隨著嵌入式設備與網絡的日益結合，在單片機系統中引入TCP／IP協議棧，以支持單片機接入網絡，成為嵌入式領域的一個重要方向。在此對基于SST89E516RD單片機的TCP／IP協議棧的實現方法給予討論。選用SST89E516RD單片機實現了在線仿真和編程的功能，大大節約了開發成本。采用VB 6．0語言與Window 98／2000／XP等為軟件開發平臺，對系統進行了測試。經過幾個月的軟硬件測試表明：系統設計合理、穩定可靠，已基本實現了最初的設計目標。對其他類似系統移植該項技術奠定了基礎，有很好的參考價值。

1 系統硬件實現

整個系統以SST89E516RD單片機為核心，通過RTL8019AS以太網控制芯片實現遠程通信。串口完成網卡參數的修改、在線仿真，在系統中還使用X5045作為外部擴展的E2PROM，用來存儲IP地址、物理地址以及網卡的其他配置信息，同時X5045還具有電壓監控、看門狗定時器、上電復位三種功能，使用X5045監控系統的運行過程，當系統不穩定時可以進行有效地復位。圖1為系統硬件結構圖。

2 系統軟件實現

系統軟件主要包括客戶端和服務器端軟件的設計，主要有以下幾部分內容：

（1）RTL8019AS的初始化和驅動程序的設計；

（2）數據幀的發送和接收子程序；

（3）TCP／IP協議棧程序的設計；

（4）客戶端和服務器端程序的設計；

（5）X5045看門狗和E2PROM程序的設計。

系統的主程序流程圖如圖2所示。

由圖2可知，系統首先完成對單片機定時器、串口、網卡芯片和以太網等部分的初始化，然后進入以太網處理部分的主程序，通過定時器中斷進行網口數據的超時出錯處理，并完成TCP定時器保活和ARP表生存時間的更新。

2．1 系統初始化

所謂初始化和驅動程序是指實模式下一組硬件芯片的驅動子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細節，同時向上層軟件提供與硬件無關的接口。主要包括定時器初始化，初始化PING表、ARP表，初始化TCP，RTL8019AS的初始化等。RTL8019AS的初始化主要包括網卡的復位和網卡寄存器的初始化。RTL8019AS的初始化主要包括網卡的復位和網卡寄存器的初始化。RTL8019AS內部寄存器有4頁，與NE2000兼容的有3頁，第4頁不用。頁選擇由CR寄存器的PSl，PS0位確定。在零頁寄存器中可以設置接收、發送狀態配置以及發送緩存區的起始頁與接收緩存區起止頁地址等；在1頁寄存器中可以設置以太網接口的MAC地址和組播地址。對網卡的初始化就是對相關寄存器初始化，這些寄存器包括CR，RCR，TC-R，PSTART，PSTOP，BNRY，TPSR，ISR，DCR，IMR，CURR，PAGO～PAG5，MAR0～MAR5等。初始化過程如下：

（1）CR=0x21，選擇頁零的寄存器同時使芯片處于停止模式，不會發送和接收數據包；

（2）RCR=OxE0，設置接收結構寄存器，monitor方式，所有數據包都被拒絕；

（3）TCR=OxE2，設置發送配置寄存器，工作在內部lookback模式；

（4）PSTART=0x4C，接收緩沖區開始頁面地址；

（5）PSTOP=0x80，接收緩沖區中止頁面地址；

（6）BNRY=0x4C，接收緩沖區最后頁面指針；

（7）TPSR=0x40，發送頁的起始頁地址，初始化為指向第一個發送緩沖區的頁即0x40；

（8）ISR=0xFF，清除所有中斷標志；

（9）DCR=OxC8，設置數據配置寄存器，使用FIFO緩存，普通模式，8位數據DMA；

（10）IMR=Ox00，設置中斷屏蔽寄存器；屏蔽所有中斷；

（11）CR=Ox61，選擇頁一的寄存器；

（12）CURR=Ox4D，網卡寫內存的指針，指向當前正在寫的頁的下一頁，初始化時指和0x4C+1=0x4D；

（13）設置多址寄存器MAR0～MAR5，均設置為Ox00；

（14）CR=0x22，使網卡芯片開始工作；

（15）設置網卡地址寄存器PAR0～PAR5；

（16）CR=Ox21，選擇頁零的寄存器；

（17）RCR=OxCC，設置接收結構寄存器，設置為使用接收緩沖區，跟外部網絡連接；

（18）TCR=0xE0，設置發送配置寄存器，啟用CRC自動生成和自動校驗，工作在正常模式；

（19）CR=0x22，使網卡芯片開始工作；

（20）ISR=0xFF，清除所有中斷標志；

2．2 TCP／IP協議棧的移植

以太網幀的發送與接收屬于協議層中的最底層。發送前的協議封裝和接收時的協議分解都非常簡單。封裝時，只需在上層封裝數據前面添加14 B的以太網首部就可以了；接收到數據幀之后，根據頭信息中的幀類型字段判斷是否屬于IP包或ARP包，若是就繼續相應的協議分解，否則將被丟棄，不予處理。幀的接收工作由網卡自動完成，只需對相關的寄存器如PSTART，P8TOP，CURR和BNRY進行適當的初始化即可。以太網幀的發送過程如下：

