（通信与信息系统专业论文）嵌入式tcpip技术研究与应用.pdf

嵌入式t c p i p 技术研究与应用中文提要 嵌入式t c p i p 技术研究与应用 中文提要 嵌入式t c p i p 技术是指在嵌入式系统中集成t c p i p 协议栈，实现嵌入式系统与 基鼍：t e 影l p 协议栈的以太网之阅的互逡。曩前，应用比较广泛的嵌入式t c p i p 协议 栈有u i p 和l w i p 。它们是精简的协议栈，用c 语言编写，因此可移植性好，适用于 8 1 6 位单片枧。本文主要针对这两种携议栈的移植、应用进行分析和研究，另外还 探讨了基于u c l i n u x 的嵌入式t c p i p 技术的应用等问题。 网络的基础是协议，协议描述了网络通信从物理层到应用层的趣范。t c p i p 协 议是局域网的基础，是由i 0 0 多个协议规范组成的集合。这些协议规范从不同角度对 网络通信作了规定，因此只要是满足这些规范的系统就莓以在隧络上抟输数据。嵌入 式系统中集成t c p i p 协议栈使彳寻嵌入式系统也成为网络的一个节点，有效遗利用了 网络资源，实现了嵌入式系统的网络化。 我饲对嵌入式t c p i p 技术的研究主要集中在两个方砸：嵌入式w e bs e r v e r ( 基 于h t t p 协议) 和远程文件传输( 基于t f t p 协议) 。在嵌入式系统中实现w e bs e r v e r ， 用户就能在侄意台联网的计算机上，透过测览器访问我们的系统，这就使远程监控、 网络测量成为现实，我们已将其应用在基于双频测导法的电导率测量中。在嵌入式系 统中实现文传传输协议，我们可以通过网络来下载更新系统的程序，这在王控领域有 着广阔的应用前景。 本课题是嵌入式技术的综合应用，我们在给出协议移植方法的阍对也阐述了 t c p i p 协议栈的具体规范与运作流程。为了使系统运行稳定、满足实时响应的要求， 我们需要嵌入式搡作系统来作为系统的软件平台，课题中我销采用u c o s i i 作为嵌 入式实时操作系统( r t o s ) 。此外，本谋题的研究中还引入了p c 机上的网络技术公共 网关接口( c g i ) ，经过精简作为嵌入式系统的应用程序。 关键词：t c p i p ，嵌入式w e bs e r v e r ，嵌入式搡作系统，文件传输协议，电导率测量 作者：安峰 指导老师：陈小平 旦! 圣! ! ! ! 受! ! ! ! 垒塑! ! 兰! ! ! ! ! ! 堡! ! 望鲤! 曼墼! 三暨! 竺! ! g z垒! ! ! 竺! t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e d t c p i pt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n de m b e d d e ds y s t e m ，t h e r ea r em o r ea n dm o r e r e q u i r e m e n t sf o ri n s t r u m e n t st ob ec o n n e c t e dt ot h e i n t e r n e t e m b e d d e dt c p ，翟o r i n t e g r a t i n gt c p 口s t a c k si n t oe m b e d d e ds y s t e mi n s u r e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e ne m b e d d e d s y s t e m sa n de t h e m e tb a s e d0 1 i 鼍c p f i p a tp r e s e n t , t h ew i d l yu s e dt c p i ps t a c k sf o r e m b e d d e ds y s t e m sa r eu 礤a n dl w 譬b o t ho fw h i c ha r ew r i t t e ni ncl a n g u a g e , e a s yt o t r a n s p l a n ta n ds u i t a b l ef o r8 1 6b i tm c u s i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h et r a n s p l a n ta n d a p p l i c a t i o n so f e m b e d d e dt c p i pt e c h n o l o g y 弧ed e s i g no f u c l i n u xi sa l s or e f e r e d p r o t o c o ls t a c k si sas e to fm a n yp r o t o c o l se a c ho f w h i c hd e s c r i b e st h es p e c i a lr u l eo f n e t w r o kc o m m u n i c a t i o nf r o mt h ep h y s i c a ll a y e rt oa p p l i c a t i o nl a y e r t c p ，狰s t a c k si s m a d eu po fm o r et h a nah u n d r e do fp r o t o c o l s 。