一 引言
　　近幾年來，人們對(duì)連接各種裝置到一個(gè)現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)上產(chǎn)生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網(wǎng)通訊，一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧是必須的。對(duì)于由32位嵌入式處理器構(gòu)建的中、高端網(wǎng)絡(luò)接入嵌入式系統(tǒng)中，通常會(huì)運(yùn)行一個(gè)集成有TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。但是對(duì)于由8位和16位低端處理器構(gòu)建的系統(tǒng)，由于其所具有的處理能力和資源十分有限，通常不運(yùn)行操作系統(tǒng)，這就要求系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)應(yīng)用的要求以及所選用的處理器的實(shí)際情況構(gòu)建自己的TCP/IP協(xié)議棧。而TCP/IP協(xié)議的透明性掩蓋了其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，從無到有構(gòu)建一個(gè)協(xié)議棧是一件艱巨的任務(wù)，并且缺少有效的調(diào)試工具。uIP TCP/IP協(xié)議棧是使用于低端8位或16位微處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以自由分發(fā)和使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP使用C語言編寫，使其方便于移植。并且uIP協(xié)議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小，這就使得它可以方便的應(yīng)用到各種低端系統(tǒng)上。本文將簡(jiǎn)要描述uIP的實(shí)現(xiàn)方法，分析uIP協(xié)議棧的應(yīng)用接口，并討論如何將其應(yīng)用到51系列單片機(jī)" title="系列單片機(jī)">系列單片機(jī)上。
二 uIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)述
　　uIP實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個(gè)基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議， ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應(yīng)用，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)采用有針對(duì)性的方法，保持代碼大小和存儲(chǔ)器使用量最小。
　　1 實(shí)現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時(shí)為了節(jié)省存儲(chǔ)器，ARP應(yīng)答包直接覆蓋ARP請(qǐng)求包。
　　2 實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)對(duì)原協(xié)議進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化，它沒有實(shí)現(xiàn)分片和重組。
　　3 實(shí)現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議時(shí)，只實(shí)現(xiàn)echo（回響）服務(wù)。uIP在生成回響報(bào)文時(shí)并不重新分配存儲(chǔ)器空間，而是直接修改echo請(qǐng)求報(bào)文來生成回響報(bào)文。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型，重新計(jì)算校驗(yàn)和修改校驗(yàn)和字段。
　　4 uIP里的TCP沒有實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動(dòng)窗口。每個(gè)TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結(jié)構(gòu)保存，uip_conn結(jié)構(gòu)包括當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)端的TCP端口編號(hào)，遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，重發(fā)時(shí)間值，上一段重發(fā)的編號(hào)，和連接的段的最大尺寸等信息。一個(gè)uip_conn結(jié)構(gòu)數(shù)組用于保存所有的連接，數(shù)組的大小為支持的同時(shí)連接的最大數(shù)量。為了減少儲(chǔ)存器的使用量，在處理重發(fā)時(shí)uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序在需要重發(fā)時(shí)重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。
三 uIP協(xié)議棧的接口
　　uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性，在實(shí)現(xiàn)時(shí)將底層硬件驅(qū)動(dòng)和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集“打包“在一個(gè)“庫“里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應(yīng)用“通信“。通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨(dú)立性，移植到不同系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺(tái)無關(guān)性的特點(diǎn)。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的接口關(guān)系如圖（一）所示：


　　1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口
　　uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設(shè)備驅(qū)動(dòng)" title="設(shè)備驅(qū)動(dòng)">設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口和與系統(tǒng)定時(shí)器的接口兩類。
　　1.1 uIP與設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口
　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為了減少存儲(chǔ)器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收到一個(gè)IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應(yīng)該調(diào)用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當(dāng)uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0，沒有包要發(fā)送;如果uip_len大于0則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包。
　　1.2 uIP與系統(tǒng)計(jì)時(shí)接口
