（教育技术学专业论文）单片机与internet网络的通信应用研究.pdf

山东师范人学硕l ：学位论文 单片机与i n t e r n e t 网络的通信应用研究 摘要 随着计算机通信技术、电子信息技术和多媒体技术的飞速发展，i n t e m e t 网络日益 成为人们日常生活中必不可少的工具。信息家电、智能化仪表等需要与i n t e r n e t 网络连 接的非p c 设备越来越多。就目前来看，在非p c 设备中，大约有5 0 左右的是8 位的微 处理器。若想实现这些设备与i n t e m e t 网络的通信，必须扩展8 位微处理器的网络功能。 本文提出了单片机与i n t e r n c t 网络通信的一种具体实现方案。鉴于8 位小型微型 单片机系统的广泛应用，在深入学习了解了高性能的3 2 位单片微处理器与l n t e r n e t 网 络的通信应用之后，选择目前较为流行的八位单片机和以太网控制芯片构成单片机网 络通信系统，并在此基础上成功的将经过裁剪的t c p i p 协议移植到系统中，在此基 础上设计并实现了嵌入式w e b s e r v e r 应用：客户端通过浏览器中的网页实时操纵单片 机应用系统l e d 小灯的亮灭。 由于8 位单片机的内部资源有限，根据其自身特点和实际应用的需要，必须对 t c p f i p 协议进行适当的裁剪。本系统在设计过程中，选择了t c p i p 协议各层最具代 表性的协议，并对其进行裁剪，将裁减后的协议移植到系统中后，经实验证明系统运 行良好，达到了预期的目的。 论文首先根据需要，设计以太网接口电路，编写以太网驱动程序；对t c p i p 协 议进行适当裁减，以适应8 位单片机内部资源，并进行移植；实现了w e b s e r v e r 应用， 通过对h t t p 协议分析，在单片机内部实现了h t t p 协议，并用h t m l 语言编写w e b 页面，把网页保存到单片机内部的r o m 中，通过i n t e m e te x p l o r e r 浏览器可以远程访 问网页，并实现对系统的实时监控、操纵。 根据w e b s e r v e r 应用在单片机中实现的具体需求，设计摒弃了嵌入式实施操作系 统，直接实现了t c p i p 协议，大大缩短了开发的时间；本文最大的特点是在8 位单 片机中实现了w e b s e r v e r 应用，对单片机系统的控制和监测变得简便、直观。使用h t m l 语言编写了网页，并将源代码以字符数组的形式存储在单片机的e e p r o m 中，读取 时可以以访问数组的形式访问代码，巧妙地绕过了操作系统对文件读取的限制，并且 提高了系统的运行效率。 以单片机为核心的小型微型嵌入式系统必将在教育领域得到广泛应用。目前，高 校信息资源建设正如火如荼，软件信息资源的共享，使得教育极大的便利化，教育投 t 山东师范大学硕t 学位论文 资的效益迅速提高。但是，硬件资源难以共享。有了嵌入式技术的支持，在精密仪器 中植入小型的嵌入式芯片，就可以通过操作嵌入到单片机内部的w e b 页面的按钮，远 程实时操纵仪器，并通过单片机采集数据，传输到本地计算机，并且用浏览器将信息 图文并茂的显示，可以方便的得到实验数据。实现校园硬件设备的共享，可以大大节 省人力物力，具有极大的经济效益，对教育信息化发展具有积极的推动作用。 【关键词】t c p i p 协议；i n t e r n e t 网络；单片机；w e bs e r v e r 【分类号】g 4 3 4 山东师范大学硕十学位论文 t h er e a s e r c ho fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c ua n di n t e r n e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , i n t e r n e ti n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga l l e s s e n t i a lt o o lf o rp e o p l e sd a i l yl i f e m o r ea n dm o r en o n - p ce q u i p m e n t ，s u c ha si n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t sa n di n f o r m a t i o na p p l i a n c e , n e e dt oc o n n e c tt ot h ei n t e m e t j u d g i n gf r o mt h e p r e s e n ts i t u a t i o n ，a b o u t5 0 o ft h en o n p ce q n i p m e n ti st h e8 - b i tm i c r o p r o c e s s o r i fw e w i s ht oa c h i e v et h e s ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ne q u i p m e n ta n dt h ei n t e r a