u i pa n dl w i pm a i n l yi n c l u d et c p 。i pa n d a r p i nt h ea p p l i c a t i o nl a y e r , h r r pa n dt f t pa l en e e d e dt ob ew r i t t e n i n t e g r a t i n g t c p 佃s t a c k si n t oe m b e d d e ds y s y t e r n sm a k e st h ee m b e d d e ds y s t e man o d eo fe t h e m e t a n dg r e a t l ye x t e n d st h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo f t h ee m b e d d e ds y s t e m 。 i nt h i sp a p e r , 搬er e s e a r c ho f e m b e d d e dt c p i p sm a i n l yo nc h i pw e bs e r v e r ( b a s e do n h t t p ) a n dr e m o t ef i l et r a n p o r t ( b a s e do nt f t p ) w i t hc h i pw e bs e r v e r ，e m b e d d e ds y s t e m c a nb em o n i t o r e dv i ae t h e m e t , w h i c hc a l lb eu s e di nr e m o t em e a s u r e m e n t f o re x a m p l e ，i n 0 1 2 1 s y s t e m ，c h i pw e bs e r v e ri su s e di nc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t r e m o t ef i l et r a n s p o r ti s v e r yu s f u li ne m b e d d e ds y s t e md e s i g na n dd e b u g ，a n di t sa p p l i c a t i o ni sd e s c r i b e di nd e t a i l i ns e c t i o n4 r t o sp l a y s8 l li m p o r t a n tr o l e i ne m b e d d e ds y s t e m i no u rs y s t e m p c o s i ii s c h o o s e da st h es o f t w a r ep l a t f o r mb e c a u s eo fi t se x c e u e c tp e r f o r m a n c ea n df r e eo fc h a r g e l w i pi si m p l a n t e di n t ot t c o s - i ia st h et c p i ps t a c k s c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) u s e di np ci si n t r o d u c e di n t oe m b e d d e dt c p i pt e c h n o l o g y i nt h en e a rf u t u r e ，w ea r e t r y i n gt om o v e 幻a n t h e rf a m o u so p e r a t i o ns y s t e m s ：p c l i n u x t c l i n u xi sac o m p l e t e do s ， w i t hi t sa p i o u rw o r kw i l lb ee a s i e r k e yw o r d s ：t c p i p , e m b e d d e dw e bs e r v e r ，e m b e d d e do s ，t f t p ，w a t e rc o n d u c t i v i t y m e a s u r c n l e n t w r i t t e nb yf e n ga n s u p e r v i s e db yx i a o p i n g c h e r t i i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓 用的鹿容外，本论文不含 箕他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：经受 日期： 丝! 