uIP TCP/IP协议栈在51系列单片机上的应用

uIP 协议栈是一种免费的可实现的极小的TCP/IP协议栈，可以使用于由8位或16位微处理器构建的嵌入式系统。本文分析了uIP协议栈的结构和应用接口，并讨论了如何将其应用到51系列单片机上。
关键字：TCP/IP 单片机   嵌入式系统

一 引言

近几年来，人们对连接各种装置到一个现有的IP网络例如因特网上产生了浓厚的兴趣。为了可以通过因特网通讯，一个可实现的TCP/IP协议栈是必须的。对于由32位嵌入式处理器构建的中、高端网络接入嵌入式系统中，通常会运行一个集成有TCP/IP协议栈的操作系统。但是对于由8位和16位低端处理器构建的系统，由于其所具有的处理能力和资源十分有限，通常不运行操作系统，这就要求系统开发者根据应用的要求以及所选用的处理器的实际情况构建自己的TCP/IP协议栈。而TCP/IP协议的透明性掩盖了其实现的复杂性，从无到有构建一个协议栈是一件艰巨的任务，并且缺少有效的调试工具。uIPTCP/IP协议栈是使用于低端8位或16位微处理器构建的嵌入式系统的一个可实现的极小的TCP/IP协议栈。它可以自由分发和使用于商业和非商业目的。uIP使用C语言编写，使其方便于移植。并且uIP协议栈的代码大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP栈要小，这就使得它可以方便的应用到各种低端系统上。本文将简要描述uIP的实现方法，分析uIP协议栈的应用接口，并讨论如何将其应用到51系列单片机上。

二 uIP协议栈的实现方法简述

uIP实现了TCP/IP协议集的四个基本协议：ARP地址解析协议，IP网际互联协议，ICMP网络控制报文协议和TCP传输控制协议。为了在8位16位处理器上应用，uIP协议栈在各层协议实现时采用有针对性的方法，保持代码大小和存储器使用量最小。

1 实现ARP地址解析协议时为了节省存储器，ARP应答包直接覆盖ARP请求包。

2 实现IP网络协议时对原协议进行了极大的简化，它没有实现分片和重组。

3 实现ICMP网络控制报文协议时，只实现echo（回响）服务。uIP在生成回响报文时并不重新分配存储器空间，而是直接修改echo请求报文来生成回响报文。将ICMP类型字段从“echo”类型改变成“echoreply”类型，重新计算校验和修改校验和字段。

4 uIP里的TCP没有实现发送和接收数据的滑动窗口。每个TCP连接的状态由uip_conn结构保存，uip_conn结构包括当地和远端的TCP端口编号，远程主机的IP地址，重发时间值，上一段重发的编号，和连接的段的最大尺寸等信息。一个uip_conn结构数组用于保存所有的连接，数组的大小为支持的同时连接的最大数量。为了减少储存器的使用量，在处理重发时uIP并不缓存发送的数据包，而是由应用程序在需要重发时重新生成发送的数据。

三 uIP协议栈的接口

uIP协议栈为了具有最大的通用性，在实现时将底层硬件驱动和顶层应用层之外的所有协议集“打包“在一个“库“里。协议栈通过接口与底层硬件和顶层应用“通信“。通过这种方式，uIP具有极高的通用性和独立性，移植到不同系统和实现不同的应用都很方便，很好的体现了TCP/IP协议平台无关性的特点。uIP协议栈与系统底层和应用程序之间的接口关系如图（一）所示：

 

1uIP协议栈与系统底层的接口

uIP与系统底层的接口包括与设备驱动的接口和与系统定时器的接口两类。

1.1 uIP与设备驱动接口

uIP通过函数uip_input（）和全局变量uip_buf、uip_len来实现与设备驱动的接口。uip_buf用于存放接收到的和要发送的数据包，为了减少存储器的使用，接收数据包和发送数据包使用相同的缓冲区。uip_len表明接收发送缓冲区里的数据长度，通过判断uip_len的值是否为0来判断是否接收到新的数据，是否有数据要发送。当设备驱动接收到一个IP包并放到输入包缓存里（uip_buf）后，应该调用uip_input（）函数。uip_input（）函数是uIP协议栈的底层入口，由它处理收到的IP包。当uip_input（）返回，若有数据要发送，则发送数据包放在包缓冲区里。包的大小由全局变量uip_len指明。如果uip_len是0，没有包要发送;如果uip_len大于0则调用网络设备驱动发送数据包。

