2021年04月19日 | TCP/IP协议栈在MSP430单片机上的实现

引言

随着信息技术的不断发展,以及人们对日常生活舒适度、方便度要求的提高,信息家电、智能仪表等产品越来越频繁的出现在我们的生活当中;人们也越来越热衷于把家电、仪表等设备连接到Internet 中,从而可以方便、及时的对它们进行远程察看、远程控制。把这些设备接入Internet ,就需要考虑TCP/IP 网络协议的实现。

MSP430 系列单片机是由TI 公司开发的16 位单片机,其突出特点是超低功耗,非常适合于各种功率要求比较低的场合,该系列已经应用在智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。本文给出了在MSP430F149 硬件平台上移植TCP/IP 协议的方案,实现了终端设备到Internet 的接入。

嵌入式TCP/IP 协议栈uIP

TCP/IP 是一个协议族,它是一个四层网络协议模型,分别包含应用层、传输层、网络层、网络接口层。应用层定义清晰的会话过程,平常所用的协议如HTTP、FTP、SMTP、Telnet 等都属于应用层。传输层提供端对端的通信,该层协议有传输控制协议(TCP) 和用户数据协议(UDP) 。网络层负责数据打包和逻辑寻址,这一层的协议有IP、ICMP、ARP 等协议。网络接口层负责在源和目的节点间的线路上进行无差错的传送数据,并且具有流量控制等功能。

在嵌入式系统中,应用TCP/IP 协议是主要为了完成数据采集和数据传输,不需要实现网页浏览、文件传输等功能,同时,MSP430 芯片也没有足够的空间资源实现所有的TCP/IP协议,所以在本文的方案中,采用了UIP TCP/IP 栈。它是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels 等开发的一种免费公开源代码的小型TCP/IP 协议栈,它专门为8 位和16 位MCU 编写。uIP 代码的大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP 栈要小得多。

UIP实现了TCP/IP 协议组的四个基本协议：ARP(地址解析协议) ,IP(网际协议) ,ICMP(因特网信息控制协议) 和TCP(传输控制协议) 。链路层协议例如PPP 等可以由UIP 下面的设备驱动实现;应用层协议例如HTTP、FTP、SMTP、Telnet 等可以由uIP 之上的应用程序实现。

ARP 协议

ARP 协议把目标IP 地址解析为相应的以太网MAC 地址。当一个IP 包要在以太网上发出时,先查询ARP 表,找出包要发送去的MAC 地址。如果在表里找不到对应的IP 地址,就会广播ARP 请求包,以获取给出IP 地址所对应的MAC地址。目的主机收到请求包后发出一个ARP 回应包,给出自己的MAC 地址和IP 地址。

当ARP 表中没有对应的地址条目时,就会发送ARP 请求包时,同时该请求包会覆盖掉发出请求的IP 包,以节省储存器。ARP 表每十秒更新一次。

IP 协议

UIP 的IP 协议主要负责验证输入包的IP 头的正确性,以及在ICMP 和TCP 之间复用数据包。IP 层没有实现数据包的分段和重组,从而代码得到极大的简化。

ICMP 协议

ICMP 中echo 和echo reply 信息常常用在ping 程序里,以检查目的主机能否连通。在uIP 只实现echo 。在处理收到的echo 信息时,只需要把ICMP 类型字段从“echo”类型改变到“echo reply”类型,调整ICMP 校验和,并互掉IP 数据包头里的目的地址和源地址,把包发回到发送方。

TCP

为了减少储存器的使用,在UIP 里,TCP 不再实现发送和接收数据的窗口调整;不会缓存刚刚收到的TCP 段,而是立即由应用程序处理,应用程序可以自己缓冲数据;在输出数据时,在每个连接只能有一个正在传输的TCP 段。

以上四个协议实现的过程中,极大的简化了代码和处理过程,节省了存储空间和缓存空间。

UIP 协议栈的接口

UIP 协议通过一系列接口函数与底层系统和上层应用通信,它内部的协议集合对外部系统来说是透明的,从而增强了该协议的通用性和独立性,可以非常方便地移植到不同系统和应用平台。

图1 描述了UIP、底层系统和应用程序三者之间的调用关系。其中UIP 提供了三个函数给底层系统：UIP_init ( ) ,UIP_input ( ) ,UIP_periodic ( ) 。应用程序向UIP 提供一个调用函数UIP_ APPCALL( ) ,在网络事件或计时事件发生时进行调用;同时,UIP 也要向应用程序提供一些与协议栈的接口函数,应用程序根据接口函数提供的信息或者状态,执行相应的操作。

图1 UIP 协议栈接口

UIP 应用接口

UIP 使用基于事件的程序模式,应用程序由C 语言函数实现。当收发数据、新连接建立或者数据需要重新传输时,UIP 都会调用应用程序。同时,应用程序还要周期查询是否有新的数据收发。因为应用程序只提供了一个回调函数,所以应用程序还要把不同的网络服务映射到不同的端口和连接。

UIP 在接受到底层传来的数据包后,如果需要送上层应用程序处理,就调用UIP_APPCALL( ) 。同时,UIP 设置结构体UIP_conn 指针指向当前连接。UIP_conn 记录一条TCP 连接的所有相关信息,它是维持uIP 运行的关键结构,定义如下：

struct uip_conn {

u8_t tcpstateflags ; PPTCP 的状态和标志

u16_t lport , rport ; PP当地和远端端口

u16_t ripaddr[2] ; PP远端的IP 地址

u8_t rcv- nxt [4] ; PP下一个要接收的序列号

u8_t snd- nxt [4] ; PP上一个已发送的序列号

u8_t ack- nxt [4] ; PP对端下一个应答序列号

u8_t timer ; PP重传时间

u8_t nrtx ; PP计算特殊段的重发数量

u8_t mss ; PP连接中最大分段的大小

u8_t appstate[UIP_APPSTATE_SIZE] ;