c t w em u s t e x p a n dt h en e t w o r kf u n c t i o n so f8 - b i tm i c r o p r o c e s s o r t h i st h e s i sp o i n to u tac o n c r e t er e a l i z a t i o np r o g r a mo ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e i n t e r n e ta n dt h em c u i nv i e wo f t h ew i d ea p p l i c a t i o no f 8 一b i tm c u ，b yt h ei n d e p t h s t u d ya n du n d e r s t a n d i n go fh i g h p e r f o r m a n c e3 2 b i ts i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o ra n dt h e c o m m u n i c a t i o nt ot h ei n t e r n e t ，c h o o s i n gt h eb e s ta n dm o s tp o p u l a re t h e m e tc o n t r o l l e rc h i p a n dt h e8 - b i tm c ut on - l a k en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s u c c e s s f u lt r a n s p l a n tt h e t a i l o r e dt c p i pa g r e e m e n tt ot h e s y s t e m ，a n di m p l e m e n tt h ee m b e d d e dw e b s e r v e r a p p l i c a t i o n so nt h eb a s i so ft h ed e s i g n ：t h r o u g ht h eb r o w s e r , c l i e n tc o u l dr e a l t i m e m a n i p u l a t et h es m a l ll e dl i g h t sb a s e do nt h em c ua p p l i c a t i o ns y s t e m d u et ot h el i m i t e dr e s o u r c eo f8 - b i tm c u ，a c c o r d i n gt oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o nn e e d s ，w em u s tt a i l o rt h et c pa g r e e m e u tp r o p e r l y i nt h es y s t e md e s i g n p r o c e s s , s e l e c tt h em o s tr e p r e s e n t a t i v ep r o t o c o lo f e a c hl a y e ro f t c pa g r e e m e n ta n dt a i l o ri t f o rn e e da n dt r a n s p l a n tt h ea g r e e m e n tt ot h es y s t e m , t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h es y s t e m o p e r a t e sw e l la n da c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s f i r s t l y , d e s i g nt h ee t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i ta n dc o m p i l et h ee t h e r n e td r i v e rp r o g r a m ； t a i l o rt h et c p i pa g r e e m e n ta p p r o p r i a t e l yt om e e tt h e8 - b i tm c ui n t e r n a lr e s o u r c e sa n d t r a n s p l a n ti tt ot h es y s t e m ；a c h i e v et h ew e bs e r v e ra p p l i c a t i o n r e a l i z et h eh t t pp r o t o c o l b u s e do nt h ea n a l y s i so f i ta n dw r i t et h ew e bp a g eu s i n gh t m l ，s a v ei tt ot