（1）初始化命令寄存器CR，啟動RTL8019AS；

（2）設置數據配置寄存器DCR，以字節方式通信；

（3）設置發送配置寄存器TCR，選擇RTL8019AS數據發送的工作方式；

（4）設置遠程開始地址寄存器RSAR0（低位），RSARl（高位），指明遠程DMA操作時所傳送數據的起始地址；

（5）設置遠程字節計數寄存器RBCR0（低位），RBCRl（高位），指明遠程DMA操作時所傳送的數據的字節數；

（6）設置命令寄存器CR，開始遠程DMA寫操作。RTL8019AS自動將數據I／O端口的數據寫入其緩沖區中；

（7）開始向數據I／O端口傳送需要發送的數據；

（8）數據傳送完畢后，設置發送頁起始地址寄存器TBCR，指明待發送數據的起始地址；

（9）設置發送字節計數寄存器TBCR0（低位），TBCRl（高位），指明待發送數據的字節數；

（10）設置命令寄存器CR，啟動本地DMA操作。把緩沖區中的數據發送到網絡上；

（11）結束。

需要指出的是，數據在發送前必須先由上到下進行層層封裝才能正確地發送出去，同時，接收到的數據包還必須自下而上層層解包才能為用戶所識別，即協議分解。在協議編程實現中，數據封裝與協議分解互為逆過程。這就是說，必須在數據采集子系統中實現嵌入式TCP／IP協議才能完成數據的TCP／IP處理。

2．3 客戶端和服務器端程序的設計

分別設計客戶端和服務器端程序。適應于不同的工作場合。在面向連接的TCP協議中，服務器和客戶機開始通信之前必須首先建立連接。在連接之前，服務器程序必須正在運行并處于監聽模式，等待客戶端的連接。TCP的連接是通過3次握手協議來完成的。首先，客戶端發送1個SYN標志位的TCP段給服務器，其帶有所選擇段的初始序號。服務器端收到該報文段后，以1個帶有SYN標志的段作為應答，其中也給出根據本身情況選擇的初始序號，并包含對客戶端的確認。

而客戶端收到服務器端的應答后，再次送回1個報文段，其中帶有對服務器端SYN的確認。這樣雙方的連接就建立了，以后就能開始傳送數據。同樣終止1條TCP連接實際上也需3次握手過程。

3 應用系統實現

為了驗證系統的可行性，應用VB開發了接口程序，構建了軟硬件測試平臺，用來設置網卡的配置參數并實現數據的發送與接收。所有配置參數包括（本地IP地址、服務器端IP地址、端口號、網卡物理地址、ping的IP地址、串口號等）都能通過串口動態地更改。系統能實現Ping的功能，以方便檢查以太網的狀態。

3．1 參數設置界面

用串口線將測試板（數據采集和控制系統模塊，下同）與計算機連接起來，選擇好串口號，然后按“連接單片機”按鈕，連接狀態工具欄里出現“已經連接”，說明測試板與計算機已經連接上，然后就可以修改配置參數了。在參數設置欄中填寫正確的參數值后，按“設定”按鈕，接收狀態欄中會提示參數設置成功，然后按測試板上的復位鍵，網卡的參數配置就被寫到了X5045中。參數設置界面如圖3所示。

3．2 數據收發測試界面

分別測試客戶端和服務器端軟件通信是否正常。

（1）服務器端程序的測試

打開客戶端測試界面，如圖4所示，設置連接IP地址為192．168．O．44（該地址必須與服務器端的IP地址一致），設置連接端口號為3330（該端口號必須與服務器端端口號一致）。將作為服務器端的程序燒入到測試板的微處理器中，通過圖3修改配置界面，將服務器端需要的參數寫入X5045，參數配置包括；“單片機IP地址”（指的是測試板自身的IP地址）為192．168．O．44，“服務器端IP地址”可以不用設置（因為測試板本身就即服務器端）；如果是新網卡芯片，還需要設置MAC地址，這里設為121314151617（一般選擇任意的12位數即可）；“服務器端口號”設為3330（必須與客戶端一致）；網關設為192．168．O．1（要與上位機保持在同一個網段內）。設置好所有參數后，可以進行數據的收發了。

（2）客戶端程序的測試

打開服務器端測試界面，如圖5所示。

設置連接IP地址為192．168．0．44（該地址指的是上位機自身的IP，必須與客戶端設置的“服務器端IP地址”一致），設置連接端口號為3330（該端口號須與客戶端設置的“服務器端口號”一致）。將作為客戶端的程序燒人到系統的微處理器中，參數配置：“服務器IP地址”（指的是上位機的IP地址）為192．168．0．44，“單片機IP地址”可以不用設置（因為系統僅作為客戶端），“服務器端口號”設為3330（必須與客戶端一致），網關設為192．168．0．1（要與上位機保持在同一個網段內）。設置好所有參數之后，即可進行數據收發。服務器端的數據可以被發送到串口，同樣，數據也可以從串口發送到服務器端。測試表明：上位機通過以太網與系統之間的通信正常。

4 結語

在此實現了TCP／IP協議棧在單片機上的移植，完成了系統的硬件電路和相關嵌入式軟件的設計，應用VB開發了上位機修改參數界面，通過串口完成對網卡等參數的配置和修改，解決了數據包的超時重發、定時保活、參數配置、硬件看門狗復位等一系列問題。實驗表明，整套程序比較穩定，收發數據正常，TCP超時重傳效果很好。經過近1個月的測試，沒有出現任何丟包和堵塞的現象。