1.2 uIP与系统计时接口

TCP/IP协议要处理许多定时事件，例如包重发、ARP表项更新。系统计时用于为所有uIP内部时钟事件计时。当周期计时激发，每一个TCP连接应该调用uIP函数uip_periodic（）。TCP连接编号作为参数传递给uip_periodic（）函数。uip_periodic（）函数检查参数指定的连接的状态，如果需要重发则将重发数据放到包缓冲区（uip_buf）中并修改uip_len的值。当uip_periodic（）函数返回后，应该检查uip_len的值，若不为0则将uip_buf缓冲区中的数据包发送到到网络上。

ARP协议对于构建在以太网上的TCP/IP协议是必须的，但对于构建与其他网络接口（例如：串行链路）上的TCP/IP则不是必需的。为了结构化的目的，uIP将ARP协议作为一个可添加的模块单独实现。因此，ARP表项的定时更新要单独处理。系统定时器对ARP表的更新进行定时，定时时间到则调用uip_arp_timer（）函数对过期表项进行清除。

2 uIP协议栈与应用程序的接口

应用程序作为单独的模块由用户实现，uIP协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用。用户需将应用层入口程序作为接口提供给uIP协议栈，定义为宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底层传来的数据包后，若需要送上层应用程序处理，它就调用UIP_APPCALL（）。uIP提供给应用程序的接口函数按功能描述如下：

2.1 接收数据接口：应用程序利用uip_newdata（）函数检测是否有新数据到达。全局变量uip_appdata指针指向实际数据。数据的大小通过uip_datalen（）函数获得。

2.2 发送数据接口：应用程序通过使用uIP函数uip_send（）发送数据。uip_send（）函数采用两个参数;一个指针指向发送数据起始地址，另一个指明数据的长度。

2.3 重发数据接口：应用程序通过测试函数uip_rexmit（）来判断是否需要重发数据，如果需要重发则调用uip_send（）函数重发数据包。

2.4 关闭连接接口：应用程序通过调用uip_close（）函数关闭当前连接。

2.5 报告错误接口：uIP提供错误报告函数检测连接中出现的错误。应用程序可以使用两个测试函数uip_aborted（）和uip_timedout（）去测试那些错误情况。

2.6 轮询接口：当连接空闲时，uIP会周期性地轮询应用程序，判断是否有数据要发送。应用程序使用测试函数uip_poll（）去检查它是否被轮询过。

2.7 监听端口接口：uIP维持一个监听知名TCP端口的列表。通过uip_listen（）函数，一个新的监听端口打开并添加到监听列表中。当在一个监听端口上接收到一个新的连接请求时，uIP产生一个新的连接和调用该端口对应的应用程序。

2.8 打开连接接口：在uIP里面通过使用uip_connect（）函数打开一个新连接。这个函数打开一个新连接到指定的IP地址和端口，返回一个新连接的指针到uip_conn结构。如果没有空余的连接槽，函数返回空值。

2.9 数据流控制接口：uIP提供函数uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP连接的数据流控制。应用程序可以通过函数uip_stop（）停止远程主机发送数据。当应用程序准备好接收更多数据，调用函数uip_restart（）通知远程终端再次发送数据。函数uip_stopped（）可以用于检查当前连接是否停止。

四 uIP在51系列单片机上的应用

51系列单片机具有悠久的历史和广泛的应用，许多公司推出了具有更高的处理速度的51内核的8位单片机，被应用在各个领域内。因此使用uIP这种免费的TCP/IP协议栈解决由51内核的单片机构建的低端嵌入式设备的网络接入问题具有一定的代表性。下面将讨论利用uIP协议栈在51单片机上实现简单的WEBSERVER，远端用户可以通过浏览器访问存储在单片机系统上的WEB页面。

 

硬件平台结构如图（二）所示：其中单片机选用PHILIPS公司的P89C51RD2，64K字节的串行EEPROM可以用于存储WEB页面。采用ISA接口的以太网接口芯片RTL8019AS连接到以太网上。通过MAX232实现与PC机的串行连接，可以显示调试信息。

uIP协议栈是以函数库的形式提供的，本身不提供底层网络驱动和上层应用程序。因此为了完成指定的功能，开发者必须添加以下几个模块：底层RTL8019AS网卡芯片的驱动、应用层基于HTTP协议的WEBSERVER的实现、系统定时器。

