一 引言
　　近幾年來，人們對連接各種裝置到一個現(xiàn)有的IP網絡例如因特網上產生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網通訊，一個可實現(xiàn)的TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧是必須的。對于由32位嵌入式處理器構建的中、高端網絡接入嵌入式系統(tǒng)中，通常會運行一個集成有TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。但是對于由8位和16位低端處理器構建的系統(tǒng)，由于其所具有的處理能力和資源十分有限，通常不運行操作系統(tǒng)，這就要求系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)應用的要求以及所選用的處理器的實際情況構建自己的TCP/IP協(xié)議棧。而TCP/IP協(xié)議的透明性掩蓋了其實現(xiàn)的復雜性，從無到有構建一個協(xié)議棧是一件艱巨的任務，并且缺少有效的調試工具。uIP TCP/IP協(xié)議棧是使用于低端8位或16位微處理器構建的嵌入式系統(tǒng)的一個可實現(xiàn)的極小的TCP/IP協(xié)議棧。它可以自由分發(fā)和使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP使用C語言編寫，使其方便于移植。并且uIP協(xié)議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小，這就使得它可以方便的應用到各種低端系統(tǒng)上。本文將簡要描述uIP的實現(xiàn)方法，分析uIP協(xié)議棧的應用接口，并討論如何將其應用到51系列單片機" title="系列單片機">系列單片機上。
二 uIP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法簡述
　　uIP實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網際互聯(lián)協(xié)議， ICMP網絡控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位16位處理器上應用，uIP協(xié)議棧在各層協(xié)議實現(xiàn)時采用有針對性的方法，保持代碼大小和存儲器使用量最小。
　　1 實現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時為了節(jié)省存儲器，ARP應答包直接覆蓋ARP請求包。
　　2 實現(xiàn)IP網絡協(xié)議時對原協(xié)議進行了極大的簡化，它沒有實現(xiàn)分片和重組。
　　3 實現(xiàn)ICMP網絡控制報文協(xié)議時，只實現(xiàn)echo（回響）服務。uIP在生成回響報文時并不重新分配存儲器空間，而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型，重新計算校驗和修改校驗和字段。
　　4 uIP里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口。每個TCP連接的狀態(tài)由uip_conn結構保存，uip_conn結構包括當?shù)睾瓦h端的TCP端口編號，遠程主機的IP地址，重發(fā)時間值，上一段重發(fā)的編號，和連接的段的最大尺寸等信息。一個uip_conn結構數(shù)組用于保存所有的連接，數(shù)組的大小為支持的同時連接的最大數(shù)量。為了減少儲存器的使用量，在處理重發(fā)時uIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包，而是由應用程序" title="應用程序">應用程序在需要重發(fā)時重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。
三 uIP協(xié)議棧的接口
　　uIP協(xié)議棧為了具有最大的通用性，在實現(xiàn)時將底層硬件驅動和頂層應用層之外的所有協(xié)議集“打包“在一個“庫“里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應用“通信“。通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨立性，移植到不同系統(tǒng)和實現(xiàn)不同的應用都很方便，很好的體現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議平臺無關性的特點。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應用程序之間的接口關系如圖（一）所示：


　　1 uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口
　　uIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設備驅動" title="設備驅動">設備驅動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類。
　　1.1 uIP與設備驅動接口
　　uIP通過函數(shù)uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實現(xiàn)與設備驅動的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，為了減少存儲器的使用，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包使用相同的緩沖區(qū)。uip_len表明接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當設備驅動接收到一個IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應該調用uip_input（）函數(shù)。uip_input（）函數(shù)是uIP協(xié)議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當uip_input（）返回，若有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則發(fā)送數(shù)據(jù)包放在包緩沖區(qū)里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0，沒有包要發(fā)送;如果uip_len大于0則調用網絡設備驅動發(fā)送數(shù)據(jù)包。
　　1.2 uIP與系統(tǒng)計時接口
