单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计及其实现路径

李 海

（苏州经贸职业技术学院,江苏苏州,215009）

单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计及其实现路径

李 海

（苏州经贸职业技术学院,江苏苏州,215009）

信息技术的快速发展，为嵌入式网络实际应用范围的扩大带来了重要的保障作用。因此，本文通过对硬件平台的设计分析，对获取的可靠的单片机嵌入式TCP/IP协议栈及其实现路径，为实际问题的有效处理带来了必要的参考信息。这种系统运行中最大的特点是工作效率高、运行成本低，具有一定的市场应用前景。

单片机；嵌入式网络；TCP/IP；协议栈；路径

计算机网络服务功能的不断完善，对嵌入式系统工作过程中的性能可靠性提出了更高的要求，需要技术人员采取有效的设计方法，制定出可靠的嵌入式系统接入方式，增强实际问题的处理效果。实现这样的发展目标，应选择TCP/IP协议加处理机的方式，完善嵌入式系统运行时的服务功能。结合现阶段嵌入式系统运行的实际发展现状可知，选择可靠的接入方式有利于减少开发成本，优化其中的电路设计。文中通过对单片机嵌入式TCP/IP协议栈的有效设计及路径实现的深入分析，为嵌入式系统的正常运行提供了可靠的保障，促使系统能够处于稳定的工作状态。

1 单片机的嵌入式TCP/IP协议栈的硬件设计

1.1 选择性能可靠的芯片

为了使单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计能够达到预期的效果，需要加强其中的硬件设计，增强不同硬件结构的组成合理性。硬件设计中主要是由可靠的控制芯片、处理机及RJ45组成的。这些不同结构组成部分实际作用的充分发挥，有利于完善嵌入式系统的服务功能。

作为硬件设计中的重要组成部分，处理机选择过程中应采用Atmegal16单片机。这种单片机实际应用中具体适用范围广、抗干扰性能优越的特点，可以满足单片机的嵌入式TCP/IP协议栈硬件设计的实际需求。当Atmegal16用作控制器件时，其主要的特点体现在这些方面：（1）具有同步读写的功能，适用于16k字节的系统；（2）有着丰富的I/O接口，包含了一定数量的寄存器；（3）为了满足芯片调试及编程的需求，可以使用边界扫描过程中的JTAG接口，间接地优化了芯片的服务功能；（4）硬件设计中所需的看门狗定时器，可以用芯片内的振荡器取代。

1.2 不同硬件结构的相互连接

在可靠的总线模式作业下，可以用地址复用与非复用的方式优化硬件结构设计。其中，由于硬件设计中主要涉及的是CP2200芯片，因此，硬件结构连接中需要将这种芯片的MOTEN引脚按照合理的方式接地，为整个硬件结构的正常工作提供可靠地保障。在Intel总线支持下CP2200芯片处于正常的工作状态时，应采用地址/数据非复用的工作方式，主要在于这种工作方式能够保证所有数据高效地传输，提高系统资源的利用效率。硬件结构连接中某些引脚选用跳线的连接方式时，应注重其中的MUXEN引脚的设计合理性，促使系统能够在地址/数据复用方式的支持下对I/O接口进行有效地利用。

Atmega16的PD1口与CP2200的片选信号引脚相连,实现片选功能;PD2口与CP2200中断信号引脚相连,用于读取硬件中断信号。Atmega16的PA0-PA7口分别与CP2200的D0-D7口相连,作为数据线；Atmega16的PB0-PB7口分别与CP2200的A0-A7相连,作为地址线。Atmega16的PD4、PD3口分别与CP2200的/RD、/WR引脚相连,实现读/写选通控制。CP2200通过与RJ45相连实现以太网接入。

1.3 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器实质上是单片机，主要的作用在于将整个计算机系统的信息按照合理的方式集中在一块智能化芯片上，为各种复杂问题的有效处理带来了重要的保障作用。单片机在实际的应用中有着很多的衍生产品，主要是为了满足不同的应用需求。不同的单片机使用中在存储器及外设的配置方面有着很大的区别，一定程度上保证了产品与实际应用需求的匹配效果，促使整个单片机的使用成本可以控制在合理的范围内。结合单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计的具体要求，选择可靠的微控制器，相比嵌入式微处理器有着很多的优势，具体体现在：（1）实现了控制器的单片化；（2）减少了使用中的占地面积，其体积相对较小；（3）在降低开发成本的同时增强了单片机的可靠性。现阶段微控制器广泛应用于嵌入式系统工业生产中，在优化控制系统服务功能方面取得了重要的保障作用。根据单片机的嵌入式TCP/IP协议栈及各种数据转发的要求，选择低能耗、高性能的AT89C52微控制器，可以满足系统设计的多样化需求。

2 单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计的相关协议

2.1 地址解析协议ARP

在单片机的嵌入式TCP/IP协议栈设计方案确定的过程中，由于IP地址无法满足通信的具体要求，而网络层中的各种数据在传送的过程中不仅需要通过主机，也需要经过数据链路层进行必要地转变，最终传送给计算机网络，因此，在数据链路层上传送数据的过程中也需要合理运用硬件地址。

