單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計及其實現路徑

李 海

（蘇州經貿職業技術學院,江蘇蘇州,215009）

單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計及其實現路徑

李 海

（蘇州經貿職業技術學院,江蘇蘇州,215009）

信息技術的快速發展，為嵌入式網絡實際應用范圍的擴大帶來了重要的保障作用。因此，本文通過對硬件平臺的設計分析，對獲取的可靠的單片機嵌入式TCP/IP協議棧及其實現路徑，為實際問題的有效處理帶來了必要的參考信息。這種系統運行中最大的特點是工作效率高、運行成本低，具有一定的市場應用前景。

單片機；嵌入式網絡；TCP/IP；協議棧；路徑

計算機網絡服務功能的不斷完善，對嵌入式系統工作過程中的性能可靠性提出了更高的要求，需要技術人員采取有效的設計方法，制定出可靠的嵌入式系統接入方式，增強實際問題的處理效果。實現這樣的發展目標，應選擇TCP/IP協議加處理機的方式，完善嵌入式系統運行時的服務功能。結合現階段嵌入式系統運行的實際發展現狀可知，選擇可靠的接入方式有利于減少開發成本，優化其中的電路設計。文中通過對單片機嵌入式TCP/IP協議棧的有效設計及路徑實現的深入分析，為嵌入式系統的正常運行提供了可靠的保障，促使系統能夠處于穩定的工作狀態。

1 單片機的嵌入式TCP/IP協議棧的硬件設計

1.1 選擇性能可靠的芯片

為了使單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計能夠達到預期的效果，需要加強其中的硬件設計，增強不同硬件結構的組成合理性。硬件設計中主要是由可靠的控制芯片、處理機及RJ45組成的。這些不同結構組成部分實際作用的充分發揮，有利于完善嵌入式系統的服務功能。

作為硬件設計中的重要組成部分，處理機選擇過程中應采用Atmegal16單片機。這種單片機實際應用中具體適用范圍廣、抗干擾性能優越的特點，可以滿足單片機的嵌入式TCP/IP協議棧硬件設計的實際需求。當Atmegal16用作控制器件時，其主要的特點體現在這些方面：（1）具有同步讀寫的功能，適用于16k字節的系統；（2）有著豐富的I/O接口，包含了一定數量的寄存器；（3）為了滿足芯片調試及編程的需求，可以使用邊界掃描過程中的JTAG接口，間接地優化了芯片的服務功能；（4）硬件設計中所需的看門狗定時器，可以用芯片內的振蕩器取代。

1.2 不同硬件結構的相互連接

在可靠的總線模式作業下，可以用地址復用與非復用的方式優化硬件結構設計。其中，由于硬件設計中主要涉及的是CP2200芯片，因此，硬件結構連接中需要將這種芯片的MOTEN引腳按照合理的方式接地，為整個硬件結構的正常工作提供可靠地保障。在Intel總線支持下CP2200芯片處于正常的工作狀態時，應采用地址/數據非復用的工作方式，主要在于這種工作方式能夠保證所有數據高效地傳輸，提高系統資源的利用效率。硬件結構連接中某些引腳選用跳線的連接方式時，應注重其中的MUXEN引腳的設計合理性，促使系統能夠在地址/數據復用方式的支持下對I/O接口進行有效地利用。

Atmega16的PD1口與CP2200的片選信號引腳相連,實現片選功能;PD2口與CP2200中斷信號引腳相連,用于讀取硬件中斷信號。Atmega16的PA0-PA7口分別與CP2200的D0-D7口相連,作為數據線；Atmega16的PB0-PB7口分別與CP2200的A0-A7相連,作為地址線。Atmega16的PD4、PD3口分別與CP2200的/RD、/WR引腳相連,實現讀/寫選通控制。CP2200通過與RJ45相連實現以太網接入。

1.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器實質上是單片機，主要的作用在于將整個計算機系統的信息按照合理的方式集中在一塊智能化芯片上，為各種復雜問題的有效處理帶來了重要的保障作用。單片機在實際的應用中有著很多的衍生產品，主要是為了滿足不同的應用需求。不同的單片機使用中在存儲器及外設的配置方面有著很大的區別，一定程度上保證了產品與實際應用需求的匹配效果，促使整個單片機的使用成本可以控制在合理的范圍內。結合單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計的具體要求，選擇可靠的微控制器，相比嵌入式微處理器有著很多的優勢，具體體現在：（1）實現了控制器的單片化；（2）減少了使用中的占地面積，其體積相對較??；（3）在降低開發成本的同時增強了單片機的可靠性?，F階段微控制器廣泛應用于嵌入式系統工業生產中，在優化控制系統服務功能方面取得了重要的保障作用。根據單片機的嵌入式TCP/IP協議棧及各種數據轉發的要求，選擇低能耗、高性能的AT89C52微控制器，可以滿足系統設計的多樣化需求。

2 單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計的相關協議

2.1 地址解析協議ARP

在單片機的嵌入式TCP/IP協議棧設計方案確定的過程中，由于IP地址無法滿足通信的具體要求，而網絡層中的各種數據在傳送的過程中不僅需要通過主機，也需要經過數據鏈路層進行必要地轉變，最終傳送給計算機網絡，因此，在數據鏈路層上傳送數據的過程中也需要合理運用硬件地址。