RTL8019AS的驱动主要包括三部分：init_8019as（）函数完成网卡芯片的上电初始化，包括设定网卡物理地址，设定收发缓冲区位置和大小等;eth_send（）函数完成数据的发送;eth_rcve（）函数完成以太网数据的接收。底层网络设备驱动程序与uIP协议栈通过两个全局变量进行接口：变量uip_buf为收发缓冲区的首地址;uip_len为收发的数据长度。eth_send（）函数将uip_buf里的uip_len长度的数据发送到以太网上。eth_rcve（）函数将接收到的数据存储到uip_buf指定的缓冲区中，同时修改uip_len的值。

uIP提供的源代码中包括一个基于HTTP协议的WEBSERVER示例，该WEBSERVER通过简单的文件系统在数据存储器中存储静态页面，同时具有CGI功能。用户可以参照该示例以及uIP提供给应用程序的接口函数说明实现自己的应用层功能。用户的应用程序中必须将UIP_APPCALL宏定义为该层的服务程序。例如：在示例程序中WEBSERVER的处理程序为httpd（）函数，则要进行如下的宏定义#defineUIP_APPCALLhttpd。

51系列单片机上都有2到3个定时计数器，可以选择其中的一个来为TCP/IP协议中与时间有关的事件定时。需要由用户处理的定时事件包括：为uip_periodic（）函数的执行提供基准，还要为ARP表项的更新定时。uip_periodic（）函数每0.5秒执行一次，ARP表项每10秒更新一次。

uIP的设置单独包含在一个叫uipopt.h的头文件里，都是以宏的形式定义方便于修改。用户应根据自己的应用在uipopt.h文件里设置本地的物理地址、IP地址、网关地址、收发缓冲区的大小、支持的最大连接数、ARP表大小等等选项。

添加了必须的模块，对uIP进行了正确地配置后，需要编写主程序函数。针对基于以太网的WEBSERVER应用，主程序在完成初始化后将不停的进行查询，如果有新数据包到达则送uip_input（）函数处理;如果没有新数据包到达则处理定时事件。框架代码如下所示：

void main（void） //主程序开始｛ …… //省略部分代码timer0_init（）; //定时器初始化函数由开发者完成serial_init（）; //串口初始化函数由开发者完成init_8019（）; //网卡芯片初始化函数由开发者完成uip_init（）; //uIP协议栈初始化函数由uIP协议栈提供httpd_init（）; //HTTP应用程序初始化函数由WEB SERVER示例程序提供uip_arp_init（）;//ARP协议初始化函数由ARP模块提供while（1）｛ uip_len = eth_rcve（）; //查询网卡是否有数据到来if（uip_len == 0） //如果没有数据到来则处理定时事件｛ if（0.5秒定时时间到）｛ for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS为TCP连接数｛ uip_periodic（i）; //处理每一个TCP连接if（uip_len > 0） //说明本连接有数据要发送或重发｛ uip_arp_out（）; //由ARP处理部分添加以太网帧头eth_send（）; //由网卡驱动程序发送｝｝//对应于：for（）｝// 对应于：if（0.5秒定时时间到）if（ARP表项更新时间到）uip_arp_timer（）; //进行ARP表项更新｝else if（uip_len > 0） //说明接收到新的数据包｛ if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP数据包｛ uip_arp_ipin（）; //送ARP模块进行表项更新uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太网帧头uip_input（）; //送uip_input（）进行处理if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不为零说明有数据要回送｛ uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太网帧头eth_send（）; //送交网卡驱动发送｝//对应于：if（）收到IP数据包｝else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包｛ uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）处理，如果为应答包则进行表项//更新//如果为请求包，则构造应答数据包if（uip_len > 0） //说明收到的是ARP请求包，需要回送ARP应答包eth_send（）; //送网卡驱动发送｝//对应于：else if（）收到ARP数据包｝//对应于：else if（） 说明接收到新的数据包｝｝

以上实例在keilC51编译器下设置大模式，优化等级6（速度优先）进行编译，对uIP代码部分可以不做任何修改，对HTTP示例代码仅需针对类型表达进行极少量的修改即可编译通过。在硬件平台上运行良好。

五 总结

uIP协议栈采用有效的方法和结构化的代码，使其存储器占用量很小并且可以很方便的应用到不同的工程项目中。同时它又是免费的可以自由使用于商业和非商业目的。uIP为低端嵌入式设备的网络接入提供了很好的解决方案，具有很高的应用价值。