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基于精簡TCP/IP協(xié)議棧的信息家電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器
摘要：通過分析和實驗，研究嵌入式TCP/IP協(xié)議棧S1C33-Stack的結(jié)構(gòu)及運行原理，給出以S1C33-Stack構(gòu)造單芯片嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，將信息家電組網(wǎng)及接入Internet的實現(xiàn)方案。研究單芯片嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中S1C33-Stack與用戶程序的接口方案，用戶登錄軟件及信息家電監(jiān)測軟件的設(shè)計方法。引言
S1C33209是EPSON公司推出的RISC結(jié)構(gòu)的32位高性能CMOS微處理器，具有高速、低功耗、低電壓操作、精簡指令集等特點，提供乘與累加功能，既可用于辦公設(shè)備，也特別適用于需要高級數(shù)據(jù)處理的便攜設(shè)備，可以進行高速運算、靈活的I/O口控制和高效的數(shù)據(jù)操作。S1C33209具有8KB的內(nèi)部RAM，其運算速率可達60MHz，加上優(yōu)化的多數(shù)為單時鐘周期的指令集，使S1C33209吞吐量大為提高。S1C33209比常規(guī)MCU有更快的運算速度及可靠的性能、可重復(fù)編程的結(jié)構(gòu)，使得精簡的TCP/IP能夠在其中可靠運行。
1 硬件平臺結(jié)構(gòu)及設(shè)計
信息家電遠程訪問時，通信數(shù)據(jù)量不大，10M以太網(wǎng)的通信速率即可滿足要求；其次信息家電對實時性的要求不高，可定位在秒級。
在這種情況下，構(gòu)造了家電網(wǎng)絡(luò)硬件平臺服務(wù)器S1C-WebServer，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。S1C33-WebServer主要由三部分組成，即S1C33209微處理器、RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器（RealTek公司出品，100腳的TQFP封裝，最大速率10Mbps，自帶16KB的SRAM，工作在Ethernet II和IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BasetT下，全雙工，支持8位與16位數(shù)據(jù)總線，與NE2000兼容）、可擦寫Flash(采用Intel的E28F320，容量為4MB)。考慮到Flash的擦寫在程序調(diào)試中不太方便，所以為S1C33209外圍擴展512KB的SDRAM。在S1C33209中，運行用戶程序和S1C33-Stack。在Flash中，存放S1C-WebServer的各種Web資源信息，綜可處理Web頁面、圖像文件等，與PC機上WebServer中的硬盤可以存儲大量的不同頁面。Flash的容量決定了WebServer的資源文件的大小。RTL9019AS是Ethernet控制器，負責S1C33209與Ethernet的數(shù)據(jù)傳遞。在信息家電已具備RS232或相關(guān)標準接口的條件下，使用家庭自動化總線HAB（Home Automation Bus）作為S1C33-WebServer與家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SHNP（Simple Home Networks Protocol）。家電通過RS232接口與S1C33-WebServer連接，經(jīng)由EEthernet接入Internet。
經(jīng)過分析，S1C33209與RTL8019AS讀寫時序是兼容的，而且MCU的讀寫時延比RTL8019AS小得多。MCU與RTL8019AS的連接如圖2所示。RTL8019AS的工作電壓為5V，而S1C33209的工作電壓為3.3V，所以RTL8019AS的數(shù)據(jù)線輸出需要電平的轉(zhuǎn)換。選用2個8位（采用16位數(shù)據(jù)總線）的具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能的74HC245來完成，由于S1C33209的輸出電平符合RTL8019AS輸入電平的要求，所以地址線可以直接相連，而不需電平轉(zhuǎn)換，RTL8019AD中斷信號（INT0）為高電平有效，在S1C33209中選用端口中斷輸入的K60端口與之相連。由于S1C33209的中斷有效方式（高、低電平或脈沖）可以根據(jù)對寄存器的設(shè)置調(diào)節(jié)），所以不用對INT0作反向或電平轉(zhuǎn)換。
2 精簡TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)
構(gòu)建的S1C33-Stack運行在以S1C33209嵌入式CPU為基礎(chǔ)的硬件平臺上，是一組可配置的多種Internet協(xié)議的組成。這些協(xié)議按照分層協(xié)議棧的方式組織，包括應(yīng)用層的HTTP、DHCP、SMTP，傳輸層的TCP、UDP，網(wǎng)絡(luò)層的IP/ICMP、ARP，通過鏈路層和物理層（如Ethernet）進行數(shù)據(jù)的交互。S1C33-Stack的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。S1C33-Stack利用S1C33的高速處理能力處理TCP/IP數(shù)據(jù)包，避免了在有限容量的RAM中緩存大量數(shù)據(jù)，使得控制器可以處理比內(nèi)部RAM總線更多的數(shù)據(jù)包。利用嵌入的S1C33-Stack，Webserver能通過Hypertext Transfer Protocol(HTTP)與任何瀏覽器通信，能夠提供各種類型的資源，如HTML、圖片文件等。這些資源可以使用一種特殊的文件系統(tǒng)URI，被存放在容量為4MB的Flash中。這種文件系統(tǒng)可包含任意多的目錄，對URL的長度也沒有限制。
考慮到嵌入式系統(tǒng)的可用資源有限，在此采用經(jīng)過裁減的TCP/IP協(xié)議棧—uIP。uIP協(xié)議主要包括TCP/IP協(xié)議組中的四個基本的協(xié)議：ARP、IP、ICMP、TCP。鏈路層協(xié)議，如PPP，則作為設(shè)備驅(qū)動在uIP底層實現(xiàn)。應(yīng)用層協(xié)議，如HTTP、FTP、SMTP則作為應(yīng)用程序在uIP上層實現(xiàn)。
（1）地址解析協(xié)議ARP
該協(xié)議將IP地址映射成以太網(wǎng)MAC地址。在uIP中，ARP的執(zhí)行依靠維持一張表來完成IP地址和MAC的地址的映射。當有一個IP數(shù)據(jù)包要發(fā)送到以太網(wǎng)上時，從ARP表中查詢相應(yīng)的MAC地址。如果在ARP表中找不到IP地址則送出相應(yīng)的ARP請求。當目的主機收到ARP請求報文后，發(fā)送ARP REPLY報文將請求的MAC地址送出。當收到ARP REPLY后，ARP表被更新。每隔10s，ARP表就被新新一次，舊的ARP表項將被刪除。每個ARP表項的生存周期是20min。
（2）網(wǎng)間協(xié)議IP
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