嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用

摘? 要：互聯網技術的不斷發展帶動了嵌入式技術的發展。信息共享的程度越來越高，通過互聯網共享以單片機應用系統為中心的嵌入式設備成為目前通信技術行業熱門的話題，越來越多的產品應用了嵌入式技術。然而在進行系統設計時，需要充分考慮TCP/IP協議的相關特點和內容，并有效結合。基于此，對嵌入式下協議棧的概念及特點進行了概述，分析了單片機接入Internet的方式，嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用。

關鍵詞：嵌入式;單片機;網絡通信;TCP/IP

中圖分類號：TP368.1;TN915.04 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0082-03

Abstract：The continuous development of internet technology drives the development of embedded technology. The degree of information sharing is getting higher and higher. Sharing the embedded equipment centered on SCM application system through the internet has become a hot topic in the communication technology industry. More and more products have applied the embedded technology. However，in the system design，we need to fully consider the relevant characteristics and contents of TCP/IP protocol，and combine them effectively. Based on this，this paper summarizes the concept and characteristics of protocol stack under embedded system，analyzes the way of SCM accessing internet，and the application of Embedded TCP/IP protocol SCM technology in network communication.

Keywords：embedded;single chip;network communication;TCP/IP

0? 引? 言

嵌入式Internet技術是為了接入Internet而提出的，是嵌入式技術和Internet技術相結合的產物，具備著智能、簡便、可編程的優點，又能通過計算機網絡進行信息共享，方便經濟信息交流。單片機在網絡通信中的應用是單片機應用的一個重要領域，現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行連接，實現數據通信。隨著嵌入式設備的日益完善，在單片機中引入TCP/IP協議棧，對于節約成本、保證系統穩定可靠和設計合理有著重要的作用。一般采用單片機作為處理器，需要在單片機上實現TCP/IP協議棧。我國的技術經過幾十年的發展，有了長足的進步，但是與發達國家相比，網絡通信的智能化水平還存在一些差距。此外，通信行業目前面臨的競爭日趨激烈，嵌入式TCP/IP協議技術成為通訊行業的熱門話題，未來將是促進經濟增長的重要組成部分。這種嵌入式TCP/IP協議的單片機系統板具有成本低、硬件少、占用面積少、傳輸速度快、使用方便等優點。適用于現有的網絡傳輸系統，有著廣泛的應用前景，特別在是數據采集和數據傳輸領域。無線傳感器網絡需要由大量傳感器節點通過無線通信技術實現，將嵌入式TCP/IP協議單片機技術與網絡通信以及無線傳感器網絡結合起來，有很大的優勢，必將為控制工程學院的無線傳感網絡專業的研究提供強有力的技術支撐，有很好的應用前景。

1? 嵌入式TCP/IP協議單片機技術概述

1.1? 嵌入式下協議的概念及特點

嵌入式是為了實現信息交互，將電子設備嵌入式模塊介入Internet的技術，嵌入式系統之間互相連接，進而實現信息共享、狀態控制和信息通信。嵌入式Internet是近些年來應用比較廣泛的技術，以計算機為基礎，可以對軟件和硬件實現裁剪，極大地滿足了市場需求。要想實現設備的網絡化，需要實現TCP/IP的網絡協議。嵌入式技術既是一種傳輸媒介，也是一種協議。通過網絡接口控制器來實現鏈路層和物理層的協議。MCU要實現與Internet的連接，需要運行嵌入式TCP/IP協議的通信模塊。Unix系統是最先使用TCP/IP協議，后來TCP/IP在Linux/DOS/Windows等操作系統里也得到了應用，嵌入式的系統和PC機有著很大的差別，嵌入式系統中的TCP/IP協議與傳統的操作系統的運行方式也存在著很大的不同。嵌入式協議對于滿足嵌入式系統的實際需求有著很重要的影響，克服了傳統協議中實時性不夠好的問題，很大程度上保證了數據的可靠性和實時的要求。通過對龐大的功能齊全的TCP/IP協議的仔細研究，并進行有效的取舍，滿足了網絡功能的實際需求。嵌入式協議和標準的協議棧有著很大的區別，其一般應用在專業的特殊性領域。它具備可裁剪性，這是因為嵌入式的應用對存儲器的容量、價格成本有著一定的要求，在使用時需要考慮這些因素，需要對完整的TCP/IP協議棧功能進行裁剪。嵌入式的應用是多種多樣的，在開發和應用時是可以移植的。由于單片機內部資源有限，要想實現正常的應用，必須精簡TCP/IP協議。

1.2? 單片機嵌入式TCP/IP協議技術

MCU微控制單元又叫單片微型計算機，即單片機，是一種集成電路芯片。單片機是計算機發展的一個重要分支。單片機結構比較簡單，處理速度比較快，功能性強，通過模塊化的管理，使得系統功能比較具有優勢。目前單片機已經滲透到我們生活的各個領域，計算機網絡中的數據傳輸、廣泛使用的IC卡、全自動洗衣機等都得益于單片機的使用。單片機是一種典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。

TCP和IP是實現相互通信的兩個重要協議。TCP/IP協議代表的是將互聯網連接起來的一個協議組，是互聯網上使用的網絡協議，其主要功能是保證數據的快速傳輸，TCP/IP協議層包含四部分，分別是應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。應用層負責對接收的數據提供解釋服務，如常見的HTTP、Telnet、FTP等;傳輸層則是讓網絡程序通過一定的通道獲取數據，UDP協議就屬于傳輸層;網絡層可以讓信息發送到TCP/IP網絡上的任意主機上;鏈路層是TCP/IP協議軟件的最低層，主要功能接收IP數據包，以及通過合適的方式將數據傳輸出去，它也具有單片機接口這一重要的物理介質作用。