　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時(shí)事件" title="定時(shí)事件">定時(shí)事件，例如包重發(fā)、ARP表項(xiàng)更新。系統(tǒng)計(jì)時(shí)用于為所有uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件計(jì)時(shí)。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP連接應(yīng)該調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic（）。TCP連接編號(hào)作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值。當(dāng)uip_periodic（）函數(shù)返回后，應(yīng)該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網(wǎng)絡(luò)上。
　　ARP協(xié)議對(duì)于構(gòu)建在以太網(wǎng)上的TCP/IP協(xié)議是必須的，但對(duì)于構(gòu)建與其他網(wǎng)絡(luò)接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結(jié)構(gòu)化的目的，uIP將ARP協(xié)議作為一個(gè)可添加的模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。因此，ARP表項(xiàng)的定時(shí)更新要單獨(dú)處理。系統(tǒng)定時(shí)器對(duì)ARP表的更新進(jìn)行定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到則調(diào)用uip_arp_timer（）函數(shù)對(duì)過期表項(xiàng)進(jìn)行清除。
　　2 uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口
　　應(yīng)用程序作為單獨(dú)的模塊由用戶實(shí)現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。用戶需將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)按功能描述如下：
　　2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測(cè)是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)。全局變量uip_appdata指針指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen（）函數(shù)獲得。
　　2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send（）函數(shù)采用兩個(gè)參數(shù);一個(gè)指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個(gè)指明數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。
　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應(yīng)用程序通過測(cè)試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調(diào)用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。
　　2.4 關(guān)閉連接接口：應(yīng)用程序通過調(diào)用uip_close（）函數(shù)關(guān)閉當(dāng)前連接。
　　2.5 報(bào)告錯(cuò)誤接口：uIP提供錯(cuò)誤報(bào)告函數(shù)檢測(cè)連接中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。應(yīng)用程序可以使用兩個(gè)測(cè)試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測(cè)試那些錯(cuò)誤情況。
　　2.6 輪詢接口：當(dāng)連接空閑時(shí)，uIP會(huì)周期性地輪詢應(yīng)用程序，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應(yīng)用程序使用測(cè)試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。
　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個(gè)監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數(shù)，一個(gè)新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當(dāng)在一個(gè)監(jiān)聽端口上接收到一個(gè)新的連接請(qǐng)求時(shí)，uIP產(chǎn)生一個(gè)新的連接和調(diào)用該端口對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。
　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個(gè)新連接。這個(gè)函數(shù)打開一個(gè)新連接到指定的IP地址和端口，返回一個(gè)新連接的指針到uip_conn結(jié)構(gòu)。如果沒有空余的連接槽，函數(shù)返回空值。
　　2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應(yīng)用程序可以通過函數(shù)uip_stop（）停止遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好接收更多數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)uip_restart（）通知遠(yuǎn)程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當(dāng)前連接是否停止。
四 uIP在51系列單片機(jī)上的應(yīng)用
　　51系列單片機(jī)具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內(nèi)核的8位單片機(jī)，被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)。因此使用uIP這種免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內(nèi)核的單片機(jī)構(gòu)建的低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的WEB SERVER，遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲(chǔ)在單片機(jī)系統(tǒng)上的WEB頁面。


　　硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖（二）所示：其中單片機(jī)選用PHILIPS公司的P89C51RD2，64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲(chǔ)WEB頁面。采用ISA接口的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS連接到以太網(wǎng)上。通過MAX232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行連接，可以顯示調(diào)試信息。
　　uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的，本身不提供底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加以下幾個(gè)模塊：底層RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)定時(shí)器。
　　RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網(wǎng)卡芯片的上電初始化，包括設(shè)定網(wǎng)卡物理地址，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等;eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送;eth_rcve（）函數(shù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與uIP協(xié)議棧通過兩個(gè)全局變量進(jìn)行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址;uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時(shí)修改uip_len的值。
