MSP430上实现tcpip协议栈

TCP/IP协议栈在MSP430单片机上的实现TCP/IP协议栈在MSP430单片机上的实现引言随着信息技术的不断发展，以及人们对日常生活舒适度、方便度要求的提高，信息家电、智能仪表等产品越来越频繁的出现在我们的生活当中；人们也越来越热衷于把家电、仪表等设备连接到Internet中，从而可以方便、及时的对它们进行远程察看、远程控制。把这些设备接入Internet，就需要考虑TCP/IP网络协议的实现。MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机，其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求比较低的场合，该系列已经应用在智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。本文给出了在MSP430F149硬件平台上移植TCP/IP协议的方案，实现了终端设备到Internet的接入。嵌入式TCP/IP协议栈uIPTCP/IP是一个协议族，它是一个四层网络协议模型，分别包含应用层、传输层、网络层、网络接口层。应用层定义清晰的会话过程，平常所用的协议如HTTP、FTP、SMTP、Telnet等都属于应用层。传输层提供端对端的通信，该层协议有传输控制协议(TCP)和用户数据协议(UDP)。网络层负责数据打包和逻辑寻址，这一层的协议有IP、ICMP、ARP等协议。网络接口层负责在源和目的节点间的线路上进行无差错的传送数据，并且具有流量控制等功能。在嵌入式系统中，应用TCP/IP协议是主要为了完成数据采集和数据传输，不需要实现网页浏览、文件传输等功能，同时，MSP430芯片也没有足够的空间资源实现所有的TCP/IP协议，所以在本文的方案中，采用了UIPTCP/IP栈。它是瑞士计算机科学院的AdamDunkels等开发的一种免费公开源代码的小型TCP/IP协议栈，它专门为8位和16位MCU编写。uIP代码的大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP栈要小得多。UIP实现了TCP/IP协议组的四个基本协议：ARP(地址解析协议)，IP(网际协议)，ICMP(因特网信息控制协议)和TCP(传输控制协议)。链路层协议例如PPP等可以由UIP下面的设备驱动实现；应用层协议例如HTTP、FTP、SMTP、Telnet等可以由uIP之上的应用程序实现。ARP协议ARP协议把目标IP地址解析为相应的以太网MAC地址。当一个IP包要在以太网上发出时，先查询ARP表，找出包要发送去的MAC地址。如果在表里找不到对应的IP地址，就会广播ARP请求包，以获取给出IP地址所对应的MAC地址。目的主机收到请求包后发出一个ARP回应包，给出自己的MAC地址和IP地址。当ARP表中没有对应的地址条目时，就会发送ARP请求包时，同时该请求包会覆盖掉发出请求的IP包，以节省储存器。ARP表每十秒更新一次。IP协议UIP的IP协议主要负责验证输入包的IP头的正确性，以及在ICMP和TCP之间复用数据包。IP层没有实现数据包的分段和重组，从而代码得到极大的简化。ICMP协议ICMP中echo和echoreply信息常常用在ping程序里，以检查目的主机能否连通。在uIP只实现echo。在处理收到的echo信息时，只需要把ICMP类型字段从“echo”类型改变到“echoreply”类型，调整ICMP校验和，并互掉IP数据包头里的目的地址和源地址，把包发回到发送方。TCP为了减少储存器的使用，在UIP里，TCP不再实现发送和接收数据的窗口调整；不会缓存刚刚收到的TCP段，而是立即由应用程序处理，应用程序可以自己缓冲数据；在输出数据时，在每个连接只能有一个正在传输的TCP段。以上四个协议实现的过程中，极大的简化了代码和处理过程，节省了存储空间和缓存空间。UIP协议栈的接口UIP协议通过一系列接口函数与底层系统和上层应用通信，它内部的协议集合对外部系统来说是透明的，从而增强了该协议的通用性和独立性，可以非常方便地移植到不同系统和应用平台。图1描述了UIP、底层系统和应用程序三者之间的调用关系。其中UIP提供了三个函数给底层系统：UIP_init()，UIP_input()，UIP_periodic()。应用程序向UIP提供一个调用函数UIP_APPCALL()，在网络事件或计时事件发生时进行调用；同时，UIP也要向应用程序提供一些与协议栈的接口函数，应用程序根据接口函数提供的信息或者状态，执行相应的操作。图1UIP协议栈接口UIP应用接口UIP使用基于事件的程序模式，应用程序由C语言函数实现。当收发数据、新连接建立或者数据需要重新传输时，UIP都会调用应用程序。同时，应用程序还要周期查询是否有新的数据收发。因为应用程序只提供了一个回调函数，所以应用程序还要把不同的网络服务映射到不同的端口和连接。UIP在接受到底层传来的数据包后，如果需要送上层应用程序处理，就调用UIP_APPCALL()。同时，UIP设置结构体UIP_conn指针指向当前连接。UIP_conn记录一条TCP连接的所有相关信息，它是维持uIP运行的关键结构，定义如下：structuip_conn{u8_ttcpstateflags；PPTCP的状态和标志u16_tlport，rport；PP当地和远端端口u16_tripaddr[2]；PP远端的IP地址u8_trcv-nxt[4]；PP下一个要接收的序列号u8_tsnd-nxt[4]；PP上一个已发送的序列号u8_tack-nxt[4]；PP对端下一个应答序列号u8_ttimer；PP重传时间u8_tnrtx；PP计算特殊段的重发数量u8_tmss；PP连接中最大分段的大小u8_tappstate[UIP_APPSTATE_SIZE]；}；UIP提供给应用程序的接口函数如：uip_listen()、uip_connect()、uip_send()、uip_datalen()、uip_close()、uip_abort()、uip_stop()、uip_stopped()、uip_restart()等，实现了TCP/IP协议栈的基本功能。