【正文】 目 錄摘 要 1第1章 緒論 2 2 2 整體方案設(shè)計(jì) 2 3第2章 TCP/IP協(xié)議（棧）簡介 4 TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) 4 TCP/IP協(xié)議的封裝和分用 5 什么是封裝 5 什么是分用 5 以太網(wǎng)幀格式 6 TCP/IP的子協(xié)議 8 ARP協(xié)議 8 IP協(xié)議 10 ICMP網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 12 應(yīng)用層協(xié)議（HTTP協(xié)議） 16第3章 硬件實(shí)現(xiàn) 17 物理層接口實(shí)現(xiàn) 17 RTL8019AS簡介[6] 17 RTL8019AS的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 19 RTL8019AS內(nèi)部寄存器簡介 19 20 與DMA有關(guān)的寄存器 22 24 24 主要器件 24第4章 軟件實(shí)現(xiàn) 26 RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 26 RTL8019AS的初始化 26 27 報(bào)文的接收 29 TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn) 30 地址解析協(xié)議ARP的是實(shí)現(xiàn) 30 網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 32 IP包處理 32 差錯(cuò)控制報(bào)文ICMP的實(shí)現(xiàn) 35 傳輸控制協(xié)議TCP的實(shí)現(xiàn) 37 應(yīng)用層（HTTP協(xié)議）的實(shí)現(xiàn) 41 輕量級TCP/IP協(xié)議棧uIP的嵌入 41 uIP架構(gòu) 42 uIP在MCS51單片機(jī)上的調(diào)試 44結(jié) 論 49致謝 50參 考 文 獻(xiàn) 51基于MCS51單片機(jī)技術(shù)以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)摘 要現(xiàn)實(shí)生活中，許多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備已被廣泛地應(yīng)用，由于當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)的 問題，未嵌入網(wǎng)絡(luò)連接模塊，使得這些嵌入式系統(tǒng)在使用上受到限制，而添置新設(shè)備又需要很高的成本。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接入模塊解決了嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)絡(luò)的連接問題，在不改變嵌入式設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的情況下，用戶終端可以通過這個(gè)模塊將現(xiàn)有的各種串口設(shè)備快速方便地接入網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)通信等功能。本設(shè)計(jì)利用8位單片機(jī)AT89C52提供的系統(tǒng)資源和處理能力，加上ISA接口的10 Mb/s網(wǎng)卡芯片RTL8019AS，通過編寫一套精簡的協(xié)議棧，并實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到低成本、可靠連接網(wǎng)絡(luò)的目的。關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)，單片機(jī)，RTL8019AS，AT89C52第1章 緒論嵌入式系統(tǒng)是指嵌入式計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)，是指嵌入于各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要完成信號控制的功能，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、管理有關(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高的智能和性價(jià)比。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成，硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設(shè)備內(nèi)部，軟件是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。軟硬件可裁剪，適用于對功能、體積、成本、可靠性、功耗有嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最早出現(xiàn)在60年代的武器控制中，后來用于軍事指揮控制和通信系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于民用機(jī)電一體化產(chǎn)品中。隨著Internet技術(shù)的普及，信息共享的程度越來越提高。TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過Internet將通信距離無限擴(kuò)展。以太網(wǎng)使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能。這樣，除了可以充分利用PC機(jī)上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)工作外，還可以實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對于智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備集群的實(shí)現(xiàn)提供了另一種途徑。