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摘要 为了实现嵌入式系统的以太网通信，本文设计了基于单片机C8051F340和网络控制芯片CP2200的以太网接口，并在介绍所需硬件的基础上，分析了TCP/IP协议栈的设计思想。通过Keil uVision3工具对协议代码进行调试编程，适当裁剪各层协议，从而实现嵌入式以太网的数据通信，并通过进行各项测试实验来证明其可行性。
关键词 以太网 TCP/IP协议 嵌入式 CP2200
如今，基于嵌入式的网络通信发展越来越迅速，其应用领域也变得更加广泛[1]。因此，嵌入式设备与网络的互联成为嵌入式系统发展的主要趋势。目前，嵌入式网络通信大都是基于TCP/IP协议实现的[2—4]。本文通过对精简的TCP/IP网络结构中各层协议模块的设计，并用C语言进行编程，实现了嵌入式以太网通信的各项测试，包括串口通信测试、ping命令功能测试、web网页浏览器测试和抓包软件测试。
1 整体硬件系统简介
本系统主要由Silicon labs公司生产的单片机C8051F340和以太网控制芯片CP2200组成[5]。其硬件结构框图如图1所示。
C8051F340是系统的核心控制器，它具有可达48MIPS的微控内核，精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器，10位的ADC，4个通用的16位定时器及多达4352字节的片内RAM[6]。
CP2200是集成IEEE802.3以太网媒体访问控制器（MAC）、10Base—T物理层（PHY）和8KB非易失性FLASH存储器的以太网控制芯片，它的8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式，可以是复用或非复用方式寻址，FLASH存储器的最后6个存储单元已在出厂前被预先写入一个唯一的48位MAC地址[7—9]。
系统的主要硬件连接简图如图2所示。
由图2可知，CP2200工作在非复用Intel总线方式。它的读写控制信号/RD、/WR分别与C8051F340的P1.6和P1.7引脚相连，外部中断/INT与P0.0连接。它通过RJ45插头与网络实现连接，其中LINK连接黄色LED灯用于检测有效的连接脉冲，ACT连接绿色LED灯用于检测发送或接受到一个数据包。
2 精简TCP/IP协议的设计与实现
2.1 TCP/IP协议栈结构
TCP/IP协议栈是四层的体系结构，由上到下分别为应用层、运输层、网络层和网络接口层[10]。各层又有不同的网络协议，如图3所示。
2.2 TCP/IP各层协议的设计与实现
2.2.1 精简协议栈的软件实现流程
在嵌入式系统中，根据实际应用的需求，要对TCP/IP协议族进行裁剪来实现嵌入式网络通信的目的。为了完成本文所需的各项测试功能，设计了如图4所示的软件实现流程图。初始化过程有对单片机的初始化，包括系统时钟初始化、端口初始化、定时器初始化、串口初始化等，还有对CP2200的初始化，包括物理层初始化、MAC层初始化、中断使能等。
2.2.2 各层协议的设计及其实现
本文设计的协议栈中，网络层包括ARP协议、IP协议及ICMP协议，运输层包括TCP协议和UDP协议，应用层主要涉及HTTP协议。各个协议模块的实现如下：
（1）ARP协议模块。ARP缓存表更新函数age_arp_cache（），它每60s更新一次。ARP发送函数arp_send（），当发送请求报文时，不知道目的物理地址，它是广播报文；当发送应答报文时，接收方的物理地址要添加到目的物理地址。ARP重传函数arp_retransmit（），若发出ARP请求0.5s后没响应，就再发送一次，若两次都没响应则删除报文。ARP解析函数arp_resolve（）解析发送IP报文的目的IP地址，若目的IP地址与发送的IP地址不在同一网络，则这个IP地址就是网关的IP地址；再看它是否在缓存表里，若不在则发送ARP请求报文。ARP接收函数arp_rcve（）用来接收请求或应答报文，其中需要进行缓存表的更新和重新定时，如果接收到请求报文，需要发送ARP应答报文，若接收的是应答报文，要将等候地址解析的IP报文发出。
（2）IP协议模块。IP发送函数ip_send（）处理发送的IP报文，主要是对20字节头和校验和的处理，然后通过网络接口层发送。IP接收函数ip_rcve（），要考虑它的版本信息及分段情况，再根据接收到的报文类型转移到相应的接收函数进行处理。