} ;

UIP提供给应用程序的接口函数如： uip_listen ( ) 、uip_connect ( ) 、uip_send( ) 、uip_datalen( ) 、uip_close ( ) 、uip_abort ( ) 、uip_stop ( ) 、uip_stopped( ) 、uip_restart ( ) 等,实现了TCP/IP 协议栈的基本功能。

UIP 系统接口

从系统的角度来分析,UIP 包含3 个C 函数：uip_init ( ) ,uip_input ( ) ,和uip_periodic ( ) 。uip_init ( ) 函数初始化uIP协议栈,在系统启动期间调用。其中uIP_input ( ) 和uIP_periodic ( ) 实质上都是使用uIP_process ( ) ,但它们调用的参数和使用情况不一样。当网络设备接收到新数据时调用函数uip_input ( ) ;uip_periodic ( ) 周期性运行,通常一秒调用一次。当设备驱动程序发数据包到缓存(uip_buf) 时,系统应该调用uip_input ( ) 函数。函数将会处理这个包,并在需要时调用应用程序。当uip_input ( ) 返回时,会有一个输出包放在包缓存里。包的大小由全局变量uip_len 约束,如果uip_len 是0 ,说明没有数据包要发送。

周期时钟函数用于驱动UIP 内部时钟事件。当周期计时被激活时,uip_periodic ( ) 函数被调用。连接号作为参数传递给uip_periodic ( ) 函数。如果有数据输出,则输出的IP 包放在包缓存里。下面是察看输出包的一小段代码,它调用了uip_periodic( ) 函数。其中netdev- send ( ) 是网络驱动部分,负责将uip_buf 数组的内容发出到网上。

for ( i = 0 ;i < UIP- CONNS; ++i) {

uip_periodic (i) ;

if (uip_len > 0)

netdev_send() ;

}

UIP 协议移植到MSP430F149

基于MSP430 F149 的嵌入式TCP/IP 网络通信系统硬件部分主要包括MSP430 芯片、以太网控制器CS8900A 和以太网接口,软件部分包括设备驱动程序、嵌入式TCP/IP 协议栈等部分。

图2 方案的硬件实现

硬件的实现

本方案的单片机选择MSP430F149 完成TCP/IP 协议的解释和执行, 以太网控制器芯片CS89200A 实现遵循的IEEE802.3 协议的CSMAPCD 和CRC 校验等功能,以太网隔离变压器HR601627 转换电平抑制高频干扰接入以太网,最后通过RJ245接口实现终端设备接入Internet 。MSP430F149 是一款16 位超低功耗单片机,具有强大的处理能力,RISC结构,125ns 的指令周期,具有丰富的片内外设,如硬件乘法器、ADC、定时器、看门狗等。它内部具有2KB的RAM和60KB 的FLASH ,寻址空间达64K。它适用于工业控制领域,同样也适用于处理复杂的TCP/IP 协议。CS8900A是CIRRUS LOGIC 公司的一种低价格、高集成度、单芯片、全双工的以太网控制器,也是专门为嵌入式系统设计优化的以太网控制器。CS8900A 有三种工作方式： IPO 方式、存储器方式和DMA 方式。我们选择IPO 方式,以便利用8-bit 数据总线,该总线连接到MSP430 的IPO-port 5。IOR 和IOW是控制线,指示进程是否有读P写访问。

软件的实现

软件部分包括以太驱动、TCP/IP 协议实现等部分。在CS8900A 驱动程序中,以太模块cs8900. c 中包含有很多C 函数,如Init8900( ) 、Write8900( ) 、Read8900( ) 等,完成初始化控制器、读写数据等功能;在头文件cs8900.h 中,配置网络接口的MAC 地址,用户自己设置,注意不要与现有的MAC地址冲突。

TCP/IP 协议栈完成大部分网络功能,一方面它利用以太模块的函数收发数据,另一方面为上层应用程序提供简单易用的API 接口。uip.c 完成ip 、tcp 协议以及基本的ICMP 功能,它还定义了两个前面提及过的重要参数： uip_buf 和uip_len ,uip_buf存储需要收发的数据, uip_len 存储收发数据的长度; uip -arp.c 完成地址解析;uip_arch.c 完成检验和uIP的设置包含在一个叫uipopt.h 的头文件里,以宏的形式定义,便于修改。用户根据自己的需要,设置本地的物理地址、IP 地址、网关地址、数据缓冲区尺寸、ARP表大小等选项。在正确配置UIP后,用户根据自己的应用需要,编写主程序。主程序流程如图(图3)。

图3 主程序流程如图

初始化包括定时器初始化、网卡芯片初始化、UIP 协议栈初始化、用户应用程序初始化等等,在主程序初始化完毕后,不停查询,如果有新的数据包到来,则由uip_input ( ) 处理数据,如果没有,则调用uip_periodic ( ) 处理定时事件。为了将用户的应用程序挂接到UIP 中,可以将UIP_APPCALL( ) 定义成实际的应用程序函数名,这样每当某个UIP 事件发生时,内核就会调用该应用程序进行处理。

结束语

本文所设计的方案已经成功地应用在远程自动抄表系统中,UIP 协议栈在MSP430F149 上运行良好,达到预期效果。同时,该方案成本低、运行稳定可靠、传输速度快、开发周期短,适用于现有的局域网和Internet ,可以实现对信息家电类产品的远程访问控制,特别是数据采集、传输等远程监控,具有广泛的应用前景。