PPP協(xié)議可以通過調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供了更為靈活的控制、監(jiān)測方式。因此，基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)如何控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如何嵌入TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，這些都具有深遠(yuǎn)的意義[2]。 整體方案設(shè)計(jì)方案的主要任務(wù)是采用單片機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)接口芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，以便宜控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。在本文中最重要的是嵌入式TCP/IP協(xié)議在8位單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到了實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)接口的目的。嵌入式以太網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，接入以太網(wǎng)。將嵌入式系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議融合到一起主要有兩種方法：一種是采用帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器，即使用已有的TCP/IP芯片直接作為以太網(wǎng)口。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，執(zhí)行速度快，但往往硬件電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴、硬件成本高。另一種是采用嵌入式處理器+網(wǎng)卡芯片，即將TCP/IP協(xié)議以軟件方式嵌入到嵌入式系統(tǒng)的ROM中。一般來說，TCP/IP協(xié)議棧比較龐大，在嵌入式系統(tǒng)中很難支完整的TCP/IP協(xié)議，因此要根據(jù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的特點(diǎn)，精簡TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與需要相關(guān)的部分，大幅度減少對于系統(tǒng)資源的需求。本設(shè)計(jì)采用了第二種方式，使用通用高性能做51系統(tǒng)MCU，成本低、技術(shù)成熟，軟硬件開發(fā)周期都很短，并且設(shè)計(jì)方案靈活多變，可適用于不同的對象。本課題主要實(shí)現(xiàn)將TCP/IP協(xié)議嵌入 8位單片機(jī)中，單片機(jī)上網(wǎng)研究最多的一種方案就是用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ISA總線網(wǎng)卡或者是驅(qū)動(dòng)基于ISA總線的以太網(wǎng)(局域網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)范) 控制芯片，考慮到在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中占有主導(dǎo)地位，本文采用后者。單片機(jī)上網(wǎng)的困難在于TCP/IP協(xié)議是一組龐大的協(xié)議集，而8位單片機(jī)自身資源有限，其存儲(chǔ)容量、運(yùn)行速度和總線寬度等不能像PC機(jī)那樣通過標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件接口實(shí)現(xiàn)TCP/IP。本文將介紹利用Atmel公司的51單片機(jī)芯片AT89C52，它能夠滿足需求，而且極為常用，價(jià)格便宜，易于獲取。網(wǎng)卡芯片采用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的10Mbps ISA總線的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，嵌入T CP協(xié)議以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上網(wǎng)。第2章 TCP/IP協(xié)議（棧）簡介 TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)TCP協(xié)議和IP協(xié)議是使計(jì)算機(jī)能相互通信的一組協(xié)議中的兩個(gè)重要協(xié)議，通常就用TCP/IP來代表這一組協(xié)議。該協(xié)議是用于通信的一個(gè)規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)使用，保證Internet上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。本文采用TCP/IP的一種簡化的四層模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。 TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)層主要協(xié)議應(yīng)用層FTP 、TELNET、 SMTP、 SNTP、 HTTP傳輸層TCP、UDP網(wǎng)絡(luò)層IP、ARP、RARP、IGMP、ICMP鏈路層接口層協(xié)議鏈路層：有時(shí)也稱作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層，定義計(jì)算機(jī)怎樣連接網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)必須通過對網(wǎng)絡(luò)的連接才能傳出去，它提供物理介質(zhì)(如網(wǎng)卡芯片)與單片機(jī)的接口，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成上一層能識別的邏輯幀。