嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用

摘  要：互联网技术的不断发展带动了嵌入式技术的发展。信息共享的程度越来越高，通过互联网共享以单片机应用系统为中心的嵌入式设备成为目前通信技术行业热门的话题，越来越多的产品应用了嵌入式技术。然而在进行系统设计时，需要充分考虑TCP/IP协议的相关特点和内容，并有效结合。基于此，对嵌入式下协议栈的概念及特点进行了概述，分析了单片机接入Internet的方式，嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用。

关键词：嵌入式;单片机;网络通信;TCP/IP

中图分类号：TP368.1;TN915.04      文献标识码：A 文章编号：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技术是为了接入Internet而提出的，是嵌入式技术和Internet技术相结合的产物，具备着智能、简便、可编程的优点，又能通过计算机网络进行信息共享，方便經济信息交流。单片机在网络通信中的应用是单片机应用的一个重要领域，现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行连接，实现数据通信。随着嵌入式设备的日益完善，在单片机中引入TCP/IP协议栈，对于节约成本、保证系统稳定可靠和设计合理有着重要的作用。一般采用单片机作为处理器，需要在单片机上实现TCP/IP协议栈。我国的技术经过几十年的发展，有了长足的进步，但是与发达国家相比，网络通信的智能化水平还存在一些差距。此外，通信行业目前面临的竞争日趋激烈，嵌入式TCP/IP协议技术成为通讯行业的热门话题，未来将是促进经济增长的重要组成部分。这种嵌入式TCP/IP协议的单片机系统板具有成本低、硬件少、占用面积少、传输速度快、使用方便等优点。适用于现有的网络传输系统，有着广泛的应用前景，特别在是数据采集和数据传输领域。无线传感器网络需要由大量传感器节点通过无线通信技术实现，将嵌入式TCP/IP协议单片机技术与网络通信以及无线传感器网络结合起来，有很大的优势，必将为控制工程学院的无线传感网络专业的研究提供强有力的技术支撑，有很好的应用前景。

1  嵌入式TCP/IP协议单片机技术概述

1.1  嵌入式下协议的概念及特点

嵌入式是为了实现信息交互，将电子设备嵌入式模块介入Internet的技术，嵌入式系统之间互相连接，进而实现信息共享、状态控制和信息通信。嵌入式Internet是近些年来应用比较广泛的技术，以计算机为基础，可以对软件和硬件实现裁剪，极大地满足了市场需求。要想实现设备的网络化，需要实现TCP/IP的网络协议。嵌入式技术既是一种传输媒介，也是一种协议。通过网络接口控制器来实现链路层和物理层的协议。MCU要实现与Internet的连接，需要运行嵌入式TCP/IP协议的通信模块。Unix系统是最先使用TCP/IP协议，后来TCP/IP在Linux/DOS/Windows等操作系统里也得到了应用，嵌入式的系统和PC机有着很大的差别，嵌入式系统中的TCP/IP协议与传统的操作系统的运行方式也存在着很大的不同。嵌入式协议对于满足嵌入式系统的实际需求有着很重要的影响，克服了传统协议中实时性不够好的问题，很大程度上保证了数据的可靠性和实时的要求。通过对庞大的功能齐全的TCP/IP协议的仔细研究，并进行有效的取舍，满足了网络功能的实际需求。嵌入式协议和标准的协议栈有着很大的区别，其一般应用在专业的特殊性领域。它具备可裁剪性，这是因为嵌入式的应用对存储器的容量、价格成本有着一定的要求，在使用时需要考虑这些因素，需要对完整的TCP/IP协议栈功能进行裁剪。嵌入式的应用是多种多样的，在开发和应用时是可以移植的。由于单片机内部资源有限，要想实现正常的应用，必须精简TCP/IP协议。

1.2  单片机嵌入式TCP/IP协议技术

MCU微控制单元又叫单片微型计算机，即单片机，是一种集成电路芯片。单片机是计算机发展的一个重要分支。单片机结构比较简单，处理速度比较快，功能性强，通过模块化的管理，使得系统功能比较具有优势。目前单片机已经渗透到我们生活的各个领域，计算机网络中的数据传输、广泛使用的IC卡、全自动洗衣机等都得益于单片机的使用。单片机是一种典型的嵌入式微控制器，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

TCP和IP是实现相互通信的两个重要协议。TCP/IP协议代表的是将互联网连接起来的一个协议组，是互联网上使用的网络协议，其主要功能是保证数据的快速传输，TCP/IP协议层包含四部分，分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层。应用层负责对接收的数据提供解释服务，如常见的HTTP、Telnet、FTP等;传输层则是让网络程序通过一定的通道获取数据，UDP协议就属于传输层;网络层可以让信息发送到TCP/IP网络上的任意主机上;链路层是TCP/IP协议软件的最低层，主要功能接收IP数据包，以及通过合适的方式将数据传输出去，它也具有单片机接口这一重要的物理介质作用。