（3）ICMP协议模块。Ping命令请求信息函数ping_send（），主要用来测试发送方和接收方是否正确接收，在IP层能否通信。ICMP接收函数icmp_rcve（）主要是处理ping请求的接收，根据ICMP不同的报文类型进行相应处理。
（4）TCP协议模块。TCP发送函数tcp_send（）是要发送一个TCP报文，里边不包含数据，主要是对字节头和校验和的处理。TCP重传函数tcp_retransmit（）通过设置定时功能实现数据的可靠传输，它允许的重传次数为2次，传送的应用层程序是基于HTTP服务程序（即传送网页数据）。TCP的保活函数tcp_inactivity（）也是0.5s运行一次，在连接处于建立状态下，当保活期满时还没被再次用到，则关闭连接。TCP接收函数tcp_rcve（）要进行字节头信息和校验和的计算，然后判断是否为HTTP服务程序以及它的连接状态等信息，最后通过TCP的有限状态机判定数据包的流程。
（5）UDP协议模块。UDP的发送函数udp_send（）也是进行字节头和校验和的处理。它的接收函数udp_rcve（）处理接收到的UDP报文，若没有接收到数据则发送ICMP的终点不可到达报文。
（6）HTTP协议模块：它的发送函数http_send（）就相当于TCP的发送函数加上了数据信息。而http_server（）函数主要对网页内容进行了设计，其中包括超文本标记语言（HTML）和JPEG格式图像等内容的处理。 3 实验测试结果
在进行测试实验前，要根据编写的程序内容将个人计算机的IP地址等信息进行设定，然后连接好串口线、以太网双绞线、单片机的下载仿真器等硬件设施。其中，个人电脑的IP地址设为192.168.0.10，测试板网卡芯片的IP地址设为192.168.0.126。
3.1 串口通信测试
若要实现终端设备与网络之间的通信，首先应确保串口与单片机之间的通信。因此，连接好电脑与单片机的串口线后，将编写的程序写入单片机，通过串口调试助手测试串口接收到的数据，如图5所示。接收区显示的是单片机的片上温度传感器的温度和P2.5引脚的工作电压。
3.2 PING命令测试
为了通信网络的连通情况，用个人计算机对测试板网卡芯片进行了PING命令测试，结果如图6所示。
3.3 Web网页浏览器测试
在浏览器的地址栏输入要访问的测试板的IP地址，即可得到如图7所示的网页内容。此网页是利用HTML超文本编辑语言进行编写，其中包括图片设计、表格设计及通过控制LED灯实现的表单设计。
3.4 抓包软件测试
做好实验前准备工作后，打开抓包软件CommView，运行程序，开始抓包并访问浏览器，得到如图8所示的测试结果。通过此抓包软件可知，个人电脑与测试板进行网络通信时，各个协议包的发送与接收流程，各层协议的字节头信息以及传输的数据信息等。
4 总结
本文设计了精简的TCP/IP协议栈，并通过多项实验测试实现了嵌入式网络通信的目的，即完成了以太网接口的设计。对于应用层服务程序，本文只是实现了HTTP客户端的功能，还可以开发TFTP客户端、FTP客户端、SMTP客户端等应用层程序，从而使之有更加广泛的应用环境，提高实用价值。
参 考 文 献
[1] 刘跃，傅一帆. 嵌入式系统以太网接口设计与实现. 计算机应用，2009，28（8）：33—37
[2] 杨杰，陈学工. 基于TCP/IP协议的嵌入式以太网客户端的设计与实现. 湖南科技学院学报，2008，29（12）：100—103
[3] 王晓菊，潘琢金，杜睿. 嵌入式网络接口模块设计及协议栈实现. 沈阳航空工业学院学报，2007，24（1）：49—52
[4] 李云岗. 基于CP2201的嵌入式以太网接口的实现及应用. 北京：北京交通大学，2008
[5] 黄承. 基于嵌入式技术网络测试仪的研究及设计. 长沙：中南大学，2008
[6] Silicon Laboratories著，潘琢金译. C8051F34x全速USB FLASH微控制器[内部资料]. 新华龙电子有限公司，2006
[7] Silicon Laboratories著，潘琢金译. CP2200/1单芯片以太网控制器[内部资料]. 新华龙电子有限公司，2006
[8] 徐杨. 利用CP2200在单片机局域网中进行通信. 计算机与网络，2009，（15）：37—39