生耋：垒 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容榴一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被套阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：丝遗日期： 导师签名： 皇牛目 期： 型：坦 嵌入式t c p i p 技术研究与应用 第一章引言 第一章引言 1 1 课题的研究概况与意义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，可以很好地满 足对实时性指标的要求。而引入实时操作系统( r t o s ) 更可以极大地提高系统的灵 活性、规范性和扩展能力，并大大减小程序编写的工作量，减少了出错的可能，保证 最终程序具有高可靠性。 目前，i n t e r n e t 是覆盖率极广、联网设备众多、协议完善、功能强大的一种通信 方式，已经成为社会重要的基础信息设施，是重要的信息流通渠道。具备互联网络的 接入功能，己经成为嵌入式系统的发展方向之一，在嵌入式系统中引入网络技术，可 以将处于不同地域的多个嵌入式系统节点组成一个统一的整体，实现数据共享和统一 管理，大大提高了嵌入式系统的网络功能。 目前，嵌入式t c p i p 技术主要分为以下三种： ( 1 ) 利用具备协议栈结构的m p u 芯片0 1 。在嵌入式系统开发时，利用具有协议栈 结构的微控制器和p h y 0 1 ( p h y c e i v e r 物理层的接收器) 来实现网络接口。这类芯片 提供商还提供相应的软件包，设计者只需要调用软件包中的函数就可以了，如同在台 式机中做网络开发编程一样。这种方法的优点是软件设计简单，缺点是价格比较昂贵。 ( 2 ) 以软件的形式在微处理器内部构建t c p i p 协议栈，通过移植或者编写协议 栈来实现嵌入式t c p i p 技术。本课题就是采用这种方法，它的优点显而易见，就是 灵活性高，价格低廉，然而这需要较高的软件水平，对开发者的要求较高。 ( 3 ) 通过专用的w e b 服务器实现“1 。在现有的嵌入式系统中大量使用的是8 位或 1 6 位m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t 微控制器) ，并不要求每个设备都直接连接到i n t e r n e t 上，用户可以利用i n t e r n e t + 轻量级网络的方式实现嵌入式t c p i p 技术。这里指的 轻量级网络包括：电力线、r s - 4 8 5 和r s 2 3 2 等网络。比如e m w a r e 公司专门为嵌入式 微控制器设计的网络服务器“3 就是一种专用w e b 服务器。 嵌入式t c p i p 协议栈与我们所熟悉的p c 机上的t c p i p 协议栈也有较大的区别。 t c p i p 协议栈最先在u n i x 系统上实现，随后在l i n u x 、d o s 、w i n d o w s 上也实现了 嵌入式t c p i p 技术研究与应用 第章引言 t c p i p 协议”1 。同样，t c p i p 协议栈也可以被移植到其它嵌入式系统上，8 位的m c $ 5 1 单片机、1 6 位的a v r 、3 2 位的m i p s 等芯片都可以做为嵌入式t c p i p 协议栈的硬件 平台。由于微处理器的资源有限，其可直接寻址的程序空间与数据空间都很小，处理 速度较慢，这些都无法与台式机相比，所以嵌入式t c p i p 与常规t c p i p 的实现有很 大不同。从操作系统层面来讲，无论是l i n u x 、d o s 、w i n d o w s ，它们都是多任务操作 系统，这使得协议代码编写简单化。而许多嵌入式系统，因为成本原因没有采用实时 嵌入式操作系统，这就使得其代码结构变为无限循环+ 硬件查询+ 顺序执行的方式。从 内存分配方面来讲，w i n d o w s 或u n i x 等操作系统的内存分配是动态的删，可根据需要 随时分配随时取消。在l i n u x 、u n i x 操作系统中，它们都是m b u f 的存储结构。m b u f 是一个存储链，这个链可以动态的增加和减小。例如，在数据包很少的情况下，u n i x 分配一个2 k 字节的缓冲区可能就够用了，但如果数据包较多，很可能要分配6 4 k 字 节甚至更大的缓冲区，可分配的内存要根据c p u 的可用内存来调整。但是在嵌入式系 统中却不能这样做，因为一个最大的以太网数据包有1 5 1 4 个字节，分配一包的缓冲 区就要1 5 k 字节，而嵌入式系统的数据存储空间较小，且不仅仅只存放收发的数据 包。因此在嵌入式系统中，是根据实际情况分配一个固定字节缓冲区来存放接收到的 以太网数据包，收到一包就处理一包。从参数传递层面来讲，在u n i x 上实现的t c p i p 源代码中，一般有很多的参数传递，而在单片机里允许传递的参数是有限的，同时参 数传递的过程要浪费程序代码空间，同时也降低单片机的运行速度。