h ei n t e r n a lr o m o ft h em c u t h e nw ec a nr e m o t eb r o w s et h eh o m e p a g ev i ai n t e r n e te x p l o r e ra n dr e a l i z e t h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 1 1 1 山东师范丈学硕士学位论文 a c c o r d i n g t ot h es p e c i f i cn e e d so ft h ea c h i e v eo fw e bs e r v e r a p p l i c a t i o n t o m i c r o p r o c e s s o r a b a n d o nt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dd i r e c tr e a l i z et h et c p i p p r o t o c o lw h a tg r e a t l ys h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m e ；t h eg r e a t e s tf e a t u r eo ft h i st h e s i si st o a c h i e v et h ew e bs e r v e ra p p l i c a t i o ni n8 - b i tm i c r o c o n t r o t l e r s ot h ec o n t r o la n dm o n i t o r i n g o ft h em c u s y s t e mb e c o m e ss i m p l ea n di n t u i t i v e c o m p i l et h ew e bp a g eu s i n gh t m l l a n g u a g e s t o r et h es o u r c ec o d ei nt h ef o r mo fa r r a yc h a r a c t e r st ot h ee e p r o m ，a n dc a l l v i s i ti nt h ef o r mo f a r r a yc l e v e r l yc i r c u m v e n t e dt h er e s t r i c t i o i l so f r e a d i n gt h ed o c u m e n to f t h er e t r i e v a ls y s t e ma n de n h a n c et h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yo f t h es y s t e m e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rs y s t e m sw i t ht h ec o r eo fm c uw i l lb ew i d e l ya p p l i e di nt h e f i e l do fe d u c a t i o n a tp r e s e n t ，t h eu n i v e r s i t y si n f o r m a t i o nr e s o u r c e sc o n s t r u c t i o ni si n f u l ls w i n g , a n dt h es h a r i n go fs o f t w a r ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e se n a b l e sg r e a tf a c i l i t a t i o na n d r a p i d l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fi n v e s t m e n ti ne d u c a t i o n h o w e v e r , t h es h a r i n go f h a r d w a r er e s o u r c e si sd i f f i c u l t w i t he m b e d d e dt e c h n o l o g y , i m p l a n tt h em a a l le m b e d d e d c h i p st ot h ep r e c i s i o ni n s t r u m e n t s ，t h r o u g ht h eo p e r a t eo f t h eb u t t o n so nt h ew e b s i t ep l a n t e d i n t h em c ua n dr e m o t eo p e r a t et h ee q u i p m e n t ，t h e ng e td a t ab yt h em c ua n dt r a n s p o r ti tt