1嵌入式TCP/IP協議棧
目前，市面上幾乎所有的嵌入式TCP/IP協議棧都是根據BSD版的TCP/IP協議棧改寫的。在商業嵌入式TCP/IP協議棧大都相當昂貴的情況下，很多人轉而使用一些源代碼公開的免費協議棧，并加以改造應用。目前較為著名的免費協議棧有：
lwIP(LightweightTCP/IPStack)——支持的協議比較完整，一般需要多任務環境支持，代碼占用ROM>40KB，不適合8位機系統，沒有完整的應用文檔;
uC/IP(TCP/IPstackforuC/OS)——基于uC/OS的任務管理，接口較復雜，沒有說明文檔。
筆者采用的協議棧系瑞典計算機科學研究所AdamDunkels開發的uIP0.9。其功能特性總結如下：
◇完整的說明文檔和公開的源代碼(全部用C語言編寫，并附有詳細注釋);
◇極少的代碼占用量和RAM資源要求，尤其適用于8/16位單片機(見表1);
◇高度可配置性，以適應不同資源條件和應用場合;
◇支持ARP、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等必要的功能特性;
◇支持多個主動連接和被動連接并發，支持連接的動態分配和釋放;
◇簡易的應用層接口和設備驅動層接口;
◇完善的示例程序和應用協議實現范例。
正是由于uIP所具有的顯著特點，自從0.6版本以來就被移植到多種處理器上，包括MSP430、AVR和Z80等。筆者使用的uIP0.9是2003年11月發布的版本。目前，筆者已將它成功移植到MCS-51上了。
2uIP0.9的體系結構
uIP0.9是一個適用于8/16位機上的小型嵌入式TCP/IP協議棧，簡單易用，資源占用少是它的設計特點。它去掉了許多全功能協議棧中不常用的功能，而保留網絡通信所必要的協議機制。其設計重點放在IP、ICMP和TCP協議的實現上，將這三個模塊合為一個有機的整體，而將UDP和ARP協議實現作為可選模塊。uIP0.9的體系結構如圖1所示。
uIP0.9處于網絡通信的中間層，其上層協議在這里被稱之為應用程序，而下層硬件或固件被稱之為網絡設備驅動。顯然，uIP0.9并不是僅僅針對以太網設計的，它具有媒體無關性。
為了節省資源占用，簡化應用接口，uIP0.9在內部實現上作了特殊的處理。
①注意各模塊的融合，減少處理函數的個數和調用次數，提高代碼復用率，以減少ROM占用。
②基于單一全局數組的收發數據緩沖區，不支持內存動態分配，由應用負責處理收發的數據。
③基于事件驅動的應用程序接口，各并發連接采用輪循處理，僅當網絡事件發生時，由uIP內核喚起應用程序處理。這樣，uIP用戶只須關注特定應用就可以了。傳統的TCP/IP實現一般要基于多任務處理環境，而大多數8位機系統不具備這個條件。
④應用程序主動參與部分協議棧功能的實現(如TCP的重發機制，數據包分段和流量控制)，由uIP內核設置重發事件，應用程序重新生成數據提交發送，免去了大量內部緩存的占用。基于事件驅動的應用接口使得這些實現較為簡單。
3uIP的設備驅動程序接口
uIP內核中有兩個函數直接需要底層設備驅動程序的支持。
一是uip_input()。當設備驅動程序從網絡層收到一個數據包時要調用這個函數，設備驅動程序必須事先將數據包存放到uip_buf[]中，包長放到uip_len，然后交由uip_input()處理。當函數返回時，如果uip_len不為0，則表明有帶外數據(如SYN，ACK等)要發送。當需要ARP支持時，還需要考慮更新ARP表或發出ARP請求和回應，示例如下。
#defineBUF((structuip_eth_hdr*)&uip_buf[0])
uip_len=ethernet_devicedriver_poll();//接收以太網數據包
//(設備驅動程序)
if(uip_len>0){//收到數據
if(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)){//是IP包嗎?