網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)處理從原發(fā)送方到目的地的報(bào)文地址和路由信息，以便讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任意主機(jī)上。IP協(xié)議就是層中傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。這一層使用的主要協(xié)議還有：地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（ARP協(xié)議）、反向地址解析協(xié)議（RARP協(xié)議）、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（ICMP協(xié)議）和Internet組管理協(xié)議（IGMP協(xié)議）。傳輸層：主要為兩臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供發(fā)送端到目的端的通信。這一層的協(xié)議有兩個(gè)，基于可靠傳輸?shù)膫鬏斂刂茀f(xié)議（TCP協(xié)議）和不可靠傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。應(yīng)用層：負(fù)責(zé)對接收的數(shù)據(jù)提供解釋服務(wù)。對嵌入式系統(tǒng)來說，有兩個(gè)協(xié)議是非常重要的，即超文本協(xié)議（HTTP協(xié)議）和文件傳輸協(xié)議（FTP協(xié)議）。超文本傳輸協(xié)議用于將文件從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)，并在請求方主機(jī)上顯示文字、文件；文件傳輸協(xié)議用于將文件從一個(gè)主機(jī)傳送到另一個(gè)主機(jī)，并將文件存儲(chǔ)在發(fā)出請求的主機(jī)內(nèi)。它傳送的只是一個(gè)拷貝，不是原文件。其它的協(xié)議還有遠(yuǎn)程登錄、簡單郵件傳輸協(xié)議、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等[3]。 TCP/IP協(xié)議的封裝和分用TCP/IP協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)也采用分層實(shí)現(xiàn)的方法。在實(shí)現(xiàn)的過程中首先要了解封裝和分用的概念。 什么是封裝當(dāng)應(yīng)用程序用TCP傳送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)被送入?yún)f(xié)議棧中，然后逐個(gè)通過每一層，直到被當(dāng)作一串比特流送入網(wǎng)絡(luò)。其中每一層對收到的數(shù)據(jù)都要增加一些首部信息（有時(shí)還要增加尾部信息），這個(gè)過程稱作封裝。：app1首部數(shù)據(jù)IP首部TCP首部幀首部TCP數(shù)據(jù)IP數(shù)據(jù)以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)幀尾部TCP報(bào)文IP報(bào)文以太網(wǎng)幀 數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)f(xié)議棧時(shí)的封裝過程 什么是分用當(dāng)目的主機(jī)收到一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議棧底層向上升，同時(shí)去掉各層協(xié)議加上的報(bào)文首部。以太網(wǎng)幀要檢查首部中的幀類型字段，IP要檢查首部中的協(xié)議字段，TCP和UDP要檢查首部中的端口號來確定數(shù)據(jù)屬于哪一層，這個(gè)過程稱作分用。：ARPIPRARP以太網(wǎng)幀TCPIGMPUDPICMP應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序應(yīng)用程序根據(jù)首部中的協(xié)議值分根據(jù)首部中的幀類型分根據(jù)首部中的端口號分 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的分用過程 以太網(wǎng)幀格式各種通訊協(xié)議都有自己的報(bào)文格式，TCP/IP也不例外，它也有自己單獨(dú)的報(bào)文格式。對TCP/IP協(xié)議編程，首先要清楚其報(bào)文格式。由于TCP/IP協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，各層都有專用的包頭，下面先介紹以太網(wǎng)的物理幀格式，TCP/。以太網(wǎng)協(xié)議不止一種，物理信道上的收發(fā)操作均使用此協(xié)議的幀格式。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀由前導(dǎo)列PR、分隔位SD、目的地址DA、源地址SA、類型字段Type、數(shù)據(jù)段Data、填充位PAD和幀校驗(yàn)序列FCS共8部分組成。 PRSDDASATypeDataPADFCS56位8位48位48位16位46~1500字節(jié)DATA小于46字節(jié)時(shí)補(bǔ)032位PR：同步位，用于收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步，同時(shí)也指明了傳輸?shù)乃俾剩?0M和100M的時(shí)鐘頻率不一樣，所以100M網(wǎng)卡可以兼容10M網(wǎng)卡），是56位的二進(jìn)制數(shù)101010101010....。 SD：分隔位，表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù)，而不是同步時(shí)鐘，為8位的10101011，跟同步位不同的是最后2位是11而不是10。 DA：目的地址，以太網(wǎng)的地址為48位(6個(gè)字節(jié))二進(jìn)制地址，表明該幀傳輸給哪個(gè)網(wǎng)卡。如果為FFFFFFFFFFFF，則是廣播地址，廣播地址的數(shù)據(jù)可以被任何網(wǎng)卡接收到。 