o t h el o c a l c o m p u t e r a n ds h o wt h ei n f o r m a t i o n0 1 1t h eb r o w s e rv i a m a n y m e t h o d s e x p e r i m e n t a ld a t ac a n b eg o tc o n v e n i e n t l y s h a r et h eh a r d w a r ee q u i p m e n tc a n g r e a t l yr e d u c et h eh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa n dh a sg r e a te c o n o m i cb e n e f i t ，h a sa p o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f e d u c a t i o n k e yw o r d s ：t c p i pp r o t o c o l ；i n t e m e tn e t w o r k ；m c u ；w e bs e r v e r c a t e g o r yn u m b e r ：g 4 3 4 i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要 特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：厶f 旁乏 一字：矽式 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 邋可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权 书) 学位论文作者签名：知f 略气垦二 签字日期：2 0 0 7 年尹月彳日 导师签字： 彳浓式 ， 签字只期：2 0 0 7 年9 月彤日 山东师范大学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 单片机与i n t e r n e t 网络通信概述 随着计算机通信技术、电子信息技术和多媒体技术的飞速发展，i n t e r n e t n 络日益 成为人们日常生活中必不可少的工具。信息家电、智能化仪表等需要与i n t e m e t 网络连 接的非p c 设备越来越多，这些设备的上网需求也日益迫切。就目前来看，信息家电、 智能化仪表等非p c 设备中，大约有5 0 左右的是8 位的微处理器。因此，若想实现这 些设备与i n t e m e t 网络的通信，必须扩展8 位微处理器的网络功能。 单片机与i n t e m e t 网络通信，指的是通过t c p i p 协议，将单片机应用系统接入 i n t e r a c t 网络，以实现信息的传递与交流。实现单片机与i n t e r n e t 网络通信，将给现有 的i n t e r n e t 网络带来新的活力，也是信息社会发展的一大趋势。 单片机与i n t o - n e t 网络的通信的核心，是在电子设备中嵌入t c p i p 协议。目前通 常用专用的芯片完成单片机与网关之间的协议转换，通过在电子设备中内置一块专用 的网络接口芯片，将其作为电子设备和i n t e r n e t 连接的桥梁。芯片独立于各种微控制 器m c u ，通过标准的输入输出口，与所有的微控制器相连。这样，控制器可以通过 芯片接收并执行由i n t e r n e t 远程传输来的命令，或将一些数据交给芯片发送出去，实 现电子设备的智能化。 1 1 1 单片机与i n t e r n e t 网络通信的研究背景 随着i n t e r n e t 技术的普及，信息共享的程度越来越高，人类进入了所谓的后p c 时 代，后p c 时代的标志是嵌入式技术( e m b e d d e d t e c h n o l o g y ) 3 3 1 3 5 1 。嵌入式系统 ( e m b e d d e ds y s t e m ) 将是继p c 和i n t e m e t 之后的又一起世界高新技术发展大潮。嵌 入式技术的飞速发展，将为人们对各种客户终端设备的灵活、高效和高性价比的需要， 提供良好的解决方案。 单片机在嵌入式技术的发展中扮演越来越重要的角色。就目前来看，在非p c 设 备中，8 位的微处理器以其低廉的价格、稳定良好的性能和成熟的技术支持仍然占据 举足轻重的地位。单片机的应用领域同益扩展，i n t e m e t 网络也逐渐延伸到世界的每一 个角落，如何利用现有的i n t e m e t 网络资源实现数据通信，成为单片机应用领域r 益 关注的焦点问题。 山东师范大学硕 学位论文 1 1 2 单片机与i n t e r n e t 网络通信的研究意义 单片机( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 又称嵌入式微控制器，它可以嵌入到任何微型或 小型仪器或设备中。嵌入式系统在在体积、价位、可靠性等方面具有微型计算机无法 比拟与抗衡的优点旧。 1 单片机嵌入式系统已经广泛用于军事、工业、商业、医疗卫生、办公自动化、 家庭等社会各个方面。 