uip_arp_ipin();//去除以太網頭結
//構，更新ARP表
uip_input();//IP包處理
if(uip_len>0){//有帶外回應數據
uip_arp_out();//加以太網頭結構，在主動連接時可能要
//構造ARP請求
ethernet_devicedriver_send();//發送數據到以太網
//(設備驅動程序)
}
}elseif(BUF->type==HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)){
//是ARP請求包
uip_arp_arpin();//如是是ARP回應，更新ARP表;如果是
//請求，構造回應數據包
if(uip_len>0){//是ARP請求，要發送回應
ethernet_devicedriver_send();//發ARP回應到以太網上
}
}
另一個需要驅動程序支持的函數是uip_periodic(conn)。這個函數用于uIP內核對各連接的定時輪循，因此需要一個硬件支持的定時程序周期性地用它輪循各連接，一般用于檢查主機是否有數據要發送，如有，則構造IP包。使用示例如下。
for(i=0;iuip_periodic(i);
if(uip_len>0){
uip_arp_out();
ethernet_devicedriver_send();
}
}
從本質上來說，uip_input()和uip_periodic()在內部是一個函數，即uip_process(u8tflag)，UIP的設計者將uip_process(UIP_DATA)定義成uip_input()，而將uip_process(UIP_TIMER)定義成uip_periodic()，因此從代碼實現上來說是完全復用的。
4uIP的應用程序接口
為了將用戶的應用程序掛接到uIP中，必須將宏UIP_APPCALL()定義成實際的應用程序函數名，這樣每當某個uIP事件發生時，內核就會調用該應用程序進行處理。如果要加入應用程序狀態的話，必須將宏UIP_APPSTATE_SIZE定義成應用程序狀態結構體的長度。在應用程序函數中，依靠uIP事件檢測函數來決定處理的方法，另外可以通過判斷當前連接的端口號來區分處理不同的連接。下面的示例程序是筆者實現的一個Web服務器應用的框架。
#defineUIP_APPCALLuip51_appcall
#defineUIP_APPSTATE_SIZEsizeof(structuip51app_state)
structuip51app_state{
unsignedchar*dataptr;
unsignedintdataleft;
};
voiduip51_initapp{//設置主機地址
u16_tipaddr[2];
uip_ipaddr(ipaddr，202，120，127，192);
uip_sethostaddr(ipaddr);
uip_listen(HTTP_PORT);//HTTPWEBPORT(80);
}
voiduip51_appcall(void){
structuip51app_state*s;
s=(structuip51app_state*)uip_conn->appstate;
//獲取當前連接狀態指針
if(uip_connected()){
…//有一個客戶機連上
}
if(uip_newdata()||uip_rexmit()){//收到新數據或需要重發
if(uip_datalen()>0){
if(uip_conn->lport==80){//收到GETHTTP請求
update_table_data();//根據電平狀態數據表動態
//生成網頁
s->dataptr=newpage;
s->dataleft=2653;
uip_send(s->dataptr，s->dataleft);
//發送長度為2653B的網頁
}
}
}
if(uip_acked()){//收到客戶機的ACK
if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport==80){
//發送長度>最大段長時
s->dataptr+=uip_conn->len;//繼續發送剩下的數據
s->dataleft-=uip_conn->len;
uip_send(s->dataptr，s->dataleft);
}
return;
}
if(uip_poll())
{…//將串口緩存的數據復制到
//電平狀態數據表
return;
}
if(uip_timedout()||//重發確認超時
uip_closed()||//客戶機關閉了連接
uip_aborted()){//客戶機中斷連接
return;}
}
5uIP0.9在發電機遠程監測系統中的應用
筆者設計了一個嵌入式Web模塊UIPWEB51，用于將發電機射頻監測儀串口輸出的數據上網，以實現對發電機工作狀態的遠程監測，目前已取得初步成功。該模塊的硬件框圖如圖2所示。
單片機采用的是Atmel的AT89C55WD，它內置20KB程序Flash，512字節RAM，3個定時器/計數器，工作在22.1184MHz時具有約2MIPS的處理速度。網卡芯片同樣采用的是低成本的RTL8019AS，是一款NE2000兼容的網卡芯片。系統外擴了32KB的SRAM，用于串口數據和網絡數據的緩沖，另外還存放了uIP的許多全局變量。
UIPWEB51的主程序采用中斷加輪循的方式，用中斷觸發的方式接收發電機射頻監測儀發出的數據，并設置了一個接收隊列暫存這些數據。在程序中輪循有無網絡數據包輸入，如有則調用uIP的相關處理函數(如上uip_input()使用示例);如無則檢測定時輪循中斷是否發生。這里將T2設為uIP的定時輪循計數器，在T2中斷中設置輪循標志，一旦主程序檢測到這一標志就調用uip_periodic()輪循各連接(如上uip_periodic()使用示例)。
UIPWeb51的應用程序(如uIP的應用程序接口示例)，這個Web服務器首先打開80端口的監聽，一旦有客戶機要求連上，uIP內部會給它分配一個連接項，接著等收到客戶機IE瀏覽器發出的“GETHTTP…”請求后，將發電機電平與狀態數據隊列中的數據填入網頁模板，生成一幅新的網頁發給客戶機。因為這幅網頁的大小已經超過uIP的最大段長(MSS)，因此在uIP內核第一次實際只發出了MSS個字節，在等到下一次輪循到該連接并且收到上次數據包的ACK時，發送剩下的網頁數據。在連接處于空閑的時候(uip_poll())，應用程序可以從串口隊列中讀出原始數據，經格式處理后再存到發電機電平與狀態數據隊列中，而在這個隊列中保存著當前1min的設備工作數據，以便下次更新網頁時使用。在網頁中添加了更新按鈕，一旦瀏覽器用戶點擊了按鈕，瀏覽器會自動發出CGI請求，UIPWEB51收到后，立即發送包含最新數據的網頁。如果uIP接收ACK超時，它會自動設置重發標志，應用程序中可以用uip_rexmit()來檢測這個標志，重新生成網頁并發送。一旦用戶關閉了瀏覽器，uIP也會自動檢測到這一事件(應用程序中可以用uip_closed()來檢測)，并且釋放掉這個連接項。
圖3是UIPWEB51的總體程序結構圖。
6測試結果
將uIP0.9配置成允許4個并發連接，1個監聽端口，10個ARP表項，去掉UDP支持，UIP_BUFSIZE=1500和其它優化選項。用KEILC編譯，整個uIP0.9內核模塊代碼量小于8KB(含Web應用程序)，內核對RAM的占用小于2KB(不含網頁)。整個系統程序的代碼量小于12KB，占用的RAM小于10KB。另外，在公網上測試了該模塊的傳輸速度，大于20Kbps，對于此項應用已達到要求。目前，該模塊正準備應用于新一代的發電機射頻監測系統中。
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