[9] 张瑞瑞，马晨普. 用CP2200实现MCU的简易型以太网接口.单片机与嵌入式系统应用，2009，（12）：38—40
[10] 谢希仁. 计算机网络. 北京：电子工业出版社，2009
关键词 以太网 TCP/IP协议 嵌入式 CP2200
如今，基于嵌入式的网络通信发展越来越迅速，其应用领域也变得更加广泛[1]。因此，嵌入式设备与网络的互联成为嵌入式系统发展的主要趋势。目前，嵌入式网络通信大都是基于TCP/IP协议实现的[2—4]。本文通过对精简的TCP/IP网络结构中各层协议模块的设计，并用C语言进行编程，实现了嵌入式以太网通信的各项测试，包括串口通信测试、ping命令功能测试、web网页浏览器测试和抓包软件测试。
1 整体硬件系统简介
本系统主要由Silicon labs公司生产的单片机C8051F340和以太网控制芯片CP2200组成[5]。其硬件结构框图如图1所示。
C8051F340是系统的核心控制器，它具有可达48MIPS的微控内核，精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器，10位的ADC，4个通用的16位定时器及多达4352字节的片内RAM[6]。
CP2200是集成IEEE802.3以太网媒体访问控制器（MAC）、10Base—T物理层（PHY）和8KB非易失性FLASH存储器的以太网控制芯片，它的8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式，可以是复用或非复用方式寻址，FLASH存储器的最后6个存储单元已在出厂前被预先写入一个唯一的48位MAC地址[7—9]。
系统的主要硬件连接简图如图2所示。
由图2可知，CP2200工作在非复用Intel总线方式。它的读写控制信号/RD、/WR分别与C8051F340的P1.6和P1.7引脚相连，外部中断/INT与P0.0连接。它通过RJ45插头与网络实现连接，其中LINK连接黄色LED灯用于检测有效的连接脉冲，ACT连接绿色LED灯用于检测发送或接受到一个数据包。
2 精简TCP/IP协议的设计与实现
2.1 TCP/IP协议栈结构
TCP/IP协议栈是四层的体系结构，由上到下分别为应用层、运输层、网络层和网络接口层[10]。各层又有不同的网络协议，如图3所示。
2.2 TCP/IP各层协议的设计与实现
2.2.1 精简协议栈的软件实现流程
在嵌入式系统中，根据实际应用的需求，要对TCP/IP协议族进行裁剪来实现嵌入式网络通信的目的。为了完成本文所需的各项测试功能，设计了如图4所示的软件实现流程图。初始化过程有对单片机的初始化，包括系统时钟初始化、端口初始化、定时器初始化、串口初始化等，还有对CP2200的初始化，包括物理层初始化、MAC层初始化、中断使能等。
2.2.2 各层协议的设计及其实现
本文设计的协议栈中，网络层包括ARP协议、IP协议及ICMP协议，运输层包括TCP协议和UDP协议，应用层主要涉及HTTP协议。各个协议模块的实现如下：
（1）ARP协议模块。ARP缓存表更新函数age_arp_cache（），它每60s更新一次。ARP发送函数arp_send（），当发送请求报文时，不知道目的物理地址，它是广播报文；当发送应答报文时，接收方的物理地址要添加到目的物理地址。ARP重传函数arp_retransmit（），若发出ARP请求0.5s后没响应，就再发送一次，若两次都没响应则删除报文。ARP解析函数arp_resolve（）解析发送IP报文的目的IP地址，若目的IP地址与发送的IP地址不在同一网络，则这个IP地址就是网关的IP地址；再看它是否在缓存表里，若不在则发送ARP请求报文。ARP接收函数arp_rcve（）用来接收请求或应答报文，其中需要进行缓存表的更新和重新定时，如果接收到请求报文，需要发送ARP应答报文，若接收的是应答报文，要将等候地址解析的IP报文发出。
（2）IP协议模块。IP发送函数ip_send（）处理发送的IP报文，主要是对20字节头和校验和的处理，然后通过网络接口层发送。IP接收函数ip_rcve（），要考虑它的版本信息及分段情况，再根据接收到的报文类型转移到相应的接收函数进行处理。
