TCP/IP協議單片機在網絡通信中的數據傳輸技術

介紹了嵌入式TCP/IP協議單片機在網絡通信中的數據傳輸技術。將TCP/IP協議嵌入式單片機中,借助網卡芯片CS8900實現了單片機在局域網內和通過局域網在因特網上的數據傳輸。用戶終端以單片機系統板為媒介,通過網絡與遠程數據終端實現數據通信。

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在因特網上,TCP/IP協議每時每刻保證了數據的準確傳輸。在數據采集領域,如何利用TCP/IP協議在網絡中進行數據傳輸成為一個炙手可熱的話題。在本系統中,筆者利用TCP/IP協議中的UDP（用戶數據報協議）、IP（網絡報文協議）、ARP（地址解析協議）及簡單的應用層協議成功地實現了單片機的網絡互連,既提高了數據傳輸的速度,又保證了數據傳輸的正確性,同時也擴展了數據傳輸的有效半徑。

1 TCP/IP協議簡介

TCP/IP協議是一套把因特網上的各種系統互連起來的協議組,保證因特網上數據的準確快速傳輸。參考開放系統互連（OSI）模型,TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型,分別為：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。

（1）應用層

網絡應用層要有一個定義清晰的會話過程,如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統中,單片機系統傳遞來自Ethernet和數據終端的數據,應用層只對大的數據報作打包拆報處理。

（2）傳輸層

傳輸層讓網絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數據,如定義網絡連接的端口號等,實現該層協議的傳輸控制協議TCP和用戶數據協議UDP。在本系統中使用UDP數據報協議。

（3）網絡層

網絡層讓信息可以發送到相鄰的TCP/IP網絡上的任一主機上,IP協議就是該層中傳送數據的機制。同時建立網絡間的互連,應提供ARP地址解析協議,實現從IP地址到數據鏈路物理地址的映像。

（4）鏈路層

由控制同一物理網絡上的不同機器間數據傳送的底層協議組成,實現這一層協議的協議并屬于TCP/IP協議組。在本系統中這部分功能由單片機控制網卡芯片CS8900實現。

2 硬件框圖

如圖1所示,系統提供RJ45接口連接Ethernet網絡,并且提供一個串口給用戶使用。系統板可以將從Ethernet上過來的IP數據報解包后送給串口,也可將從串口過來的數據封裝為IP包送到局域網中。外部RAM使用61C1024（128KB）,從而為數據處理提供了很大的緩存;使用E2PROM——X25045,既可以作為看門狗使用,也可以將IP地址、網卡物理地址和其他參數保存在里面。

CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產的一種局域網處理芯片,它的封裝是100-pin TQFP,內部集成了在片RAM、10BASE-T收發濾波器,并且提供8位和16位兩種接口,本文只介紹它的8位模式。

NE103是一種脈沖變壓器,在CS8900的前端對網絡信號進行脈沖波形變換。

3 工作原理

3.1 CS8900的工作原理

CS8900與單片機按照8位方式連接,網卡芯片復位后默認工作方式為I/O連接,基址是300H,下面對它的幾個主要工作寄存器進行介紹（寄存器后括號內的數字為寄存器地址相對基址300H的偏移量）。

·LINECTL（0112H）

LINECTL決定CS8900的基本配置和物理接口。在本系統中,設置初始值為00d3H,選擇物理接口為10BASE-T,并使能設備的發送和接收控制位。

·RXCTL（0104H）

RXCTL控制CS8900接收特定數據報。設置RXTCL的初始值為0d05H,接收網絡上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數據報。

·RXCFG（0102H）

RXCFG控制CS8900接收到特定數據報后會引發接收中斷。RXCFG可設置為0103H,這樣當收到一個正確的數據報后,CS8900會產生一個接收中斷。

·BUSCT（0116H）

BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。設置初始值為8017H,打開CS8900的中斷總控制位。

·ISQ（0120H）

ISQ是網卡芯片的中斷狀態寄存器,內部映射接收中斷狀態寄存器和發送中斷狀態寄存器的內容。

·PORT0（0000H）

發送和接收數據時,CPU通過PORT0傳遞數據。

·TXCMD（0004H）

發送控制寄存器,如果寫入數據00C0H,那么網卡芯片在全部數據寫入后開始發送數據。

·TXLENG（0006H）

發送數據長度寄存器,發送數據時,首先寫入發送數據長度,然后將數據通過PORT0寫入芯片。

以上為幾個最主要的工作寄存器（為16位）,CS8900支持8位模式,當讀或寫16位數據時,低位字節對應偶地址,高位字節對應奇地址。例如,向TXCMD中寫入00C0H,則可將00h寫入305H,將C0H寫入304H。

系統工作時,應首先對網卡芯片進行初始化,即寫寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。發數據時,寫控制寄存器TXCMD,并將發送數據長度寫入TXLENG,然后將數據依次寫入PORT0口,如將第一個字節寫入300H,第二個字節寫入301H,第三個字節寫入300H,依此類推。網卡芯片將數據組織為鏈路層類型并添加填充位和CRC校驗送到網絡同樣,單片機查詢ISO的數據,當有數據來到后,讀取接收到的數據幀。讀數據時,單片機依次讀地址300H,301H,300H,301H…。

3.2 單片機工作流程

如圖人所示,單片機首先初始化網絡設備。網卡IP地址和物理地址存在X25045中,單片機復位后首先讀取這些數據以初始化網絡。

??? 單片機主要完成數據的解包打包。當有數據從RJ45過來,單片機對數據報進行分析,如果是ARP（物理地址解析）數據包,則程序轉入ARP處理程序（因為在網絡上正是ARP協議將IP地址和物理地址相映射）。如果是IP數據包且傳輸層使用UDR協議,端口正確,則認為數據報正確,數據解包后,將數據部分通過串口輸出。反之,如果單片機從串口收到數據,則將數據按照UDP協議格式打包,送入CS8900,由CS8900將數據輸出到局域網中。

可以知道,單片機主要處理協議的網絡層和傳輸層,鏈路層部分由CS8900完成。因單片機將數據接收后完整不變地通過串口輸出,所以將應用層交付用戶來處理,用戶可以根據需求對收到的數據進行處理。

在單片機的程序處理中,包含了完整的APR地址解析協議。通過在單片機中正確設置網關、子網掩碼等參數,實現了通過局域網單片機與外部因特網上的終端設備的數據通信。

4 應用

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,特別是數據采集、數據傳輸領域。目前,在屏幕板數據成像、遠程數據采集系統中被使用。