所以在嵌入式系 统的实现里，一般不做太多的参数传递，而更多是使用全局变量来实现参数传递a 现实生产中，存在着许多诸如油田、矿井等具有较大分散性的场合，在生产过程 中要求对其基本信息进行记录和汇总，而由于生产现场大都远离工业区，交通不便， 同时地域分散性较强，其基本生产信息的采集成本很高。因此，随着计算机技术和网 络技术的发展，利用嵌入式计算机系统和网络技术，组成嵌入式网络化测量仪器，可 以使分散的采集点连入网络，极大地提高生产效率。 本课题所阐述的嵌入式t c p i p 技术可以单独在微控制器上运行，也可以在嵌入 式操作的支持下运行。操作系统我们选择u c li n u x 和p c o s i i ，u c l i n u x 在无m m u ( 内存管理单元) 的嵌入式系统中具有较好的技术优势，在应用网络方面它内嵌有完 备的协议栈，我们在其基础上开发各种应用程序。“c o s - i i 虽然只是一个实时的操作 系统内核，但是我们通过给其添加协议栈，使得我们的系统能够在实时性要求苛刻的 壁垒蔓! ! 丝! 茎查竺壅皇壁望 环境可靠运行。 第一章引言 本课题所探讨的嵌入式t c p i p 技术就是将嵌入式系统、i n t e r n e t 技术融合在一 起，并应用在测量仪器需要实时数据采集与远程数据通信的系统。 组建嵌入式网络化仪器，可以采用3 2 位微处理器( 如a r m ) ，外加r t o s ；也可以 由低档的八位机组成嵌入式仪器，采用专用的网络( 如r s 4 8 5 、c a nb u s 等) 把若干个 嵌入式仪器连接在一起，再与p c 机相连；还可以利用八位单片机组成直接接入 i n t e r n e t 的嵌入式网络仪器。在本系统中，以3 2 位a r m 处理器为核心，在此基础上 开发网络功能，使其能够直接接入i n t e r n e t ，实现数据的网络共享。 1 2 课题内容 本文主要分析研究如何在嵌入式系统上实现t c p f l p 协议栈，目前在嵌入式系统 上实现t c p i p 协议栈可以有以下几种方法： ( 1 )移植精简的t c p i p 协议栈，如：u i p ； ( 2 )在微处理器上集成t c p f l p 协议栈+ 实时操作系统，如：l w i p + “c o s i h ( 3 )在3 2 6 4 位处理器上采用完备的操作系统，如：u c l i n u x 。 本课题采用基于a r m 核的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为集成t c p i p 协议栈的硬件平台。 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司推出的3 2 位处理器，它为手持设备和一般类型应用提供了 高性价比和高性能的微控制器解决方案。它有丰富的内置部件和8 k bc a c h e ，可寻址 范围4 g 。我们给它添加的外围设备包括：8 m bs d r a m ，地址从0 x o c 0 0 0 0 0 0 0 x o c 8 0 0 0 0 0 。 4 m bf l a s h ，内部存放启动代码b o o t l o a d e r 等。 在t c p i p 协议栈的基础上，我们编程实现应用层协议h t t p 以及t f t p 。将嵌入式 系统接入实验室局域网的方法是通过一根直连网线直接连接p c ，或者通过普通9 网线 连接到h u b 上。t c p i p 协议栈移植完毕后，检验移植是否成功的方法有以下3 种： ( 1 ) p c 机发送p i n g 指令给嵌入式系统，观察是否可以p i n g 通； ( 2 )在浏览器地址栏输入嵌入式系统的网址( 服务器的i p 地址) 观察是否可以 访问嵌入式w e bs e r v e r ； ( 3 )在p c 端d o s 下输入t f t p i1 9 2 1 6 8 1 4 8p u tl e d ，观察是否可以将 l e d c 的h e x 文件下载到系统存储器中。 嵌入式t c p i p 技术广泛应用在测量领域，本课题将t c p i p 协议栈应用在电导率 3 -rii 壁垒茎! ! 型! ! 垫查堡壅兰些旦 墨二兰! ! i 测量仪上，仪器所测得的数据通过网络传送到监控端，以网页的形式显示被测物理量， 即电导率和温度。嵌入式t c p i p 技术的另一个应用是文件在线更新，采用t f t p 协议， 通过网口更新嵌入式系统的程序，不打断程序的运行，这给嵌入式系统的调试、开发 带来极大的便利。 1 3 论文结构 本文第一章概述了嵌入式t c p i p 技术的研究概况和意义。给出了嵌入式t c p i p 协议栈的3 种实现方法和2 个应用。 第二章讲述了嵌入式系统与以太网的接口。我们采用r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 作为网络接口芯片，在硬件方面我们重点介绍了网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 的内部构造和驱 动程序设计，这也同样适用于其它的n e 2 0 0 0 网络芯片。 第三章重点讲述了嵌入式t c p i p 协议栈的的工作原理和c 语言描述，并针对协 议栈的移植做了细致讨论。