UIP系统接口从系统的角度来分析，UIP包含3个C函数：uip_init()，uip_input()，和uip_periodic()。uip_init()函数初始化uIP协议栈，在系统启动期间调用。其中uIP_input()和uIP_periodic()实质上都是使用uIP_process()，但它们调用的参数和使用情况不一样。当网络设备接收到新数据时调用函数uip_input()；uip_periodic()周期性运行，通常一秒调用一次。当设备驱动程序发数据包到缓存(uip_buf)时，系统应该调用uip_input()函数。函数将会处理这个包，并在需要时调用应用程序。当uip_input()返回时，会有一个输出包放在包缓存里。包的大小由全局变量uip_len约束，如果uip_len是0，说明没有数据包要发送。周期时钟函数用于驱动UIP内部时钟事件。当周期计时被激活时，uip_periodic()函数被调用。连接号作为参数传递给uip_periodic()函数。如果有数据输出，则输出的IP包放在包缓存里。下面是察看输出包的一小段代码，它调用了uip_periodic()函数。其中netdev-send()是网络驱动部分，负责将uip_buf数组的内容发出到网上。for(i=0；iUIP-CONNS；++i){uip_periodic(i)；if(uip_len0)netdev_send()；}UIP协议移植到MSP430F149基于MSP430F149的嵌入式TCP/IP网络通信系统硬件部分主要包括MSP430芯片、以太网控制器CS8900A和以太网接口，软件部分包括设备驱动程序、嵌入式TCP/IP协议栈等部分。图2方案的硬件实现硬件的实现本方案的单片机选择MSP430F149完成TCP/IP协议的解释和执行，以太网控制器芯片CS89200A实现遵循的IEEE802.3协议的CSMAPCD和CRC校验等功能，以太网隔离变压器HR601627转换电平抑制高频干扰接入以太网，最后通过RJ245接口实现终端设备接入Internet。MSP430F149是一款16位超低功耗单片机，具有强大的处理能力，RISC结构，125ns的指令周期，具有丰富的片内外设，如硬件乘法器、ADC、定时器、看门狗等。它内部具有2KB的RAM和60KB的FLASH，寻址空间达64K。它适用于工业控制领域，同样也适用于处理复杂的TCP/IP协议。CS8900A是CIRRUSLOGIC公司的一种低价格、高集成度、单芯片、全双工的以太网控制器，也是专门为嵌入式系统设计优化的以太网控制器。CS8900A有三种工作方式：IPO方式、存储器方式和DMA方式。我们选择IPO方式，以便利用8-bit数据总线，该总线连接到MSP430的IPO-port5。IOR和IOW是控制线，指示进程是否有读P写访问。UIP应用接口UIP使用基于事件的程序模式，应用程序由C语言函数实现。当收发数据、新连接建立或者数据需要重新传输时，UIP都会调用应用程序。同时，应用程序还要周期查询是否有新的数据收发。因为应用程序只提供了一个回调函数，所以应用程序还要把不同的网络服务映射到不同的端口和连接。UIP在接受到底层传来的数据包后，如果需要送上层应用程序处理，就调用UIP_APPCALL()。同时，UIP设置结构体UIP_conn指针指向当前连接。UIP_conn记录一条TCP连接的所有相关信息，它是维持uIP运行的关键结构，定义如下：structuip_conn{u8_ttcpstateflags；PPTCP的状态和标志u16_tlport，rport；PP当地和远端端口u16_tripaddr[2]；PP远端的IP地址u8_trcv-nxt[4]；PP下一个要接收的序列号u8_tsnd-nxt[4]；PP上一个已发送的序列号u8_tack-nxt[4]；PP对端下一个应答序列号u8_ttimer；PP重传时间u8_tnrtx；PP计算特殊段的重发数量u8_tmss；PP连接中最大分段的大小u8_tappstate[UIP_APPSTATE_SIZE]；}；UIP提供给应用程序的接口函数如：uip_listen()、uip_connect()、uip_send()、uip_datalen()、uip_close()、uip_abort()、uip_stop()、uip_stopped()、uip_restart()等，实现了TCP/IP协议栈的基本功能。UIP系统接口从系统的角度来分析，UIP包含3个C函数：uip_init()，uip_input()，和uip_periodic()。uip_init()函数初始化uIP协议栈，在系统启动期间调用。其中uIP_input()和uIP_periodic()实质上都是使用uIP_process()，但它们调用的参数和使用情况不一样。当网络设备接收到新数据时调用函数uip_input()；uip_periodic()周期性运行，通常一秒调用一次。当设备驱动程序发数据包到缓存(uip_buf)时，系统应该调用uip_input()函数。函数将会处理这个包，并在需要时调用应用程序。当uip_input()返回时，会有一个输出包放在包缓存里。包的大小由全局变量uip_len约束，如果uip_len是0，说明没有数据包要发送。周期时钟函数用于驱动UIP内部时钟事件。当周期计时被激活时，uip_periodic()函数被调用。连接号作为参数传递给uip_periodic()函数。如果有数据输出，则输出的IP包放在包缓存里。下面是察看输出包的一小段代码，它调用了uip_periodic()函数。其中netdev-send()是网络驱动部分，负责将uip_buf数组的内容发出到网上。for(i=0；iUIP-CONNS；++i){uip_periodic(i)；if(uip_len0)netdev_send()；}UIP协议移植到MSP430F149基于MSP4