SA：源地址，48位，表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個(gè)網(wǎng)卡發(fā)的,即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址，同樣是6個(gè)字節(jié)。 TYPE：類型字段，表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)，不同的協(xié)議的類型字段不同。如：0800H 表示數(shù)據(jù)為IP包，0806H 表示數(shù)據(jù)為ARP包，814CH是SNMP包，8137H為IPX/SPX包，（小于0600H的值是用于IEEE802的，表示數(shù)據(jù)包的長度。） DATA：數(shù)據(jù)段 ，該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。因?yàn)橐蕴W(wǎng)規(guī)定整個(gè)傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)。（14字節(jié)為DA，SA，TYPE） PAD：填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60字節(jié)，除去（DA，SA，TYPE 14字節(jié)），還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時(shí)，后面補(bǔ)000000......(當(dāng)然也可以補(bǔ)其它值) FCS：,該校驗(yàn)由網(wǎng)卡自動(dòng)計(jì)算，自動(dòng)生成，自動(dòng)校驗(yàn)，自動(dòng)在數(shù)據(jù)段后面填入。對于數(shù)據(jù)的校驗(yàn)算法，我們無需了解。數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)，除了數(shù)據(jù)段的長度不定以外，其他部分的長度固定不變。數(shù)據(jù)段為46~1500字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定整個(gè)傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)（14字節(jié)為DA、SA、Type），最小不能小于60字節(jié)。除去DA、SA和Type共14字節(jié)以外，還最少必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時(shí)需填充，填充字符的個(gè)數(shù)不包括在長度字段里，超過1500字節(jié)，需要拆成多個(gè)幀傳送。事實(shí)上，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PR、SD、FCS及填充字段這幾個(gè)數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器自動(dòng)產(chǎn)生；而接收數(shù)據(jù)時(shí)，PR、SD被跳過，它們只被控制器檢測，而不被作為接收數(shù)據(jù)接收，控制器一旦檢測到有效的前序字段（即PR和SD），就認(rèn)為接收數(shù)據(jù)開始。 TCP/IP的子協(xié)議 ARP協(xié)議ARP是Address Resolution Protocol的縮寫，中文譯作“地址解析協(xié)議”。本質(zhì)是完成網(wǎng)絡(luò)地址到物理地址的映射。從概念上講就是找到一個(gè)映射方法f，使得“物理地=f（網(wǎng)絡(luò)地址）”。 物理地址有兩種基本類型：以太網(wǎng)類型和ProNET令牌網(wǎng)類型，前者有大型的固定的物理地址，后者有小型的易于配置的物理地址，網(wǎng)絡(luò)地址特指IP地址。 地址解析協(xié)議ARP是IP能夠獲得與某個(gè)給定IP地址相關(guān)的主機(jī)物理地址。ARP的功能分為兩部分：一部分在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)請求獲得目的主機(jī)的物理地址；另一部分向請求物理地址的主機(jī)發(fā)送解析結(jié)果。 地址解析原理：當(dāng)主機(jī)A需要向同一物理網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)B發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，主機(jī)A的IP層要將IP數(shù)據(jù)報(bào)傳給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行幀封裝， 封裝時(shí)要求給出目的主機(jī)的物理地址。因此，IP層發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)通常將產(chǎn)生以下事件：（1） IP調(diào)用ARP，請求IP地址為IB的目的主機(jī)B的物理地址為PA。（2） ARP創(chuàng)建一個(gè)ARP請求幀，請求IP地址IB對應(yīng)的物理地址。ARP請求將包括如下信息：l 請求主機(jī)的物理地址PA；l 請求主機(jī)的IP地址IA；l 目的主機(jī)的IP地址IB。（3） 主機(jī)A在本地網(wǎng)絡(luò)中廣播ARP請求幀，請求幀的目的地址為廣播地址（全為“1” ）。（4） 該網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)都能接收ARP請求幀，并將該幀中的目的地址IP地址IB和自己的IP地址進(jìn)行比較。其地址IB不匹配的主機(jī)將忽略這個(gè)幀。（5） 如果主機(jī)發(fā)現(xiàn)請求中的目的主機(jī)IP地址IB與自己的IP地址相同，就產(chǎn)生一個(gè)包含其物理地址PB的ARP應(yīng)答幀。 （6） ARP應(yīng)答幀直接發(fā)回給發(fā)送ARP請求的主機(jī)A（ARP應(yīng)答幀不以廣播方式發(fā)送）。ARP應(yīng)答幀包含以下信息：l 應(yīng)答主機(jī)的物理地址PB；l 應(yīng)答主機(jī)的IP地址IB；l