（3）ICMP协议模块。Ping命令请求信息函数ping_send（），主要用来测试发送方和接收方是否正确接收，在IP层能否通信。ICMP接收函数icmp_rcve（）主要是处理ping请求的接收，根据ICMP不同的报文类型进行相应处理。
（4）TCP协议模块。TCP发送函数tcp_send（）是要发送一个TCP报文，里边不包含数据，主要是对字节头和校验和的处理。TCP重传函数tcp_retransmit（）通过设置定时功能实现数据的可靠传输，它允许的重传次数为2次，传送的应用层程序是基于HTTP服务程序（即传送网页数据）。TCP的保活函数tcp_inactivity（）也是0.5s运行一次，在连接处于建立状态下，当保活期满时还没被再次用到，则关闭连接。TCP接收函数tcp_rcve（）要进行字节头信息和校验和的计算，然后判断是否为HTTP服务程序以及它的连接状态等信息，最后通过TCP的有限状态机判定数据包的流程。
（5）UDP协议模块。UDP的发送函数udp_send（）也是进行字节头和校验和的处理。它的接收函数udp_rcve（）处理接收到的UDP报文，若没有接收到数据则发送ICMP的终点不可到达报文。
（6）HTTP协议模块：它的发送函数http_send（）就相当于TCP的发送函数加上了数据信息。而http_server（）函数主要对网页内容进行了设计，其中包括超文本标记语言（HTML）和JPEG格式图像等内容的处理。 3 实验测试结果
在进行测试实验前，要根据编写的程序内容将个人计算机的IP地址等信息进行设定，然后连接好串口线、以太网双绞线、单片机的下载仿真器等硬件设施。其中，个人电脑的IP地址设为192.168.0.10，测试板网卡芯片的IP地址设为192.168.0.126。
3.1 串口通信测试
若要实现终端设备与网络之间的通信，首先应确保串口与单片机之间的通信。因此，连接好电脑与单片机的串口线后，将编写的程序写入单片机，通过串口调试助手测试串口接收到的数据，如图5所示。接收区显示的是单片机的片上温度传感器的温度和P2.5引脚的工作电压。
3.2 PING命令测试
为了通信网络的连通情况，用个人计算机对测试板网卡芯片进行了PING命令测试，结果如图6所示。
3.3 Web网页浏览器测试
在浏览器的地址栏输入要访问的测试板的IP地址，即可得到如图7所示的网页内容。此网页是利用HTML超文本编辑语言进行编写，其中包括图片设计、表格设计及通过控制LED灯实现的表单设计。
3.4 抓包软件测试
做好实验前准备工作后，打开抓包软件CommView，运行程序，开始抓包并访问浏览器，得到如图8所示的测试结果。通过此抓包软件可知，个人电脑与测试板进行网络通信时，各个协议包的发送与接收流程，各层协议的字节头信息以及传输的数据信息等。
4 总结
本文设计了精简的TCP/IP协议栈，并通过多项实验测试实现了嵌入式网络通信的目的，即完成了以太网接口的设计。对于应用层服务程序，本文只是实现了HTTP客户端的功能，还可以开发TFTP客户端、FTP客户端、SMTP客户端等应用层程序，从而使之有更加广泛的应用环境，提高实用价值。
参 考 文 献
[1] 刘跃，傅一帆. 嵌入式系统以太网接口设计与实现. 计算机应用，2009，28（8）：33—37
[2] 杨杰，陈学工. 基于TCP/IP协议的嵌入式以太网客户端的设计与实现. 湖南科技学院学报，2008，29（12）：100—103
[3] 王晓菊，潘琢金，杜睿. 嵌入式网络接口模块设计及协议栈实现. 沈阳航空工业学院学报，2007，24（1）：49—52
[4] 李云岗. 基于CP2201的嵌入式以太网接口的实现及应用. 北京：北京交通大学，2008
[5] 黄承. 基于嵌入式技术网络测试仪的研究及设计. 长沙：中南大学，2008
[6] Silicon Laboratories著，潘琢金译. C8051F34x全速USB FLASH微控制器[内部资料]. 新华龙电子有限公司，2006
[7] Silicon Laboratories著，潘琢金译. CP2200/1单芯片以太网控制器[内部资料]. 新华龙电子有限公司，2006
[8] 徐杨. 利用CP2200在单片机局域网中进行通信. 计算机与网络，2009，（15）：37—39
[9] 张瑞瑞，马晨普. 用CP2200实现MCU的简易型以太网接口.单片机与嵌入式系统应用，2009，（12）：38—40
[10] 谢希仁. 计算机网络. 北京：电子工业出版社，2009