其中，u l p 协议栈的移植没有r t o s ( 实时操作系统) 的参 与，即只考虑t c p i p 协议栈本身的特征。l w l p 协议栈的移植是在实时操作系统 uc o s i i 平台上进行的，t c p i p 协议栈作为一个任务，通过内核调用工作。u c l i n u x 本身集成了t c p i p 协议栈，因此，我们更多考虑如何在嵌入式系统上进行l i n u x 的 设计。 第四章介绍了嵌入式t c p i p 协议栈的两个应用：基于嵌入式t c p i p 技术的电导 率测量和文件在线更新。利用第三章中讲到的嵌入式w e bs e r v e r 技术，将测量仪器 所测量到的数据以网页的形式通过以太网发给监控端；利用t f t p 协议，通过网口给 嵌入式系统更新程序，给系统调试及开发带来极大的便利。 在第五章里，我们总结了课题当中的一些难点，并结合自己的实际经验和心得体 会对以后的研究与应用作了展望。 嵌入式t c p i p 技术研究与应用第二章嵌入式系统的以太网接口 第二章嵌入式系统的以太网接口 2 1 以太网构成 在叙述嵌入式t c p i p 协议栈连接以太网之前，有必要先简要介绍一下以太网的 构成和工作原理以及嵌入式系统与以太网的接口问题。 以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。本课 题涉及到的以太网( e t h e r n e t ) 例均是指传输速率为l o m b p s 的常用局域网( l a n ) 标 准，嵌入式系统连接l o o m b p s 及1 0 0 0 m b p s 的以太网是本课题在不久的将来所要达到 的目的。在以太网中，所有计算机被连接到一条双绞线或同轴电缆上，采用具有冲突 检测的载波感应多路访问( c s 】i a c d ) “”方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。以太 网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。 我们使用非屏蔽双绞线( u t p ) + 水晶插座( r j 4 5 ) 将嵌入式系统连入以太网， 如果是直接与p c 机相连就采用直连网线，如果是连接h u b 就采用普通网线。r j 4 5 ( 水晶插座) 的引脚排列如图2 - i 所示： 管脚号信号 lt x + 2t x - 3r x + 6r x 一 图2 1r j 4 5 的引脚排列 在以太网中，数据是以帧的形式在网络中流动的。根据i e e e 8 0 2 3 规定，以太网 数据帧的格式如图2 2 所示。标准的i e e e8 0 2 3 数据包由以下几个部分组成：前导 位( p r e a m b l e ) 、帧起始位( s f d ) 、目的地址( d e s t i n a t i o n ) 、源地址( s o u r c e ) 、数据长 度( 1 e n g t h ) 、数据( d a t a ) 、帧校验字( f c s ) 。数据场的大小可从4 6 b ( b y t e s ) 1 5 0 0 b ( b y t e s ) ，如一组要传送的数据不足4 6 b y t e s ，就用零补足；超过1 5 0 0 b y t e s 时， 需要拆成多个帧传送。前导位、帧起始位和帧校验字仅供控制器本身用，主处理器收 到的数据帧的组成依次包括：接收状态( i b y t e ) 、下一帧的页地址指针( i b y t e ) 、 目的地址( 6 b y t e s ) 、源地址( 6 b y t e s ) 、数据长度帧类型( 2 b y t e s ) 、数据场。数据长 嵌入式t c p ，i p 技术研究与应用第二章嵌入式系统的以太网接口 度帧类型的值小于或等于1 5 0 0 b y t e s 时，表示数据场的长度；反之，表示数据帧的 类型。如值为o x 0 8 ，o x 0 0 ，表示数据场为i p 包：值依次为o x 0 8 ，o x 0 6 ，表示数据场 为a r p 包。 p r e a m b l es f d目的地址源地址l e n g t h数据 f c s 图2 2i e e e 8 0 2 3 帧的组成 2 2 以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 2 2 1 网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 主要性能 由台湾r e m t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s “”以太网控制器，由于其优良的性能、低 廉的价格，使其在市场上1 0 m b p s 网卡中占有相当大的比例。