2 就目前来看，大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与 一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。比如，在一些工业和汽车应用中， 为了实现多个m c u 之间的信息交流，利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等总线将m c u 组 网，但这种网络的有效半径比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于 i n t e m e t 以外的。i n t e r n e t 现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，如果单片机应用系统能够连接到i n t e m e t 上，则可以方便、低廉地将信息传送 到几乎世界上的任何一个地方，并可以实现远程控制，特别在远程教育、远程测控等 领域有广阔的市场。目前，把单片机应用系统和i n t e r n e t 连接已是一种趋势。 3 。对于我国来说，目前，p c 机的架构为w i n t e l 所控制、垄断，即由i n t e l 的c p u + 微软的w i n d o w s 主宰了产业。在该领域，我们没有主动权，没有创新空间，无能为 力，充其量只是组装机和搞计算机系统集成等，自己的软件产品和出口软件很少，中 国软件企业规模太小。专家估计，1 0 2 0 年内难以突破! 单片机嵌入式系统需求千变万化，没有统一的架构，软硬件需要各种各样的组合， 技术密集，市场容量大，我们有无限的创新空间! 主要是： 计算环境从p c 为中心转变为以网络为中心，涌现了各种新的信息设备( 认) ， 不必与p c 兼容； 应用软件逐步从p c 移到网上，不必与w i n d o w s 兼容； 可裁减，良好的性能价格比。 因此，深入研究8 位或1 6 位单片机嵌入式系统接入i n t e r n e t 的问题，是一个巨大 的商机与挑战。嵌入式技术将为我国信息化腾飞增添重要推动力，当然也会促进教育 现代化的飞速发展。 2 山东师范大学硕 学位论文 1 2 单片机与i n t e r n e t 网络通信的解决方案 以单片机为核心的电子设备应用系统实现与i n t e r n e t 网络通信的核心，是电子设 备本身增加t c p i p 协议，目前的解决方案主要可以分为两大类【3 0 i l ”】。 1 直接在电子设备上实现t c p ，职 此方案的实质是由m c u 内部固化t c p i p 协议的芯片，组成应用系统的核心。此 方案中，单片机应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单，也不需要其它中间 环节的支持。但由于单片机使用了t c p i p 协议芯片，因此需要大容量的程序存储器， 而且要求m c u 有较高的运行速度。应用系统的设计工程师还必须熟悉t c p i p 协议和 相关的接口地址，软件设计复杂，工作量大，另外，每一个电子设备必须申请个i p 地址。用此方案实现的典型代表有s c e i l i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k 、s e i k o 公司 的$ 7 6 0 0 a 芯片、w i n dr i v e rs y s 公司开发的v x w o r k s 及p s o s 操作系统、美国 u b i c o m 公司的i p 2 0 2 2 芯片等。 2 利用公用的t c p i p 协议转换器接入i n t o n e t ( 1 ) 用单片机控制以太网网卡进行数据传输 此时需加载t c p i p 协议到单片机中，此方案的基本思路是：远程控制端首先通 过路由器寻找目标，再通过网卡的i s a 接口传入单片机。然后单片机中加载的驱动程 序将之转换成为物理帧格式，最后由t c p i p 协议将之转化为应用层控制命令。 这种方案是在单片机添加了t c p f i p 协议，数据通过t c p i p 协议栈的转换，然后 由单片机控制网卡交换数据。 ( 2 ) 用专用的芯片完成单片机与网关之间的协议转换 在电子设备中内置一块专用的网络接口芯片，将其作为电子设备和i n t e m e t 连接 的桥梁。芯片独立于各种微控制器m c u ，通过标准的输入输出口，与所有的微控制 器相连。这样，控制器可以通过芯片接受并执行由i n t e m e t 远程传输来的命令，或将 一些数据交给芯片发送出去，实现电子设备的智能化。 另外，还有很多公司已经开发了具备此种功能的芯片，而且取得一定成效。如 c i r r u s 公司的c s 8 9 0 0 a 以太网控制器，r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 、r t l 8 0 2 9 、r t l 8 0 3 9 等网卡控制芯片，c r y s t a l l a n 公司的d s 8 0 c 4 0 0 以太网控制芯片，d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 8 系列以太网控制芯片等。 ( 3 ) 利用网关在网络中桥接代理协议栈和t c p i p 协议栈 3 山东师范大学硕l 学位论文 举一个简单的例子：一个通过互联网控制的仪表，它和控制它的服务器之间只需 要交换很少量的几个字节的数据，不需要功能完整的t c 跏p 协议去管理只有几个字节 的数据。网关完全可以担当翻译转换的业务，将代理协议提供的数据转换成t c p i p 需要的数据，或将t c p d p 发送的数据转换后提供给代理协议。此方案的典型代表为 c m w a r e 公司开发的e m i t 技术。 ( 4 ) 局域网接入 n t c m e t 解决方案 将嵌入式电子设备通过专用的现场协议( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线协议) 连 接起在一起，然后与一台专门用来做网关的p c 连接起来，通过p c 与i n t e r a c t 连接。 随着以太网控制芯片的性价比的提高，利用专用的芯片完成单片机与网关之间的 协议转换成为单片机应用系统接入i n t e r n e t 的一大研究热点。 1 3 系统在教育领域中的应用展望 现代教育的发展和新技术密切相关。新技术的出现，对教育有积极的推动作用。 2 0 世纪初，俄国的波波夫等人发明了无线电，并以无线电广播的形式迅速应用于教育 领域。无线电广播系统利用广播电台与收音机以及扩音设备相配合来收听相关教学节 目，为分散在远距离的学生提供最广泛、最廉价、最优先传播教育的系统。2 0 世纪 3 0 年代，电视机时代到来。到了5 0 年代，以电视机技术为核心的视昕教育丰富了无 线电广播，视听技术以其图文并茂、传播迅速及时等优点在全球迅速得以普及。5 0 年 代初，计算机技术出现，7 0 年代开始渗透到教育领域，并逐步发展为计算机辅助教育 c a i ( c o m p u t e r a s s i s t e di n s t r u c t i o n ) ，计算机辅助教育促进了教育信息化的发展，目前， 计算机教育正向多媒体化和网络化方向发展【2 3 】。 2 1 世纪，我们进入了后p c 时代，以单片机为核心的小型微型嵌入式系统正在社 会各个领域发挥着关键作用，嵌入式技术的发展必将给教育带来全新变革。早在1 9 9 3 年9 月，美国政府就做出一项重大决策：放弃“星球大战”和“新一代高能加速器” 计划，同时推出了一项引起全世界瞩目的高科技系统工程国家信息基础设施n i l ( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ，俗称信息高速公路i h ( i n f o r m a t i o n s u p e r - h i g h w a y ) ，实际上就是高速信息电子网络【2 3 1 。这项跨世纪的高科技信息基础工 程的目标是使用光纤和相应的软硬件及网络技术把所有的企业、机关、学校、医院、 图书馆及普通家庭连接起来，使人们拥有最好的信息环境，做到无论何时、何地都能 以最好的方式与想要联系的对象进行交流，获得自己想获得的信息。 4 山东师范大学硕1 学位论文 信息高速公路作为高速信息电子网络，是一个能给用户随时提供大量信息的、由 通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品等组成的完备网络。作为其中之一的日 用电子产品如何通过高速信息电子网络实现信息的交流，成为后p c 时代人们关注的 焦点。目前，智能小区、智能家电的出现，是日用电子产品连接网络的具体实现。 以单片机为核心的小型微型嵌入式系统必将在教育领域得到广泛应用。在有的学 校，基于单片机的无线屏幕已经开始用于天气预报、校园信息展示、课程表显示等， 管理人员可以远程控制设备，通过无线收发设备传输，方便的修改想要显示的内容； 通过单片机控制的校园监控设备，使用摄像头采集图像信息，然后实时传输给远端的 计算机，达到监控目的。 目前，高校信息资源建设正如火如荼，电子图书馆、视频点播等日渐成熟。学生 可以通过i n t e m e t 网络访问清华大学的图书馆，也可以在电脑前收看著名教授的课堂 讲授，软件信息资源的共享，使得教育极大的便利化，教育投资的效益迅速提高。 但是，共享高校硬件资源，很多人不敢去想。想使用清华大学的精密仪器进行一 项科学实验，除非身临其境，否则是不可能完成的。有了嵌入式技术的支持，这种梦 想可能实现。在精密仪器中植入小型的嵌入式芯片，就可以通过操作嵌入到单片机内 部的w e b 页面，远程实时操纵仪器，并通过单片机采集数据，传输到本地计算机，并 且用浏览器将信息图文并茂的显示，可以方便的得到实验数据。实现校园硬件设备的 共享，可以大大节省人力物力，具有极大的经济效益。 1 4 本论文所作的工作 本文通过对t c p i p 协议栈的分析，实现了单片机与i n t e m e t 网络的通信，并实现 了w e b $ e - , i w e r 具体应用。所做的工作如下： ， 1 根据需要，设计以太网接口电路，编写以太网驱动程序； 2 对t c p i p 协议进行适当裁减，以适应8 位单片机内部资源，并进行移植； 3 实现了w e b s e r v e r 。通过对h t t p 协议分析，在单片机内部实现了h t t p 协议， 并用h t m l 语占编写w e b 页面，把网页保存到单片机内部的r o m 中，通过i n t e r n e t e x p l o r e r 浏览器可以远程访问网页，并实现对系统的实时监控、操纵。 