八位单片机以太网接入研究与实现.docx

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1、第1章绪论1.1 嵌入式设备Internet接入的需求单片机或微处理器(MCU)己经在家庭和工业的各个领域得到了广泛的应用，以MCU为核心，与一些监测、伺服、指示设备协作实现肯定的功能,通称为嵌入式系统。但大多数嵌入式系统还处单独应用的阶段。在一些工业的应用中，为了实现多个MCU之间的信息沟通，利用CAN、RS-232、RS-485等总线将MCU组网，但是这种网络的有效半径比较有限，关的协议也比较少，并且一般是孤立于Internet以外的,这难以满意困难、远程(异地)和较大范围的测控任务的需求。近十多年以来，以Interne1.为代表的网络技术的出现以与它与其它相关技术的相互结合，不仅己起先将

2、智能互联网产品带入现代生活，而且也为远程测控技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测控技术以与具备网络功能的各种新型仪器便应运而生。当前，Internet已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道，假如能够将嵌入式系统连接到Internet上面，则可以便利低廉地将信息传送到世界的任何一个角落。传统的Internet应用以PC为中心，当代的Internet应用将转向以嵌入式设备为中心。A1.(InterneIAPPHanCe)概念的流行表明Interne3应用己经进入嵌入式，Internet,时代。据网络专家的预料，将来在InterneI上传输的信息中，将有70%的信息来白广小型

3、嵌入式系统。可以预言，嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的其正将来。1.2 嵌入式设备internet接入的现有方案机自身有限的资源对信息进行TCP/PI协议处理，使之可以在Internet上传输IP数据包。从解决这一技术问题动身，目前出现了几种方案：1.PCGa1.eway+专用网：采纳专用网络（如RS232,RS485,CANBUS等）把小批单片机连接在起，然后再将该专用网络连接到个PC上，该PC作为网关将专用网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，然后发到Internet上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机，因为把困难的TCP/IP协议通过PC机来实现，因

4、此对MCU的要求比较低。但存在如下缺点：a须要依匏PC机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的状况卜.，专用网络布线极为不便。b.须要在PC机上安装特地的协议转换软件，该软件通常由特地的第三方软件商供应，费用较高。2. 32位MCU十RTOS:采纳32位的高档的片机，在TRoS（实时多任务操作系统）的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。由于采纳高档单片机，该方案可以完成很多困难的功能。但这种方案存在如下缺点：a.高档单片机价格较优，开发周期较长。b须要购买昂贵的RTOS开发软件，对开发人员的开发实力要求较高。3. TCP/IP专用芯片：由于近年来Internet与

5、通讯产业的迅猛发展，半导体造商都试图将通讯协议、Internet协议、IP与很多外设集成在个SOC(Syste111OnChiP)内。应当说这种方法是最干脆也是最便利的上网方法，是目前国际上探讨的热点，也是将来家电等嵌入式设备上网的个市要方向。但是这种方法在实现过程中存在着很多问题，无法对系统进行敏捷配置，依据应用的须要对系统进行裁减，并且因为芯片的加入而增加系统的成本。为解决上述向题，可以利用软件来完成协议的处理功能。当然，利用软件来现硬件功能须要解决处理速度问题。同时，由于单片机采纳软件来实现各种协议处理，便于将来在不变更硬件的状况卜，只需变更内置程序即可升级整个嵌入式系统的功能，这在当今

6、各种协议层出不穷、频繁升级的状况卜，SCEN1.X提出的SoftwareinSi1.icon,的概念具有无比重大的意义。1. 3嵌入式设备的Internet接入底层硬件擀议要实现小型嵌入式设备的internet接入，TCP/PI首先要解决的是底层顽件问题，即协议的物理层。E1.hemeI具有成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工具和八位单片机以太网接入探讨与实现韩东起技术支持，当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网限制网络技术以其明显的优势得到了迅猛的发展，并渐渐形成了现场总线的新标准-Ethernet。考虑到国内局域网大部分是以太网，随着交换式网络、宽带网络的发展，基于以太网的嵌入式设备Int