它由如下主要性能： ( 1 )适应于e t h e r n e ti i 、i e e e 8 0 2 3 、l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、l o b a s e t ； ( 2 )支持8 位、1 6 位数据总线； ( 3 )全双工，收发可同时达到l o m b p s 的速率，具有睡眠模式，以降低功耗； ( 4 )内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求： ( 5 ) 可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质； ( 6 )1 0 0 脚的t q f p 封装，缩小p c b 尺寸。 2 2 2 内部结构 按数据链路的不同，可以将r t l 8 0 1 9 a s 内部划分为远程d m a ( r e m o t ed m a ) 0 2 1 通 道和本地d m a ( 1 0 c a ld m a ) 通道两个部分。本地d m a 完成控制器与网线的数据交换， 主处理器收发数据只需对远程d m a 操作。当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧 数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令a r t l 8 0 1 9 a s 在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据 通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存 器标志的方式通知主处理器。r t l 8 0 1 9 a s 原理框图如图2 3 所示。 在图2 - 3 中，接收逻辑在接收时钟的控制下，将串行数据拼成字节送到f i f o 和 c r c ；发送逻辑将f i f o 送来的字节在发送时钟的控制下逐步按位移出，并送到c r c ； c r c 逻辑在接收时对输入的数据进行c r c 校验，将结果与帧尾的c r c 比较，如不同， 一l 嵌入式t c p i p 技术研究与应用第二章嵌入式系统的以太网接口 该帧数据将被拒收，在发送时c r c 对帧数据产生c r c ，并附加在数据尾传送：地址识 别逻辑对接收帧的目的地址与预先设置的本地物理地址进行比较，如不同且不满足广 播地址的设置要求，该帧数据将被拒收；f i f o 逻辑对收发的数据作1 6 个字节的缓冲， 以减少对本地d m a 请求的频率。 内部总线 图2 - 3g t l s o l g a s 原理框图 2 2 3r t l 8 0 1 9 a s 的d 姒操作 r t l 8 0 1 9 a s 是针对p c 机的i s a 总线设计的。如运用于嵌入式设备中，则在硬件 和软件的设计上有一些特殊性。嵌入式设备的主处理器可通过其映射到1 6 个i o 地 址上的寄存器来完成对r t l 8 0 1 9 a s 的操作。需要指明的一点是，r t l 8 0 i g a s 的d m a 与 平时所说的d m a 有点不同。r t l 8 0 1 9 a s 的l o c a ld m a 操作是由控制器本身完成的，而 其r e m o t ed m a 并不是在无主处理器的参与下，数据能自动移到主处理器的内存中， 它的操作机制是这样的：主处理器先赋值于r e m o t ed m a 的起始地址寄存器r s a r o 、 r s a r i 和字节计数器r b c r o 及r b c r i ，然后在e r t l 8 0 1 9 a s 的d m ai o 地址上读写指定 地址上的数据。 r t l s o l 9 a s 内置的1 6 k b ( 有的网卡芯片可以内置多达6 4 k b 的r a m ) 的s r a m 可划分 为接收缓冲和发送缓冲两个部分。缓冲以页为单位，每页2 5 6 个字节，1 6 k b 的s 删 的页范围规定在o x 4 0 一o x 8 0 ，由p s t a r t 和p s t o p 寄存器来设定接收缓冲页的范围； 由r s a r o 、l 和r b c r o 、1 寄存器来设定发送缓冲页的范围。c u r r 指向接收到的帧的 起始页，b o u n d a r y 指向还未读的帧的起始页。当c u r r 到达了接收缓冲页的底部，即 与p s t o p 相等时，c u r r 又会自动指向到p s t a r t 处。与d m a 有关的寄存器如图2 4 所 嵌入式t c p i p 技术研究与应用第二章嵌入式系统的以太网接口 不。 图2 - 4 与d 姒有关的寄存器 2 2 4r t l 8 0 1 9 a s 与处理器之间的连接 目前局域网常见的是采用双绞线为通信介质。图2 - 5 是a r m 和8 0 1 9 的连接图， 读数据时，d 0 ：1 5 数据经7 4 f 1 6 3 2 4 5 反相后传给单片机；写数据时，d o ：1 5 送到 r t l 8 0 1 9 a s 。r t l s o l 9 a s 在复位的上升沿锁定i o c s l 6 脚的电平，其值决定数据总线 的宽度：高电平时为1 6 位总线方式，低电平时为8 位总线方式。如挂接到8 位主设 备上，用电阻下拉置地，de 8 ：1 5 空悬。为提高收发速度，我们采用1 6 位数据总 线方式。