　　TCP/IP協(xié)議要處理許多定時事件" title="定時事件">定時事件，例如包重發(fā)、ARP表項更新。系統(tǒng)計時用于為所有uIP內部時鐘事件計時。當周期計時激發(fā)，每一個TCP連接應該調用uIP函數(shù)uip_periodic（）。TCP連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。uip_periodic（）函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)，如果需要重發(fā)則將重發(fā)數(shù)據(jù)放到包緩沖區(qū)（uip_buf）中并修改uip_len的值。當uip_periodic（）函數(shù)返回后，應該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到到網絡上。
　　ARP協(xié)議對于構建在以太網上的TCP/IP協(xié)議是必須的，但對于構建與其他網絡接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結構化的目的，uIP將ARP協(xié)議作為一個可添加的模塊單獨實現(xiàn)。因此，ARP表項的定時更新要單獨處理。系統(tǒng)定時器對ARP表的更新進行定時，定時時間到則調用uip_arp_timer（）函數(shù)對過期表項進行清除。
　　2 uIP協(xié)議棧與應用程序的接口
　　應用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)，uIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調用。用戶需將應用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應用程序的接口函數(shù)按功能描述如下：
　　2.1 接收數(shù)據(jù)接口：應用程序利用uip_newdata（）函數(shù)檢測是否有新數(shù)據(jù)到達。全局變量uip_appdata指針指向實際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的大小通過uip_datalen（）函數(shù)獲得。
　　2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)接口：應用程序通過使用uIP函數(shù)uip_send（）發(fā)送數(shù)據(jù)。uip_send（）函數(shù)采用兩個參數(shù);一個指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址，另一個指明數(shù)據(jù)的長度。
　　2.3 重發(fā)數(shù)據(jù)接口：應用程序通過測試函數(shù)uip_rexmit（）來判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)，如果需要重發(fā)則調用uip_send（）函數(shù)重發(fā)數(shù)據(jù)包。
　　2.4 關閉連接接口：應用程序通過調用uip_close（）函數(shù)關閉當前連接。
　　2.5 報告錯誤接口：uIP提供錯誤報告函數(shù)檢測連接中出現(xiàn)的錯誤。應用程序可以使用兩個測試函數(shù)uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯誤情況。
　　2.6 輪詢接口：當連接空閑時，uIP會周期性地輪詢應用程序，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。應用程序使用測試函數(shù)uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。
　　2.7 監(jiān)聽端口接口：uIP維持一個監(jiān)聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數(shù)，一個新的監(jiān)聽端口打開并添加到監(jiān)聽列表中。當在一個監(jiān)聽端口上接收到一個新的連接請求時，uIP產生一個新的連接和調用該端口對應的應用程序。
　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數(shù)打開一個新連接。這個函數(shù)打開一個新連接到指定的IP地址和端口，返回一個新連接的指針到uip_conn結構。如果沒有空余的連接槽，函數(shù)返回空值。
　　2.9 數(shù)據(jù)流控制接口：uIP提供函數(shù)uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數(shù)據(jù)流控制。應用程序可以通過函數(shù)uip_stop（）停止遠程主機發(fā)送數(shù)據(jù)。當應用程序準備好接收更多數(shù)據(jù)，調用函數(shù)uip_restart（）通知遠程終端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。函數(shù)uip_stopped（）可以用于檢查當前連接是否停止。
四 uIP在51系列單片機上的應用
　　51系列單片機具有悠久的歷史和廣泛的應用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內核的8位單片機，被應用在各個領域內。因此使用uIP這種免費的TCP/IP協(xié)議棧解決由51內核的單片機構建的低端嵌入式設備的網絡接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協(xié)議棧在51單片機上實現(xiàn)簡單的WEB SERVER，遠端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機系統(tǒng)上的WEB頁面。


　　硬件平臺結構如圖（二）所示：其中單片機選用PHILIPS公司的P89C51RD2，64K字節(jié)的串行EEPROM可以用于存儲WEB頁面。采用ISA接口的以太網接口芯片RTL8019AS連接到以太網上。通過MAX232實現(xiàn)與PC機的串行連接，可以顯示調試信息。
　　uIP協(xié)議棧是以函數(shù)庫的形式提供的，本身不提供底層網絡驅動和上層應用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加以下幾個模塊：底層RTL8019AS網卡芯片的驅動、應用層基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER的實現(xiàn)、系統(tǒng)定時器。
　　RTL8019AS的驅動主要包括三部分：init_8019as（）函數(shù)完成網卡芯片的上電初始化，包括設定網卡物理地址，設定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等;eth_send（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送;eth_rcve（）函數(shù)完成以太網數(shù)據(jù)的接收。底層網絡設備驅動程序與uIP協(xié)議棧通過兩個全局變量進行接口：變量uip_buf為收發(fā)緩沖區(qū)的首地址;uip_len為收發(fā)的數(shù)據(jù)長度。eth_send（）函數(shù)將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲到uip_buf指定的緩沖區(qū)中，同時修改uip_len的值。
