣，r t l 8 0 1 9 还 定义了一些软件配置和特征加强的寄稃器。 寄存器功2 描述： ，1 9 燕王! ! 盟! 她避鲤璺璧些堡! 塑笪塑皇竖擅望塑l 一 令。 c r ：控制寄存器( o o h ；t y v e = v j w ) 这个寄存器霹子途箨寄存瓣茭，兔诲器禁壹运囊d m a 揉露耧发蠢鑫 l筏符号 秘靛箍述 l7 ，6 p s i 寥s op s lp s o寄撵嚣贾 各注 o镑on e 2 0 0 0 兼容 ol王n e 2 0 0 0 羧容 lo 2n e 2 0 0 0 兼容 王l 3r t l 8 0 1 9 a s 酝曩 5 3 r d 2 or d 2r d lr d o功能 o0o不灸诤 ool远程读 ol 硅远程写 ol童发送毽 王孛黻，竞垒远程 d m a 2豫发送惫的时候遮个位妊须设簧。获送寇成或失败 对该位内都艇位。写0 没翁影确 ls 鞭这个位什么穗不控澍，仅爱映写蓟该霞静俊。 p o 强毽巍u p = o 0s t p该位熙簿止命令位。鬣位时不能接收和发送包。 p o 砥慧rl 糟- - 1 s 1 as 1 m功能 l0开始鑫令 ol停止命令 i s r ：串磺状态寄荐器( 0 7 h ：t y p e = r w i np a g e 0 ) 这令毒存嚣反浚弼卡鲍状态。主规读取宅，然嚣浃定蔓孬萼 起中鞭。凝媾应 燕驾“i ”惹，令要爱会被潘狳。爨媳寝复经嚣渡毒存器磐矮被瀵豫。 位符号功麓攒述 7袋s 薯当麴卡避入垂痿状态躐凑接坟缓洚爨滋毒粒该整嫒妥德。巍c r 繇存 器确认发送开始愈令躐嚣一个或多个包从缓冲器中读取时滚倥皴攫 位。 6r d c远程d m a 操作完成时被鼹位 5e n t一个或多个网络标签豁溅黼有效位被霞位时该位被置位 40 v w接收缓冲区满的时候该饿被置位 3樾当龟发送幽予额外构冲突黼失黢潜，发送锈误位被置位 2r x e 当识接收奄下列错误时该饿被嚣缱；i 、c r c 镑谈2 、赖献捌罐镤3 、 遗失包 l 1驴覃x 该谴表示发送毽没肖锩误 1 0强x 该经表示搂滚毯没商镶谈 董兰! 嫩盟塑些堕壁竺些堡壁鳖旦盟墅! ! 墨墨生里一 i m r ：孛繇楚臻寄存器( 0 f h ；聊e = w i np a g e 0 ；t y p e = r i np a g e 2 ) i m r 寄存器中所有的能都对应于i s r 寄存器中的位。复位对都是“0 ”。设 置某些位可以响应中断。 d c r ：数据配置寄存器( 0 e h ；1 如e = w i np a g e 0 ；t y p e = ri np a g e 2 ) l 建譬牵号 功憩接述 l 7惹是“1 ” l6 , 5 f r l f t 0f i f o 开始选择位1 ，0 4a r m远程自动初始化0 ：发送包命令无效1 ：发送包命令有效 3l s回送选择：0 ：回送模式选择。t c r 寄存器的位1 斧2 必须编程 为回送操作1 ：普通操作 2l a s该位努须鬟0 。网卡只支持1 6 绽d m a 模式。p o w e ru p = i 1b o s 字蕊派疼逡撵0 ：最毒毒羧豫皴在m d l 5 8 ，爨鬣蠢效蕴藏在 m d 7 - o | 1 ：最高有效位放在m d 7 - 0 ，最低肖效位放在m d l 5 - 8 0 w s字发送选择0 ：字节d m a 传送1 ：字d m a 传送 t c r ：发送配置寄存嚣( 0 d h ；t y p e = w i np a g e 0 ：t y p e = r i n p a g e 2 ) 僚符号凌艉摇透 7总愚“1 ” 6总是“1 ” 5总怒“1 ” 40 f s t冲突偏移量使能 3a ：m禁止是动传