由于r t l 8 0 1 9 a s 没有外接初始化的e p r o m ，故其复位时命令寄存器( c r ) 的 i o 地址的值为缺省值o x 3 0 0 ，所以，为满足r t l 8 0 1 9 a s 的i s a 时序，a 5 a 1 9 的连接 必须使其地址锁定在o x 3 0 0 。 a l l ：5 】 a 0 ：4 a 5 浇 f o r a 6 盹1 0 w a 7 v l c s b o a e n a 8 a r m u 2 r t l 8 0 1 9 a sa 9_ j 堕生再丽研里型 l 篮s ! 一： 堕 0 ) (收到数据 判断b u f 里的数据包类型f 是1 吨一) u i p - i n p u t ( ) ； 是矾p 包一) u i p _ a r p _ a r p i n 0 ： ) ) 另一个需要驱动程序支持的函数是u l p _ p e r i o d i co 。这个函数用于u i p 内核对各 连接的定时轮询，因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用它轮询各连接，一般 用于检查主机是否有数据要发送，如有，则构造i p 包。使用示例如下。 程序3 2u l p _ p e r i o d i c 函数示例 u i p _ p e r i o d i c ( j ) ： 如果“i pl e n 0 ) 【 u i p a r p _ o u t0 ： e c h e r n e t d e v i c e d r i y e r _ s e n d o ： 1 从本质上来说，u i p i n p u t o 和u i p _ p e r i o d i c o 在内部是一个函数，即 u i 啮r o c e s s ( u 8 一tf l a g ) ，u i p 的设计者将u i p _ p r o c e s s ( u i p d a t a ) 定义成 u i p i n p u t0 ，而将u i p _ p r o c e s s ( u i p _ t i m e r ) 定义成u i pp e r i o d i c0 ，因此从代码实 现上来说是完全复用的。 2 u i p 的应用程序接口( w e bs e r v e r ) 将用户的应用程序挂接到u l p 中时，必须将宏u i p _ a p p c a l l 0 定义成实际的应用 程序函数名，这样每当某个u i p 事件发生时，内核就会调用该应用程序进行处理。如 果要加入应用程序状态的话，必须将宏u i p _ a p p s t a t es i z e 定义成应用程序状态结构 体的长度。在应用程序函数中，依靠u i p 事件检测函数来决定处理的方法，另外可以 通过判断当前连接的端口号来区分处理不同的连接。下面的示例程序是我们实现的一 个服务器应用的框架。 ，r， r p lr： 嵌入式t c p i i p 技术研究与应用第三章嵌入式t c p i p 协议栈的实现 程序3 3u i pa p p c a l l 函数示咧 # d e f i n eu i p _ a p p c a l l h t t p d a p p c a l l ：f d e f i n eu i p _ a p p s t a t es i z e ( s i z e o f ( s t r u c th t t p d s t a t e ) ) 如果( u i pc o n n e c t e d 0 ) 如果( u p n e w d a t a o l u i pr e x m l t 0 ) 收到新数据或需要重发 如果( u i pc o n n - i p o r t = = 8 0 ) ( 收到获得h 丌p 请求 u i p _ a p p c a l l 0 ： ) ) j u i p _ c l o s e d 01 【客户机关闭了连接 u i p _ a b o r t e d 0 ) f 客户机中断连接) 主程序采用中断加轮询的方式，用中断触发的方式接收网络数据，并设置了一个 接收队列暂存这些数据。在程序中轮询有无网络数据包输入，如有则调用u i p 的相关 处理函数( 如上u i p i n p u t 0 使用示例) ：如无则检测定时轮询中断是否发生。这里设 t 2 设为u i p 的定时轮询计数器，在t 2 中断中设置轮询标志，一旦主程序检测到这一 标志就调用u l p _ p e r i o d i c0 轮询各连接( 如上u l p _ p e r i o d i c0 使用示例) 。 如图3 - 4 所示，程序在初始处首先打开8 0 端口的监听，一旦有客户机要求连上， u i p 内部会给它分配一个连接项，接着等收到客户机i e 浏览器发出的“获得 h t t p ”请求后，将数据队列中的数据填入网页模板，生成一幅新的网页发给客户 机。因为这幅网页的大小已经超过u i p 的最大段长( m a xs e g m e n ts i z e ，m s s ) ，因此 在u i p 内核第一次实际只发出了m s s 个字节，在等到下一次轮询到该连接并且收到上 次数据包的正确应答时，发送剩下的网页数据。 