结合单片机的嵌入式系统运行的特点，可知系统在工作的过程中是被动连接的。但是，当远程监控系统运行时，主要采用的是主动连接的方式。因此，需要在嵌入式系统的网络接口控制器处做出必要的声明，确保不同信息的正常传递。声明中由于涉及了ARP请求，因此，必须对ARP协议有着必要地了解。在该系统涉及的过程中，ARP协议的主要功能是：（1）当系统处于初始化的工作模式时，结合自身的需求发送ARP请求；（2）通过对ARP请求内容的分析进行必要地处理，不符合实际要求的ARP请求包应及时地舍弃；（3）对IP地址以外的地址进行解析。

2.2 IP协议

结合TCP/IP参考模型的特点，可知IP协议主要存在于该模型的网络层。在IP协议的支持下，数据包可以按照合理的方式在不同的主机上进行实时地传递。这种协议使用中的主要功能为：（1）不需要连接，传递服务的可靠性一般；（2）能够对不同的数据包进行分段与重组；（3）具有路由器的相关功能。

2.3 用户数据报协议UDP

通过对TCP/IP协议的深入分析，可知这种协议使用中包含了两个传输层协议：TCP/IP协议与UDP协议，前者是传输控制协议，后者是用户数据报协议。

UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP 数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。对于本系统而言，传输数据量不大的二进制状态信息，UDP协议已经足够，但UDP的实现要比TCP简单的多。相比之下，选择 UDP 协议对于本次设计更为合理，与此同时，通过对远程监控计算机的合理编程，也可以增加通信的可靠性。

3 单片机的嵌入式TCP/IP协议栈的实现路径

在单片机的嵌入式TCP/IP协议栈实现的过程中，需要确定具体的TCP/IP协议栈方案。优化这种协议栈方案，需要对单片机及嵌入式系统的功能有着必要地了解。对于单片机，其代码空间有限，工作过程中对于完整性协议的要求不高，只需要对单片机中的部分结构设置相关的协议。常用的TCP/UDP、IP、ARP等协议在单片机工作过程中应用较多。同时，为了保证数据的正常采集及传输，需要对TCP/IP协议进行更多地了解。

在本系统设计与实现的过程中，主要是通过多媒体中央控制系统完成相关的操作。这种系统工作时的主要特征是：按照合理的方式将系统的不同结构进行有效地连接，并通过接收远程监控系统各种命令的作用，对投影机、电动窗帘等进行实时地控制，促使这些设备能够处于正常的工作状态。与此同时，该系统运行中涉及的ARP协议、IP协议、UDP协议等，可以为TCP/IP协议栈完成相关的操作提供可靠地保障。在对系统中传输层协议选择的过程中，由于TCP协议使用中可能会增加系统负担，因此，在数据量相对较小的嵌入式系统中应放弃面向连接的TCP。

单片机的嵌入式TCP/IP协议栈实现的过程中体系结构的主要内容包括：（1）在数据链路层上引入以太网协议；（2）在网络层上引入ARP协议、IP协议及ARP协议；（3）将UDP协议置于传输层上；（4）应用程序加载于应用层。当单片机的嵌入式TCP/ IP协议栈体系结构设置完成后，为了对整个设计流程的合理性进行综合评估，可以通过远程控制系统进行必要地测试。测试的内容主要包括：（1）结合远程控制系统实时控制的要求，选择可靠的UDP协议；（2）为了保证系统的通信质量，不宜采用TCP协议；（3）系统运行中通信质量要求较高时，应充分发挥应用层上应用程序的实际作用；（4）将以太网与远程控制系统按照合理的方式进行有效结合，并在可靠的控制芯片作用下利用LED灯进行实时的远程控制。

4 结束语

加强对单片机嵌入式TCP/IP协议栈设计及其实现路径的深入分析，有利于减少系统的开发成本，优化嵌入式系统的服务功能，一定程度上扩大了系统的实际应用范围。在具体的设计过程中，应加强对TCP/IP协议栈的全面认识，灵活运用不同的设计方法对嵌入式TCP/IP协议栈进行合理地设计，并结合单片机的功能特性，对设计过程中存在的细节问题进行实时处理，找出这种协议栈实现的相关路径，促使嵌入式系统实际应用中能够满足相关生产活动的多样化需求。文中从不同的方面对单片机TCP/IP协议栈设计及其实现路径进行了系统地阐述，客观说明了做好这项研究工作对于嵌入式系统正常使用的重要性。

[1]王芳,周优霞.嵌入式TCP/IP协议栈在单片机上的实现[J].现代电子技术,2010,(10).

[2]黄振宇.嵌入式TCP/IP在单片机与PC机通信中的应用[J].河南科技学院学报(自然科学版),2011,(05).

李海（1979.02-），男，汉，本科，实验师，研究方向为应用电子技术。

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