TCP/IP软件概念性层次如图1所示。

嵌入式TCP/IP协议栈在单片机上的实现，包含系统硬件的实现、系统软件的设计。将两者进行嵌入式的结合，能够实现对系统的优化，提高通信技术的智能化水平。

2  嵌入式TCP/IP协议单片机技术的设计

关于嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信，本文的研究主要从硬件总体功能结构出发进行设计，并结合嵌入式TCP/IP协议链路层、网络层、运输层、应用层的内容进行分析设计。

2.1  系统硬件实现

关于单片机的选择，需要考虑到TCP/IP的特点，协议组内容庞大，对系统的运行速度和存储都要求比较高。本文基于实际，选用Philips公司的P89C51，无论容量和速度都能满足要求。单片机是整个系统的核心部分，远程通信是通过RTL8019AS以太网对芯片的控制得以实现的。在线仿真和网卡参数的修改则是采用串行通信方式实现，使用X5045实现外部扩展，以存储IP抵制和配置信息。X5045除了具有扩展的功能，还能对电压进行监控，以及具备看门狗定时器、上电复位的功能。硬件设计属于TCP/IP的协议链路层设计，是协议的硬件平台。如图2所示是系统硬件结构图。

以上是硬件实现的过程，其中单片机充当了连接端口的物理介质，有效实现了嵌入式的系统功能。为了达到预期的目标，需要加强对硬件的设计，要注意各个硬件之间组合的合理性，充分发挥各组合部分的实际功能。

2.2  系统软件的实现

单片机嵌入式TCP/IP协议技术中的系统软件的实现，主要是对网卡控制器驱动程序设计和TCP/IP协议设计，驱动程序的功能包含初始化RTL8019AS、接收数据包和发送数据包。而作为上层协议的TCP/IP协议，具有很强的独立性，对其编程主要考虑其中的功能，不用考虑其关联。可以划分为ARP（）模块设计、ICMP模块设计、IP模块设计、UDP模块设计、TCP模块设计。其中ARP协议的作用是对IP地址进行转化，使其变成物理地址，以及对ARP进行解析、管理，对缓存表进行更新;ICMP协议则可检测其中的错误项，诊断数据流;IP是对发送的信息寻找路径;UDP主要是对报文进行发送和接收，由于是一种没有连接的数据传输，传输的速度比较快;TCP是一个需要连接的协议，通信双方需要建立数据连接，通过一定的顺序号，获得可靠的信息。

在实现系统软件的过程中，首先是初始化，其中包含PING表、ARP表，初始化TCP，之后进入主程序，再进行超时出错处理，完成TCP定时保活和ARP表的更新。在本系统中对通信系统完成相关的操作，使得系统中的不同结构实现连接，这个系统涉及到ARP协议、IP协议、UDP协议等。

3  单片机嵌入式TCP/IP协议栈的设计

3.1  ARP协议

ARP协议是IP地址获取物理地质的一个协议，IP地址无法完成通信的具体要求，ARP协议能够通过网络层中的各种数据，有效接收返回的包含目标IP地址的消息，并将请求发送到主机。同时ARP协议还具有缓存的功能，可以在收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间。单片机的嵌入系统在运行时是被动连接的，在运行远程控制系统需要在网络接口处做出必要的说明，确保不同信息的正常传递。在运用地址协议时需要注意以下几点：当系统处在初始化阶段时，需要结合实际情况发送ARP协议的请求，对于不符合要求的地址协议要进行取舍，选取符合要求的地址协议，以确保信息的有效性，同时还要注意解析IP地址以外的信息。

3.2  IP协议

根据IP协议的结构，可以看出IP协议存在于网络层，在此协议下，数据包可以按照一定的方式在不同的主机上进行传送，这个协议与路由器的功能有着一些相似性，能够对不同的数据进行重组，由于其不需要连接，可靠性一般。

3.3  UDP协议

通过对TCP/IP协议进行观察和研究，可以看出UDP是作为传输层协议存在的。UDP所发送的数据不具有可靠性，其将应用程序传统到特定的IP层，但是是否能够到达目的地，并不能保证。相对于TCP协议来说，UDP协议要更简单一些，对于設计本文的协议具有很大的合理性，且比较适合用在通信中。

4  结  论

21世纪是互联网经济时代，嵌入式系统作为计算机技术发展下的产物，得到了广泛的应用，单片机发展过程中连接互联网是未来发展的必然方向，将单片机与TCP/IP协议进行嵌入式的连接是通信技术的一大进步。随着互联网技术的不断发展，以及对信息共享程度的要求越来越高，以单片机为核心的小型嵌入式的设备必将得到广泛推广。将其与TCP/IP进行嵌入式的连接，对于提高系统的科学性和实用性具有重要的意义。加强对单片机TCP/IP协议的设计以及探索，可以很大程度上缩减开发的成本，同时还能够优化系统，拓宽系统的使用范围。对TCP/IP协议的设计要结合自身的实际以及协议组的特点，选择合适的单片机，满足人们相关生产活动的多样化需求。同时，随着嵌入式设备硬件和互联网技术的不断发展，单片机嵌入式TCP/IP协议的实现也将会越来越完善，使用的范围也会越来越广。

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作者简介：袁勇（1984.07-），男，汉族，新疆且末人，实验师，本科，研究方向：无线传感器网络。