　　uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協(xié)議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡單的文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲器中存儲靜態(tài)頁面，同時具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應用程序的接口函數(shù)說明實現(xiàn)自己的應用層功能。用戶的應用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序為httpd（）函數(shù)，則要進行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd。
　　51系列單片機上都有2到3個定時計數(shù)器，可以選擇其中的一個來為TCP/IP協(xié)議中與時間有關的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括：為uip_periodic（）函數(shù)的執(zhí)行提供基準，還要為ARP表項的更新定時。uip_periodic（）函數(shù)每0.5秒執(zhí)行一次，ARP表項每10秒更新一次。
　　uIP的設置單獨包含在一個叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應根據(jù)自己的應用在uipopt.h文件里設置本地的物理地址、IP地址、網關地址、收發(fā)緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、ARP表大小等等選項。
　　添加了必須的模塊，對uIP進行了正確地配置后，需要編寫主程序函數(shù)。針對基于以太網的WEB SERVER應用，主程序在完成初始化后將不停的進行查詢，如果有新數(shù)據(jù)包到達則送uip_input（）函數(shù)處理;如果沒有新數(shù)據(jù)包到達則處理定時事件。框架代碼如下所示：
　　void main（void） //主程序開始
　　｛ …… //省略部分代碼
　　timer0_init（）; //定時器初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　serial_init（）; //串口初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　init_8019（）; //網卡芯片初始化函數(shù)由開發(fā)者完成
　　uip_init（）; //uIP協(xié)議棧初始化函數(shù)由uIP協(xié)議棧提供
　　httpd_init（）; //HTTP應用程序初始化函數(shù)由WEB SERVER示例程序提供
　　uip_arp_init（）;//ARP協(xié)議初始化函數(shù)由ARP模塊提供
　　while（1）
　　｛ uip_len = eth_rcve（）; //查詢網卡是否有數(shù)據(jù)到來
　　if（uip_len == 0） //如果沒有數(shù)據(jù)到來則處理定時事件
　　｛ if（0.5秒定時時間到）
　　｛ for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS為TCP連接數(shù)
　　｛ uip_periodic（i）; //處理每一個TCP連接
　　if（uip_len > 0） //說明本連接有數(shù)據(jù)要發(fā)送或重發(fā)
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP處理部分添加以太網幀頭
　　eth_send（）; //由網卡驅動程序發(fā)送
　　｝
　　｝//對應于：for（）
　　｝// 對應于：if（0.5秒定時時間到）
　　if（ARP表項更新時間到）
　　uip_arp_timer（）; //進行ARP表項更新
　　｝else if（uip_len > 0） //說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　　｛ if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP數(shù)據(jù)包
　　｛ uip_arp_ipin（）; //送ARP模塊進行表項更新
　　uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太網幀頭
　　uip_input（）; //送uip_input（）進行處理
　　if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不為零說明有數(shù)據(jù)要回送
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太網幀頭
　　eth_send（）; //送交網卡驅動發(fā)送
　　｝//對應于：if（）收到IP數(shù)據(jù)包
　　｝else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包
　　｛ uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）處理，如果為應答包則進行表項
　　//更新
　　//如果為請求包，則構造應答數(shù)據(jù)包
　　if（uip_len > 0） //說明收到的是ARP請求包，需要回送ARP應答包
　　eth_send（）; //送網卡驅動發(fā)送
　　｝//對應于：else if（）收到ARP數(shù)據(jù)包
　　｝//對應于：else if（） 說明接收到新的數(shù)據(jù)包
　　｝｝
　　以上實例在keil C51編譯器下設置大模式，優(yōu)化等級6（速度優(yōu)先）進行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達進行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺上運行良好。
五 總結
　　uIP協(xié)議棧采用有效的方法和結構化的代碼，使其存儲器占用量很小并且可以很方便的應用到不同的工程項目中。同時它又是免費的可以自由使用于商業(yè)和非商業(yè)目的。uIP為低端嵌入式設備的網絡接入提供了很好的解決方案，具有很高的應用價值。
參考文獻
　　[ 1 ] DOUGLAS E. COMER著， 用TCP/IP進行網際互連（卷一、卷二） 電子工業(yè)出版社， 2000
　　[ 2 ] JEREMY BENTHAM著， 嵌入式系統(tǒng)Web服務器——TCP/IP Lean 機械工業(yè)出版社， 2003
　　[ 3 ] uIP協(xié)議棧網絡站點 http://dunkels.com/adam/uip/
　　[ 4 ] REALTEK公司. RTL8019AS Datasheet， 2000