7、ernet接入应用有着现实意义。1.4本课题探讨的内容从上面的分析可看出，如何在单片机上实现TCP/IP协议站是小型嵌入式设intemet接入问题的根源。目前，8位单片机干脆上网存在的问题是：1.小型嵌入式设备中的微限制器一般都是简洁的限制器，它们的运算速度和系统资源有限。2. TCP/IP协议在实时性方面不能满意战入式应用的实时要求。因此，目前型嵌入式设备干脆Internet接入在软件上需解决的关键技术是TCP/IP协议的简化和实时性改进。木文探讨在小型嵌入式设备中实现网络通信的技术难点，对实现嵌入式环境卜的网络通信的TCP/IP协议族作了阐述分析，在此基础上，设计了一个简洁的网络集片机数据

8、通信系统，它利用51MCU,以太网络接口芯片、相关外围接口电路实现系统的硬件架构；软件上，依据8位单片机本身资源（ROM、RAM和外围接口）有限的特点，精简了TCP/PI协议族，使之能运行在8位单片机，完成客户方的链接恳求，实现远程数据采集、传输和限制。1.5 本论文的主要内容第一章：，简要的介绍r本课题探讨的价值和探讨的主要内容。其次章，主要探讨了TCP/IP网络体系结构和嵌入式设笛接入Internet的特点。第三章，对TCP/IP协议作了具体分析，从单片机TCP/IP构架入手,具体介绍J网际协议PI、用户数据报协议UDP.internet限制报文协议CIMP.地址解析协议ARP的协议功能和

9、报文格式。第四章，著重介绍r木系统的硬件构成和各组成元件的特性和功能.并以此出了单片机和以太网限制芯片W1.gOOO的接口方案。第五章，为本系统的软件实现部分。本章提出了系统的总体程序设计思想，具体介绍r各功能模块的软件设计方法，包括DM9000驱动程序设计、ARP模块设计、IP模块设计、IcMP模块设计、UDP模块设计和上位机程序设计。第六章，对本文的主要内容进行总结，并提出了本系统卜步的改进方法。1.6 本章小结本章从嵌入式设备internet接入的需求入手，探讨了嵌入式设备Internet接入现有方案的不足，以此提出了其解决方案，并介绍了本文所做的主要探讨工作。第2章嵌入式设备inter

10、net接入实现的特点2.1TCP/PI网络体系结构2.1.1150/051网络体系结构在网络发展的早期，由于不同计算机和网络厂商设计r各自的网络体系结构，造成不同网络设备难以互连互通，互连网络的性能难以保证，而且建网贽用很高。广阔用户剧烈要求便宜、敏捷、便利的联网方案。面对这种需求，国际标准化组织(150)于1983年提出了开放系统互连(051)网络体系结构框架,即150/051参考模型，如图2.1所示刖。150/051开放网络体系结构的理论指导作用大于实际应用。目前广泛应用的网络体系结构是TCp/PI,但150/051开放网络体系结构为人们描述指导进行网络互连的志向框架和蓝图，有待人们去探究

11、和实现。其具体的特点如卜。(I)描述了实现异构系统互连的分层结构。(2)供应了限制互连系统交互规则的标准框架。(3)定义/一种抽象结构，而非具体实现的描述。(4)规定了同等层实体(指能发送和接收信息的软件和设备，如终端、程序、数据库系统、电子邮件系统等)之间的通信由该层的协议进行管理和实现。(5)规定每层只完成所定义的功能，修改本层的功能对其他层没有影响。(6)定义r相邻层之间的接口。(7)规定干脆的数据传输在最底层(物理层)实现。(8)通信网只涉与第一层到第三层，例如路由器涉与网络层、网桥涉与数据链路层、中继器涉与物理层，网关则涉与到第四到第六层，屈于高级协议转换设备。IS0/0SI网络体系