結合單片機的嵌入式系統運行的特點，可知系統在工作的過程中是被動連接的。但是，當遠程監控系統運行時，主要采用的是主動連接的方式。因此，需要在嵌入式系統的網絡接口控制器處做出必要的聲明，確保不同信息的正常傳遞。聲明中由于涉及了ARP請求，因此，必須對ARP協議有著必要地了解。在該系統涉及的過程中，ARP協議的主要功能是：（1）當系統處于初始化的工作模式時，結合自身的需求發送ARP請求；（2）通過對ARP請求內容的分析進行必要地處理，不符合實際要求的ARP請求包應及時地舍棄；（3）對IP地址以外的地址進行解析。

2.2 IP協議

結合TCP/IP參考模型的特點，可知IP協議主要存在于該模型的網絡層。在IP協議的支持下，數據包可以按照合理的方式在不同的主機上進行實時地傳遞。這種協議使用中的主要功能為：（1）不需要連接，傳遞服務的可靠性一般；（2）能夠對不同的數據包進行分段與重組；（3）具有路由器的相關功能。

2.3 用戶數據報協議UDP

通過對TCP/IP協議的深入分析，可知這種協議使用中包含了兩個傳輸層協議：TCP/IP協議與UDP協議，前者是傳輸控制協議，后者是用戶數據報協議。

UDP是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議：進程的每個輸出操作都正好產生一個UDP 數據報，并組裝成一份待發送的IP數據報。UDP不提供可靠性：它把應用程序傳給IP層的數據發送出去，但是并不保證它們能到達目的地。對于本系統而言，傳輸數據量不大的二進制狀態信息，UDP協議已經足夠，但UDP的實現要比TCP簡單的多。相比之下，選擇 UDP 協議對于本次設計更為合理，與此同時，通過對遠程監控計算機的合理編程，也可以增加通信的可靠性。

3 單片機的嵌入式TCP/IP協議棧的實現路徑

在單片機的嵌入式TCP/IP協議棧實現的過程中，需要確定具體的TCP/IP協議棧方案。優化這種協議棧方案，需要對單片機及嵌入式系統的功能有著必要地了解。對于單片機，其代碼空間有限，工作過程中對于完整性協議的要求不高，只需要對單片機中的部分結構設置相關的協議。常用的TCP/UDP、IP、ARP等協議在單片機工作過程中應用較多。同時，為了保證數據的正常采集及傳輸，需要對TCP/IP協議進行更多地了解。

在本系統設計與實現的過程中，主要是通過多媒體中央控制系統完成相關的操作。這種系統工作時的主要特征是：按照合理的方式將系統的不同結構進行有效地連接，并通過接收遠程監控系統各種命令的作用，對投影機、電動窗簾等進行實時地控制，促使這些設備能夠處于正常的工作狀態。與此同時，該系統運行中涉及的ARP協議、IP協議、UDP協議等，可以為TCP/IP協議棧完成相關的操作提供可靠地保障。在對系統中傳輸層協議選擇的過程中，由于TCP協議使用中可能會增加系統負擔，因此，在數據量相對較小的嵌入式系統中應放棄面向連接的TCP。

單片機的嵌入式TCP/IP協議棧實現的過程中體系結構的主要內容包括：（1）在數據鏈路層上引入以太網協議；（2）在網絡層上引入ARP協議、IP協議及ARP協議；（3）將UDP協議置于傳輸層上；（4）應用程序加載于應用層。當單片機的嵌入式TCP/ IP協議棧體系結構設置完成后，為了對整個設計流程的合理性進行綜合評估，可以通過遠程控制系統進行必要地測試。測試的內容主要包括：（1）結合遠程控制系統實時控制的要求，選擇可靠的UDP協議；（2）為了保證系統的通信質量，不宜采用TCP協議；（3）系統運行中通信質量要求較高時，應充分發揮應用層上應用程序的實際作用；（4）將以太網與遠程控制系統按照合理的方式進行有效結合，并在可靠的控制芯片作用下利用LED燈進行實時的遠程控制。

4 結束語

加強對單片機嵌入式TCP/IP協議棧設計及其實現路徑的深入分析，有利于減少系統的開發成本，優化嵌入式系統的服務功能，一定程度上擴大了系統的實際應用范圍。在具體的設計過程中，應加強對TCP/IP協議棧的全面認識，靈活運用不同的設計方法對嵌入式TCP/IP協議棧進行合理地設計，并結合單片機的功能特性，對設計過程中存在的細節問題進行實時處理，找出這種協議棧實現的相關路徑，促使嵌入式系統實際應用中能夠滿足相關生產活動的多樣化需求。文中從不同的方面對單片機TCP/IP協議棧設計及其實現路徑進行了系統地闡述，客觀說明了做好這項研究工作對于嵌入式系統正常使用的重要性。

[1]王芳,周優霞.嵌入式TCP/IP協議棧在單片機上的實現[J].現代電子技術,2010,(10).

[2]黃振宇.嵌入式TCP/IP在單片機與PC機通信中的應用[J].河南科技學院學報(自然科學版),2011,(05).

李海（1979.02-），男，漢，本科，實驗師，研究方向為應用電子技術。

Design and implementation of embedded TCP/IP protocol stack based on MCU

Li Hai
（Suzhou Institute of Trade & Commerce,jiangsusuzhou,215009)

The rapid development of information technology has brought an important guarantee for the expansion of the practical application of embedded network.Therefore,this article through to the hardware platform design analysis,obtains the reliable monolithic chip microcomputer embedded TCP/IP protocol stack and its realization path,has brought the essential reference information for the effective processing of the actual problem.The biggest feature of this system is high efficiency and low operating cost,which has a certain market application prospects.

single chip microcomputer;embedded network;TCP/IP;protocol stack;path