目前，隨著互聯網的發展，越來越多的工業測控設備已經將網絡接入功能作為其默認配置，以實現設備的遠程監控和信息分布式處理。筆者曾參與某發電機射頻監測儀的開發，該設備主要用于診斷和預警發電機早期故障，并通過RS232接口定時輸出電平和狀態數據，現場專門設一臺PC作接收、顯示及存儲。每年都要有專家到各發電廠對以往數據作檢查和診斷，不勝其煩。因此有必要設計一個RS232到Internet的數據傳輸模塊，以便對發電機的運行狀況作遠程監測。設計該模塊的關鍵在于如何實現一個嵌入式TCP/IP協議棧，根據以往的經驗，自己設計一個協議棧的難度很可能超過應用本身，而采用商業的協議棧似乎又無必要（功能過于復雜），筆者選用一種功能簡易的免費TCP/IP協議棧uIP 0.9作為設計核心。

1 嵌入式TCP/IP協議棧

目前，市場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。目前較為的免費協議棧有：

lwIP(Light weight TCP/IP Stack)——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/IP stack for uC/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Adam Dunkels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。

表1 uIP在ATMEL AVR上代碼和RAM占用情況

協議模塊 代碼大小/B 使用的RAM/B 
ARP 1324 118 
IP/ICMP/TCP 3304 360 
HTTP 994 110 
校驗和函數 636 0 
數據包緩存 0 400 
總和 6258 988 

注：配置為1個TCP聽端口，10個連接，10個ARP表項，400字節數據包緩存。

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。

2 uIP0.9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，以具有媒體無關性。

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。

3 uIP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()。當設置驅動程序從網絡層收到的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入到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表示或發出ARP請求和回應，示例如下：

#define BUF((struct uip_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(); //去除以太網頭結結，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）

}

}else if(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_periodie（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;i
uip_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(u8t flag)，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。

4 uIP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。

#define UIP_APPCALL uip51_appcall

#define UIP_APPSTATE_SIZE sizeof(struct uip51app_state)

struct uip51app_state{

unsigned char * dataptr;

unsigned int dataleft;

};

void uip51_initapp{ //設置主機地址

u16_t ipaddr[2];

uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192);

uip_sethostaddr(ipaddr);

uip_listen(HTTP_PORT); //HTTP WEB PORT（80）；

}

void uip51_appcall(void){

struct uip51app_state *s;

s=(struct uip51lapp_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_newdat()||uip_rexmit()){ //收到新數據或需要重發

if(uip_datalen()>0){

if(uip_conn->lport==80){ //收到GET HTTP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>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;}

}

5 uIP0.9在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，目前已獲得初步成功。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個這時器/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，開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“GET HTTP……”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的段長（MSS），因此在uIP內核次實際只發出了MSS個字節，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，一旦瀏覽器用戶占擊了按鈕，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。

6 測試結果

將uIP0.9配置成允許4個并發連接，1個監聽端，10端個ARP表項，去掉UDP支持，UIP_ZBUFSIZE=1500和其它優化選項。用KEIL C編譯，整個uIP0.9內核模式代碼量小于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式的傳輸速度，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。