12、结构具有开放性，所谓“开放性”指任何遵守该参考模型和有关标准的系统之间都能进行互连。IS0/0SI参考模型只定义了各层的功能，并未定义每层的具体实现协议，其协议由其他标准来定义，这充分体现了该模型的敏捷性和远见卓识。IS0/0SI分层模块化/结构化的网络设计思想，完整而清楚明白，对计算机网络和其他网络的发展具有非常重要的指导意义.TCP/IP网络体系结构OSI模型是一种通用的、标准的、理论模型，今日市场上没有一个流行的网络协议完全遵守OS1.模型，TCP/PI也不例外，TCP/IP协议族有自己的模型,被称为TCP/IP协议栈,又称DOD模型（DePar1.n1.entOfdefenSe）,叫如

13、图2.2所示R1.应用层应用层主要向用户供应组常用的应用程序，比如文件传输访问，电子邮件等。严格说起来，TCP/IP网间网协议只包含下三层（不含硬件），应用程序不能算TCP/IP协议的部分。就是上面提到的常用应用程序，TCP/IP制定了相应的协议标准，所以也把它们作为TCP/IP的内容。事实上，用户完全可以在网间网上（即传输层上）建立自己的专用应用程序，这些专用应用程序用到TCP/IP,但不属于TCP/IP。2 .传输层传输层供应应用程序之间的（即端到端）的通信，功能包括：格式化信息流，供应牢靠传输，接收端肯定要进行接收确认，否则要进行重传。传输层还要解决不同应用程序的识别问题，因为常常有多个

14、程序同时访问网间网。为区分各应用程序，传输层在每一分组中增加识别信源、信宿应用程序的信息.另外传输层每一个分组均附带校验和，接收机以此校验收到分组的正确性。3 .网际层（IP）网际层负责相邻计算机之间的通信，其功能包括三方面:一、处理来自传输层的分组发送恳求，收到恳求后，将分组装入P1.数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。二、处理输入数据报。首先检查其合法性，然后进行寻径，假如该数据报己到达信宿地，则去掉报头，将剩下的部分（传输层分组）交给适当的传输协议：假如数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。三、处理CIMP报文，处理路径、流限制、拥塞等问题。4 .网络接

15、口层网络接口层是TCP/IP协议的最底层，负责接收P1.数据报，并通过网络发送之，或从网络上接收数据帧，抽出P1.数据报，交给PI层。网络接口层定义了Internet与各种物理网络之间的网络接口。网络接口有两种类型，第种是设备驱动程序（如局域网的网络接口），其次种是含有自身数据链路协议的困难子系统。2.2总线式以太网与802.3标准2.21总线式以太网技术以太网是基于总线型的广播式网络，在已有的局域网标准中，它是最胜利的局域网技术，也是当前应用最广泛的一种局域网。它是XeroX公司的PARC在20世纪70年头早期开发的。以太网传输介质从同轴电缆（粗缆与细缆）、双绞线到光纤，现在常用的双绞线以太

16、网工作在10Mbps、IOQMbPs、100OMbPS,它用8根线（4对双线线）把每台以太网设备连到个以太网集线器(hub)或交换机上，集线器是一个电子设备，它模拟以太网电缆上的信号，集线假和以太网设备之间的连接长度须小于100米川。现在的以太网已发展到了吉比特以太网，速度越来越快，但从技术上讲，以太网是基于CSMCD(CarriersenseMu1.tip1.eAccesswithco1.1.isionDeteCt)机制的，CSWCD是具有冲突检测(CD)功能的载波监听多路访问(CSMA)介质访问限制方法，它被广泛地应用于局域网的MAC子层，是EIE1.-SO.23的核心协议，也是闻名的以太网所采纳的协议。CSMA/CD主要是为解决如何争用个广播型的共享传输