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嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的
摘要：介绍了嵌入式TCP/IP协议单片机在网络通信中的数据传输技术。将TCP/IP协议嵌入到单片机中，借助网卡芯片CS8900实现了单片机在局域网内和通过局域网在因特网上的数据传输。用户终端以单片机系统板为媒介，通过网络与远程数据终端实现数据通信。
关键词：TCP/IP协议 单片机 因特网 局域网 网卡芯片
在因特网上TCP/IP协议每时每刻保证了数据的准确传输。在数据采集领域，如何利用TCP/IP协议在网络中进行数据传输成为一个炙手可热的话题。在本系统中，笔者利用TCP/IP协议中的UDP(用户数据报协议)、IP(网络报文协议)、ARP(地址解析协议)及简单的应用层协议成功地实现了单片机的网络互连既提高了数据传输的速度，又保证了数据传输的正确性，同时也扩展了数据传输的有效半径。
1 TCP/IP协议简介
TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。参考开放系统互连(OSI)模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链路层。
(1)应用层
网络应用层要有一个定义清晰的会话过程如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。在本系统中,单片机系统传递来自ETHERNET和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理。
(2)传输层
传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。在本系统中使用UDP数据报协议。
(3)网络层
网络层让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上,IP协议就是该层中传送数据的机制。同时为建立网络间的互连,应提供ARP地址解析协议,实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。
(4)链路层
由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成实现这一层协议的协议并不属于TCP/IP协议组。在本系统中这部分功能由单片机控制网卡芯片CS8900实现。
2 硬件框图
系统提供RJ45接口连接ETHERNET网络,并且提供一个串口给用户使用。系统板可以将从ETHERNET上过来的IP数据报解包后送给串口,也可将从串口过来的数据封装为IP包送到局域网中。外部RAM使用61C1024(128KB)，从而为数据处理提供了很大的缓存； 使用E2PROM--X25045,既可以作为看门狗使用也可以将IP地址、网卡物理地址和其他参数保存在里面。
CS8900芯片是CIRRUS LOGIC公司生产的一种局域网处理芯片,它的封装是100-pin TQFP,内部集成了在片RAM、10BASE-T收发滤波器,并且提供8位和16位两种接口，本文只介绍它的８位模式。
ME103是一种脉冲变压器，在CS8900的前端对网络信号进行脉冲波形变换。
3 工作原理
3.1 CS8900的工作原理
CS8900与单片机按照8位方式连接，网卡芯片复位后默认工作方式为I/O连接，基址是300H，下面对它的几个主要工作寄存器进行介绍(寄存器后括号内的数字为寄存器地址相对基址300H的偏移量)。
·LINECTL(0112H)
LINECTL决定CS8900的基本配置和物理接口。在本系统中，设置初始值为00d3H，选择物理接口为10BASE－T，并使能设备的发送和接收控制位。
·RXCTL(0104H)
RXCTL控制CS8900接收特定数据报。设置RXTCL的初始值为0d05H，接收网络上的广播或者目标地址同本地物理地址相同的正确数据报。
·RXCFG(0102H)
RXCFG控制CS8900接收到特定数据报后会引发接收中断。RXCFG可设置为0103H，这样当收到一个正确的数据报后，CS8900会产生一个接收中断。
·BUSCT(0116H)
BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。设置初始值为8017H,打开CS8900的中断总控制位。
·ISQ(0120H)
ISQ是网卡芯片的中断状态寄存器，内部映射接收中断状态寄存器和发送中断状态寄存器的内容。
·PORT0(0000H)
发送和接收数据时，CPU通过PORT0传递数据。
·TXCMD(0004H)
发送控制寄存器，如果写入数据00C0H，那么网卡芯片在全部数据写入后开始发送数据。 ·TXLENG(0006H)
发送数据长度寄存器，发送数据时，首先写入发送数据长度，然后将数据通过PORT0写入芯片。
以上为几个最主要的工作寄存器(为16位)，CS8900支持8位模式，当读或写16位数据时，低位字节对应偶地址，高位字节对应奇地址。例如，向TXCMD中写入00C0H，则可将00h写入305H，将C0H写入304H。
系统工作时，应首先对网卡芯片进行初始化，即写寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。发数据时，写控制寄存器TXCMD，并将发送数据长度写入TXLENG，然后将数据依次写入PORT0口，如将第一个字节写入300H,第二个字节写入301H，第三个字节写入300H，依此类推。网卡芯片将数据组织为链路层类型并添加填充位和CRC校验送到网络。同样，单片机查询ISO的数据，当有数据来到后，读取接收到的数据帧。读数据时，单片机依次读地址300H,301H,300H,301H．．．。
3.2 单片机工作流程
单片机首先初始化网络设备。网卡的IP地址和物理地址存在X25045中，单片机复位后首先调取这些数据以初始化网络。
单片机主要完成数据的解包打包。当有数据从RJ45过来，单片机对数据报进行分析，如果是ARP(物理地址解析)数据包，则程序转入ARP处理程序(因为在网络上正是ARP协议将IP地址和物理地址相映射)。如果是IP数据包且传输层使用UDP协议，端口正确，则认为数据报正确，数据解包后，将数据部分通过串口输出。反之，如果单片机从串口收到数据，则将数据按照UDP协议格式打包，送入CS8900，由CS8900将数据输出到局域网中。
可以知道，单片机主要处理协议的网络层和传输层，链路层部分由CS8900完成。因单片机将数据接收后完整不变地通过串口输出，所以将应用层交付用户来处理，用户可以根据需求对收到的数据进行处理。
在单片机的程序处理中，包含了完整的APR地址解析协议。通过在单片机中正确设置网关、子网掩码等参数，实现了通过局域网单片机与外部因特网上的终端设备的数据通信。
4 应用
这种嵌入了TCP/IP协议的单片机系统板，具有成本低、硬件少、占用面积少、传输速度快、使用方便等优点。适用于现有的网络传输系统，有着广泛的应用前景，特别是数据采集、数据传输领域。目前，在屏幕板数据成像、远程数据采集系统中被使用。
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