山东师范大学硕t 学位论文 第二章单片机与i n t e r n e t 网络通信的系统实现 本章从硬件和软件两个方面阐述了单片机与i n t e m e t 网络通信的实现。硬件方面， 介绍了系统的实现原理、单片机微控制芯片和网络控制芯片的选择；软件方面，给出 了系统实现的具体流程。 2 1 系统的实现原理 单片机与i n t e m e t 网络的通信，关键是在单片机内部实现t c p i p 协议。对于小型 微型单片机嵌入式系统，考虑到t c p i p 协议的复杂性和单片机自身资源的有限性， 一方面，必须对现有单片机资源进行优化配置，使其适应与i n t e r a c t 网络通信的缓存、 数据处理速度的需要；另一方面，必须对现有的t c p i p 协议进行适当裁减，因此， 必须熟知t c p i p 协议。另外，在实时性和安全性要求高的场合，在设计实现t c p 1 p 协议时还需特别加以考虑。 为此，目前，在绝大多数的设计开发中，都在系统中引入了实时操作系统r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t e s y s t e m ) 。嵌入式实时操作系统是指在确定时间内执行其功能并对 外部的异步事件做出响应的计算机系统1 6 1 。引入嵌入式实时操作系统，具有以下优势： 可以提高系统的可靠性和抗干扰性； 可以充分发挥c p u 的多任务潜力。 对于嵌入式实时操作系统，可以在a r m 等高档的微处理器为核心的嵌入式系统 实现，因为其本身内部资源相对丰富，使用嵌入式系统确实能够增加系统的执行效率。 然而，8 位单片机毕竟不是高档微处理器，其内部资源的有限性，例如：6 4 k b 的r o m 一方面要用来存储t c p i p 源代码( 一般要占据3 0 k b 的空间) ，还要由嵌入式操作系 统占据一定空间( 大于2 k b ) ，剩下的空间，对于单片机系统本身的应用就有一定限 制。因此，本方案设计开发了独立于操作系统的t c p i p 协议，完全可以满足系统的 需要。 1 8 位单片机本身资源的有限性是设计本方案的原因。单片机内部r a m 、r o m 资源有限，需要尽可能缩减代码。 2 使用独立于嵌入式实时操作系统的t c p i p 协议，代码简洁，节约开发时间。 3 目前高档单片机大都有看门狗电路和加密措旋，完全可以适应安全性和抗干 扰能力要求高的场合。 6 山东师范大学硕j 学位论文 4 单片机系统本身处理速度的限制，使得使用嵌入式实时操作系统发挥单片机 多任务能力的设想没有什么实际意义。嵌入式实时操作系统的多任务能力是通过软件 管理的，对于单片机来说，响应速度比较慢，另外，本系统的处理任务是针对于h t t p 协议的，使用单片机内部的中断系统，完全可以实现预期目标。 本论文使用高性能的8 位单片机控制以太网接口芯片，由以太网接口芯片实现物 理层及数据链路层的协议，而网络层以上的t c p i p 协议和h t t p 应用协议在单片机 内部实现，并根据实际需要，对相关协议进行适当的裁减和优化。系统独立于操作系 统，软件完全独立，具有占有资源相对较少，易于集成、可裁减等优点。 2 2 系统的硬件实现 使用高档8 位单片机控制以太网接口芯片实现与i n t e m e t 网络的通信。其中，单 片机微控制器需要实现t c p i p 和应用层协议，还要完成对嵌入式电子器件和以太网 接口芯片的控制。而以太网接口芯片除了本身实现了物理层和数据链路层协议，还要 通过r j 4 5 接口与i n t e m e t 网络进行通信。 系统的硬件实现及其与i n t e r n e 互连并实现数据通信的原理如图2 1 所示。 以 斟 集 太 盟 网 片 接线 州 机 口 器 芯 片 图2 - 1 单片机与i n t e i n e t 网络通信的原理图 2 2 1 高性能单片微控制器的选择 应尽量选择片上资源丰富、运行速度快的高性能单片机。就目前来看，高性能8 位单片机主要有a t m e l 公司的a t 8 9 、a t 9 0 系列，w i n b o n d 公司的w 7 8 e 系列， p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 系列，c y g n a t 公司的c 8 0 5 1 系列等类型的单片机。推荐选用 w i n b o n d 公司的w 7 8 e 1 6 b 单片机，它主要有以下特点t ”】： 全静念设计的8 位c m o s 微处理器，频率最高达4 0 m h z ； 7 山东师范大学硕士学位论文 6 4 k 字节并带i s p 功能的f l a s he p r o m ，用来存储应用程序( a p r o m ) 4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序( l d r o m ) ； 5 1 2 字节片内r a m ( 包括2 5 6 字节的软件可选的a u x r a m ) ； 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空间； 4 个8 位双向i o 口； 一个4 位多功能可编程口； 3 个1 6 位定时计数器： 一个全双工串行口( u 越玎) ； 8 个中断源，2 级中断能力； 内建电源管理； 代码保护机制。 