图3 - 4u i p 的总体程序结构图 嵌入式t c p i p 技术研究与应用 第三章嵌入式t c p i p 协议栈的实堡 在连接处于空闲的时候( u l p p o l l 0 ) ，应用程序可以从串口队列中读出原始数 据，经格式处理后再存到状态数据队列中，而在这个队列中保存着当前1 分钟的设备 工作数据，以便下次更新网页时使用。如果u l p 接收正确应答超时，它会自动设置重 发标志，应用程序中可以用u i p _ r e x m i t0 来检测这个标志，重新生成网页并发送。 一旦用户关闭了浏览器，u i p 也会自动检测到这一事件( 应用程序中可以用 u l p _ c l o s e d ( ) 来检测) ，并且释放掉这个连接项。 3 嵌入式网关接口e g i ( e m b e d d e dg a t e w a yi n t e r f a c e ) 嵌入式w e bs e r v e r 大多应用在测试控制领域，因此，s e r v e r 与外界的交互通信 必不可免，传统的w e bs e r v e r 是在客户端请求时发送相应的静态h t m l 页面，只是起 到一个文件服务器的功能。在p c 领域，人们的解决办法是引入c g i “”。即公共网关 接口( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，c g i ) 。c g i 是h t t p 服务器与你的或其它机器上的 程序进行“交谈”的一种工具，其程序运行在网络服务器上。绝大多数的c g i 程序被 用来解释处理来自表单的输入信息，并在服务器产生相应的处理，或将相应的信息反 馈给浏览器。c g i 程序使网页具有交互功能。 c g i 处理步骤： ( 1 )通过i n t e r n e t 把用户请求送到服务器。 ( 2 )服务器接收用户请求并交给c g i 程序处理。 ( 3 )c g i 程序把处理结果传送给服务器。 ( 4 )服务器把结果送回到用户。 c g i 适用于p c 机上，一般都是运行在某种多任务操作系统当中，用优秀的字符处 理语言p e r l 编写，然而在嵌入式系统中很难支持p e r l 语言。因此人们提出了一种新 的技术：e g i ( e m b e d e dg a t e w a yi n t e r f a c e ) h 6 。我们结合本课题，具体说明e g i 是如何让嵌入式w e bs e r v e r 具有交互功能的。 h t t p 协议规定，浏览器首先发送h t t p 请求，服务器返回i n d e x h t m 页面；如果 用户点击某个按键，浏览器就发送e g i 请求，例如“a d ”按键对应的的h t m l 语言如 下： a d 与此形成对比的是不具有e g i 功能的h t m l 语言如下： 4 嵌入式t c p i p 技术研究与应用 第三章嵌入式t c p i i p 协议栈的实现 a b o u t 因此，在发送h t t p 请求时，发送数据如图a - 2 ( 附录2 ) 所示( g e t e g i f i l e s ”) ， 而不是如图a - l ( 附录2 ) 所示( g e t h t t p ) 。 e g i 文件包括3 部分：标志符( i ) + 文件头；e g i 标志( a ，b ，c ) ：标志符( i ) + 文件尾。e 画文件的具体内容见附录3h t m l 文档2 ：a de g i 。i 就是包含文件头 或文件尾，c 就是e g i 处理，我们有a ，b ，c 三种e g i 处理方法。 服务器在接到请求后，判断出是e g i 请求后，进行如下处理步骤： ( 1 )判断客户端申请的页面，并发出h t m l 页面头；服务器的文件组织是以 一个队列的结构形式，以我们编写的h t t p 协议为例，文件服务器包括 i n d e x h t m 、a b o u t h t m 、c o n t r 0 1 h t m 等静态页面，也包括f i l eh e a d rh t r a l h t m 、 f i l e _ e g i 、f i l e f o o t h t m l p l a i n 等动态页面。 ( 2 ) 协议栈通过字符处理找出请求 ：雕j e g i 后的字符串，也就是”f i l e s ”，然后 以这个字符串在队列中的文件名中进行查找，如果匹配，就对该文件进行字 符处理，即对f i l e 进行处理。egi ( 3 ) 处理完e 西文件里第一部分后，进入第二部分，即e g i 处理部分。在这 里我们可以进行电导率的测量，得到新的数据后发送出去。见附录2 的图a - 4 h t t pe g i 请求帧。 ( 4 ) 处理e 舀文件里第三部分，发送文件尾，即f i l e f o o t h t m l p l a i n 。具体内 容见附录3h t m l 文档3 ：a df o o t e r 。 e g i 技术的出现使我们可以根据客户端请求，即时构造新的页面，这在数据采集、 实时监控领域有着广阔的应用。图5 7 是本课题中应用e g i 技术，在浏览器里实时显 示采集到的模拟量( 温度和电导率) 。客户端每隔一段时间就自动刷新显示，发送e g i 请求，服务器端发送不变的头和尾，但是在e g i 处理部分把最新的数据发送过来。 3 。3 基- t p c o s -