用uIP堆棧實現MAXQ微控制器聯網

摘要：本應用筆記描述了如何用uIP TCP/IP網絡協議棧實現MAXQ®微控制器聯網。本設計中采用通用的SPI™至以太網轉換IC作為MAC/PHY。MAXQ2000作為微控制器示例。

引言

系統遠程監測和控制或許是微控制器應用最重要的功能之一。想象一下：一個巨大的高爾夫球場的草坪灑水系統，最好能夠向主機自動報告故障狀況。這樣的系統幾乎無需人工監測其是否正常工作。

RS-232串口或紅外等多種通信方式可用來實現系統遠程器件的控制和監測。然而，所有這些方法都受限于具體的接口標準，其中包括：是否與傳輸媒介和協議兼容、距離限制等。

以太網網絡協議(IP)

網絡協議提供了一個應對上述挑戰的解決方案，所有現代操作系統都帶有IP棧。而IP可在各種傳輸媒介上運行，到目前為止，以太網的應用最普遍。此外，以太網得益于交換和路由網絡拓撲結構，因此不受距離限制。

借助于先進的MAC/PHY集成電路與板載緩沖器，可以用微控制器和以太網IP實現控制，并且幾乎可以從所有遠程系統采集數據。本文演示了如何利用免費的uIP堆棧和SPI至以太網轉換IC實現MAXQ2000微控制器聯網。

uIP介紹

uIP (讀作"micro IP")提供了一個最小規模的IP堆棧，其中包括TCP、UDP和ICMP協議。uIP由Adam Dunkels開發，采用BSD方式授權。完整的源代碼可從http://www.sics.se/~adam/uip/index.php/Main_Page下載。

當然，對于大多數應用，沒有必要完全運行TCP/IP，過于浪費。uIP具有一整套功能，符合全功能主機的最低需求，并且可以避免其它簡單IP堆棧存在的"特殊情況"。

編譯環境

Rowley CrossWorks 1.1 build 1 C編譯器用于編譯、匯編和鏈接項目。為方便調試，所有代碼優化功能均被禁用。最終代碼僅占用MAXQ2000程序閃存存儲器的一小部分。

MAXQ2000有2kB的數據存儲器。使用這種數據存儲器時必須謹慎，因為緩沖器必須用來處理IP數據包的內容。為了最大限度地利用數據存儲器，所有常數都存儲在代碼空間內，并根據需要復制到一個固定大小的RMA緩存區。

uIP堆棧的使用

uIP堆棧可以看成一個事件循環，超時基于結構時鐘設定。在主循環中，MAC/PHY接收到的數據包由uip_arp_ipin()和uip_input()處理。這些調用會產生一個輸出數據包，必須由MAC/PHY驅動程序傳輸。

然后檢查計時器，清理已關閉連接及一段時間未出現的ARP表項，并調用應用程序回調函數以進行重發。主要事件循環為樣板代碼，大多數應用中無需改變。

注意：uIP實現了非常小的TCP窗口尺寸，這一點非常重要，只能有一個重要的(un-ACKed)數據包等候處理，有時可能需要重發。

實際應用處理由函數UIP_APPCALL完成。調用時，應用程序回調功能會檢查幾個功能并返回uIP當前狀態。其中最重要的狀態是：uip_connected()、uip_closed()、uip_aborted()、uip_timedout()、uip_newdata()和and uip_rexmit()。前四個函數管理輸入連接的打開和關閉；后兩個函數管理數據的輸入和輸出。

當新數據到達套接字等待應用程序處理時，uip_newdata()將返回一個非零的結果。然后應用程序進行數據處理，這些數據保存在uip_appdata指向的緩沖區中，也可以返回響應。所有數據，包括以太網鏈路層和IP頭儲存在uip_appdata。

如果網絡丟掉返回至peer的數據的任何部分，應用將通過計時器超時調用應用程序回調功能并且uip_rexmit()返回一個非零的結果。

在這個點上uIP與其他IP堆棧不同。通常情況下，TCP數據包的轉發由IP協議棧處理。當uip_rexmit()標記出現時uIP需要應用程序轉發丟失的數據，可以節省存儲空間。轉發可以通過重新生成數據來實現，或將先前產生的數據保存在緩沖區以供轉發。

MAC/PHY驅動器

發送和接收以太網IP數據包時，必須向uIP提供MAC/PHY驅動程序代碼。API相當簡單：驅動器必須發出信號表明輸入以太網的幀準備就緒等待處理; 在線接收和傳送數據包時必須調用函數。這些調用由macphy.c實現，從主事件循環調用。

本文中我們選擇了Microchip ENC28J60 SPI-Ethernet芯片。該集成MAC/PHY通過SPI和8kB的數據緩沖存儲器訪問。圖1為MAXQ2000和ENC28J60的連接電路。


圖1. MAXQ2000微控制器和SPI至以太網轉換之間的電路連接原理圖

實施uIP堆棧時，假設整個IP數據報駐留在存儲器中。MAXQ2000有2kB的數據RAM，可能會用于其他任務，所以從以太網復制多達1500字節MTU數據包是不明智的。相反，可以用最大段長度的TCP特性來規定不接受超過500字節的字段，包括以太網鏈路層和IP頭。段的大小對于大多數應用來說可以滿足大吞吐量的要求。此外，規定MAC/PHY放棄超過500字節的數據包。

項目示例源代碼包括位于文件macphy.c中的MAC/PHY驅動程序代碼，相關文件包括macphy.h和macphy_priv.h。

示例應用

本文的示例應用程序在TCP端口23實現了改進的回波服務器偵聽。首先，啟動MAXQ2000的實時時鐘(RTC)作為事件定時。然后，初始化SPI硬件并加載MAC/PHY默認設置。

然后應用程序從PCB上的1-Wire® DS2502-E48檢索一個唯一的以太網硬件地址。必須將該硬件地址告知MAC/PHY驅動器和uIP堆棧。執行兩次調用即macphy_init()和uip_setethaddr()來設置這方面的信息。

調用uip_init()進行uIP堆棧初始化，同時設置在編譯默認IP地址、網絡掩碼、網關設置。

當輸入連接完成后，向peer打印問候語。客戶端發送的文字以"回聲"的形式被送回，除了那些已經逐字母轉換過的字。

單片機系統具有充足的資源執行系統的主要功能。例如，在高爾夫球場灑水系統中，可以用中斷系統提供的實時時鐘在適當的時間打開和關閉噴灑閥門。

由于TCP/IP可以無縫處理超時和轉發，因此網絡接口無實時限制。因超時而導致連接被刪除之前，TCP連接通常會花費數分鐘至數小時，因此，微控制器代碼可以管理網絡連接將其作為后臺任務。

結論

用免費uIP堆棧很容易實現MAXQ2000聯網。uIP本身的事件驅動性質使其適合單片機系統的遠程監控和控制。

本應用筆記描述了一個簡單的應用程序執行過程，該程序可以擴展以創建更復雜的系統。示例應用程序的源代碼包括MAC/PHY驅動程序，可點擊下載(ZIP, 112 kB)。

1-Wire是Maxim Integrated Products, Inc.的注冊商標。
MAXQ是Maxim Integrated Products, Inc.的注冊商標。
SPI是Motorola, Inc.的商標。