2 2 2 网络接口芯片的选择 网络接口部分的核心器件是以太网控制器，其主要功能是实现嵌入式系统的网络 接入。以太网控制器按集成度可以分为两种，一种集成了m a c 层和物理层实现，常 见的有r e a l t a k 公司的r t l 8 0 1 9 、c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a 等；而另一种仅包含物 理层接口，以d a v i c o m 的d m 9 1 6 1 e 、r e a l t a k 公司的t r l 8 2 0 1 为代表。在具体应用 时，处于设计周期、难度等考虑，一般选择集成了物理层和链路层实现的以太网控制 芯片。 按接口可以分为集成了i s a 总线接口和集成了p c i 总线接口两种，对于集成了i s a 总线接口的控制器常见的有r e a l t a k 公司的r t l 8 0 1 9 、c i r r u s l o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a 等， 而常见的集成了p c i 总线接口的控制器有r e a l t a k 公司的r t l 8 3 1 9 、d a v i c o m 的 d m 9 0 0 8 等。对于8 位单片机与i n t e r n e t 网络互联，一般选择i s a 接口的网络芯片， 因为采用p c i 接口的网络芯片和单片机的连接相对复杂，需要专门的转接芯片。 综合考虑，可采用r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片。r t l 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司 生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持p n p 自动探测，内嵌1 6 k b 的s r a m ，具 有全双工的通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据，使传输带宽 从1 0 m b i t s 增加到2 0 m b i t s ，是用来进行以太网通信的理想芯片。 r t l 8 0 1 9 a s 是针对i s a 总线而设计的，用于实现网络的物理层和链路层协议，主 山东师范大学硕j 一学位论文 要包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制( m a c ) 、数据帧的拆装、帧的发 送与接收、错误校验、数据信号的编解码、数据的串并变换。 r t l 8 0 1 9 a s 具有以下主要性能【“】： 符合e t h e m e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准； 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率； 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断请求线以及1 6 个i o 基地址选择； 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测和对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极性修正； 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； 1 0 0 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 2 2 3由w 7 8 e 5 8 b 和r t l 8 0 1 9 a s 实现的以太网接口模块 由于w 7 8 e 5 8 b 单片机是8 位数据总线，它的运算速度以及处理能力与p c 机有较 大的差距，在利用它控制r t l 8 0 1 9 a s 工作时，r t l 8 0 1 9 a s 的大部分引脚不需要使用。 由w 7 8 e 5 8 b 和r t l 8 0 1 9 a s 实现的以太网接口模块电路原理如图2 2 所示。 2 3 系统的软件实现 图2 - 2 系统的硬件实现原理 单片机与i n t e r n e t 网络的通信，关键是在单片机内部实现t c p i p 协议。根据o s i 七层参考模型，物理层和数据链路层的协议由以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 实现，包 括以太网数据帧的拆装、数据帧的发送与接收、错误校验、m a c 地址解析和转换等。 网络层需要实现的协议是i p 、i c m p 协议，其中，i c m p 协议是实现网络连接测试p i n g 应用必需的，i p 协议主要为网络层的u d p 和t c p 协议服务。传输层协议由u d p 和 t c p 组成，u d p 协议是用户数据报协议，主要为上层提供无连接的、不可靠的数据传 山东师范大学硕卜学位论文 输服务，而t c p 协议是传输控制协议，它和u