　　uIP提供的源代碼中包括一個(gè)基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)靜態(tài)頁面，同時(shí)具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)說明實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層功能。用戶的應(yīng)用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務(wù)程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序?yàn)閔ttpd（）函數(shù)，則要進(jìn)行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd。
　　51系列單片機(jī)上都有2到3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，可以選擇其中的一個(gè)來為TCP/IP協(xié)議中與時(shí)間有關(guān)的事件定時(shí)。需要由用戶處理的定時(shí)事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準(zhǔn)，還要為ARP表項(xiàng)的更新定時(shí)。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表項(xiàng)每10秒更新一次。
　　uIP的設(shè)置單獨(dú)包含在一個(gè)叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應(yīng)根據(jù)自己的應(yīng)用在uipopt.h文件里設(shè)置本地的物理地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項(xiàng)。
　　添加了必須的模塊，對(duì)uIP進(jìn)行了正確地配置后，需要編寫主程序函數(shù)。針對(duì)基于以太網(wǎng)的WEB SERVER應(yīng)用，主程序在完成初始化后將不停的進(jìn)行查詢，如果有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input（）函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則處理定時(shí)事件。框架代碼如下所示：
　　void main（void） //主程序開始
　　｛ …… //省略部分代碼
　　timer0_init（）; //定時(shí)器初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　serial_init（）; //串口初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　init_8019（）; //網(wǎng)卡芯片初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　uip_init（）; //uIP協(xié)議棧初始化函數(shù)由uIP協(xié)議棧提供
　　httpd_init（）; //HTTP應(yīng)用程序初始化函數(shù)由WEB SERVER示例程序提供
　　uip_arp_init（）;//ARP協(xié)議初始化函數(shù)由ARP模塊提供
　　while（1）
　　｛ uip_len = eth_rcve（）; //查詢網(wǎng)卡是否有數(shù)據(jù)到來
　　if（uip_len == 0） //如果沒有數(shù)據(jù)到來則處理定時(shí)事件
　　｛ if（0.5秒定時(shí)時(shí)間到）
　　｛ for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS為TCP連接數(shù)
　　｛ uip_periodic（i）; //處理每一個(gè)TCP連接
　　if（uip_len > 0） //說明本連接有數(shù)據(jù)要發(fā)送或重發(fā)
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP處理部分添加以太網(wǎng)幀頭
　　eth_send（）; //由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送
　　｝
　　｝//對(duì)應(yīng)于：for（）
　　｝// 對(duì)應(yīng)于：if（0.5秒定時(shí)時(shí)間到）
　　if（ARP表項(xiàng)更新時(shí)間到）
　　uip_arp_timer（）; //進(jìn)行ARP表項(xiàng)更新
　　｝else if（uip_len > 0） //說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　　｛ if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP數(shù)據(jù)包
　　｛ uip_arp_ipin（）; //送ARP模塊進(jìn)行表項(xiàng)更新
　　uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太網(wǎng)幀頭
　　uip_input（）; //送uip_input（）進(jìn)行處理
　　if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不為零說明有數(shù)據(jù)要回送
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太網(wǎng)幀頭
　　eth_send（）; //送交網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)發(fā)送
　　｝//對(duì)應(yīng)于：if（）收到IP數(shù)據(jù)包
　　｝else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包
　　｛ uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）處理，如果為應(yīng)答包則進(jìn)行表項(xiàng)
　　//更新
　　//如果為請(qǐng)求包，則構(gòu)造應(yīng)答數(shù)據(jù)包
　　if（uip_len > 0） //說明收到的是ARP請(qǐng)求包，需要回送ARP應(yīng)答包
　　eth_send（）; //送網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)發(fā)送
　　｝//對(duì)應(yīng)于：else if（）收到ARP數(shù)據(jù)包
　　｝//對(duì)應(yīng)于：else if（） 說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　　｝｝
　　以上實(shí)例在keil C51編譯器下設(shè)置大模式，優(yōu)化等級(jí)6（速度優(yōu)先）進(jìn)行編譯，對(duì)uIP代碼部分可以不做任何修改，對(duì)HTTP示例代碼僅需針對(duì)類型表達(dá)進(jìn)行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺(tái)上運(yùn)行良好。
五 總結(jié)
　　uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結(jié)構(gòu)化的代碼，使其存儲(chǔ)器占用量很小并且可以很方便的應(yīng)用到不同的工程項(xiàng)目中。同時(shí)它又是免費(fèi)的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入提供了很好的解決方案，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
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