TCP/IP軟件概念性層次如圖1所示。

嵌入式TCP/IP協議棧在單片機上的實現，包含系統硬件的實現、系統軟件的設計。將兩者進行嵌入式的結合，能夠實現對系統的優化，提高通信技術的智能化水平。

2? 嵌入式TCP/IP協議單片機技術的設計

關于嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信，本文的研究主要從硬件總體功能結構出發進行設計，并結合嵌入式TCP/IP協議鏈路層、網絡層、運輸層、應用層的內容進行分析設計。

2.1? 系統硬件實現

關于單片機的選擇，需要考慮到TCP/IP的特點，協議組內容龐大，對系統的運行速度和存儲都要求比較高。本文基于實際，選用Philips公司的P89C51，無論容量和速度都能滿足要求。單片機是整個系統的核心部分，遠程通信是通過RTL8019AS以太網對芯片的控制得以實現的。在線仿真和網卡參數的修改則是采用串行通信方式實現，使用X5045實現外部擴展，以存儲IP抵制和配置信息。X5045除了具有擴展的功能，還能對電壓進行監控，以及具備看門狗定時器、上電復位的功能。硬件設計屬于TCP/IP的協議鏈路層設計，是協議的硬件平臺。如圖2所示是系統硬件結構圖。

以上是硬件實現的過程，其中單片機充當了連接端口的物理介質，有效實現了嵌入式的系統功能。為了達到預期的目標，需要加強對硬件的設計，要注意各個硬件之間組合的合理性，充分發揮各組合部分的實際功能。

2.2? 系統軟件的實現

單片機嵌入式TCP/IP協議技術中的系統軟件的實現，主要是對網卡控制器驅動程序設計和TCP/IP協議設計，驅動程序的功能包含初始化RTL8019AS、接收數據包和發送數據包。而作為上層協議的TCP/IP協議，具有很強的獨立性，對其編程主要考慮其中的功能，不用考慮其關聯。可以劃分為ARP（）模塊設計、ICMP模塊設計、IP模塊設計、UDP模塊設計、TCP模塊設計。其中ARP協議的作用是對IP地址進行轉化，使其變成物理地址，以及對ARP進行解析、管理，對緩存表進行更新;ICMP協議則可檢測其中的錯誤項，診斷數據流;IP是對發送的信息尋找路徑;UDP主要是對報文進行發送和接收，由于是一種沒有連接的數據傳輸，傳輸的速度比較快;TCP是一個需要連接的協議，通信雙方需要建立數據連接，通過一定的順序號，獲得可靠的信息。

在實現系統軟件的過程中，首先是初始化，其中包含PING表、ARP表，初始化TCP，之后進入主程序，再進行超時出錯處理，完成TCP定時保活和ARP表的更新。在本系統中對通信系統完成相關的操作，使得系統中的不同結構實現連接，這個系統涉及到ARP協議、IP協議、UDP協議等。

3? 單片機嵌入式TCP/IP協議棧的設計

3.1? ARP協議

ARP協議是IP地址獲取物理地質的一個協議，IP地址無法完成通信的具體要求，ARP協議能夠通過網絡層中的各種數據，有效接收返回的包含目標IP地址的消息，并將請求發送到主機。同時ARP協議還具有緩存的功能，可以在收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機ARP緩存中并保留一定時間。單片機的嵌入系統在運行時是被動連接的，在運行遠程控制系統需要在網絡接口處做出必要的說明，確保不同信息的正常傳遞。在運用地址協議時需要注意以下幾點：當系統處在初始化階段時，需要結合實際情況發送ARP協議的請求，對于不符合要求的地址協議要進行取舍，選取符合要求的地址協議，以確保信息的有效性，同時還要注意解析IP地址以外的信息。

3.2? IP協議

根據IP協議的結構，可以看出IP協議存在于網絡層，在此協議下，數據包可以按照一定的方式在不同的主機上進行傳送，這個協議與路由器的功能有著一些相似性，能夠對不同的數據進行重組，由于其不需要連接，可靠性一般。

3.3? UDP協議

通過對TCP/IP協議進行觀察和研究，可以看出UDP是作為傳輸層協議存在的。UDP所發送的數據不具有可靠性，其將應用程序傳統到特定的IP層，但是是否能夠到達目的地，并不能保證。相對于TCP協議來說，UDP協議要更簡單一些，對于設計本文的協議具有很大的合理性，且比較適合用在通信中。

4? 結? 論

21世紀是互聯網經濟時代，嵌入式系統作為計算機技術發展下的產物，得到了廣泛的應用，單片機發展過程中連接互聯網是未來發展的必然方向，將單片機與TCP/IP協議進行嵌入式的連接是通信技術的一大進步。隨著互聯網技術的不斷發展，以及對信息共享程度的要求越來越高，以單片機為核心的小型嵌入式的設備必將得到廣泛推廣。將其與TCP/IP進行嵌入式的連接，對于提高系統的科學性和實用性具有重要的意義。加強對單片機TCP/IP協議的設計以及探索，可以很大程度上縮減開發的成本，同時還能夠優化系統，拓寬系統的使用范圍。對TCP/IP協議的設計要結合自身的實際以及協議組的特點，選擇合適的單片機，滿足人們相關生產活動的多樣化需求。同時，隨著嵌入式設備硬件和互聯網技術的不斷發展，單片機嵌入式TCP/IP協議的實現也將會越來越完善，使用的范圍也會越來越廣。

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作者簡介：袁勇（1984.07-），男，漢族，新疆且末人，實驗師，本科，研究方向：無線傳感器網絡。