毕业设计(论文)-基于单片机的TCP IP技术研究及应用.doc
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1、 基于单片机的 TCP/IP 技术研究及应用 摘摘 要要 今天,嵌入式 Internet 的应用己经深入到日常生活的各个方面。研究嵌入 式 TCP/IP 协议在内部资源有限微处理器上的实现,具有重要的现实意义和经济 价值。 论文首先介绍了嵌入式系统的组成及对嵌入式 Internet 产生。通过对现有 的嵌入 Internet 及比较了目前几种单片机接入 Internet 实现方案的前提下, 应用了一种基于单片自身特点的具体的解决方案:嵌入式 TCP/IP 协议。通过对 TCP/IP 网络协议的深入分析,对 TCP/IP 协议进行合理的简化,将其嵌入到内 部资源有限的微处理器中,实现以电子邮件方
2、式进行远程数据传输。 关键字:嵌入式;TCP/IP;单片机 I ABSTRACT Today, embedded Internet application already deeply into all aspects of daily life. Research embedded TCP/IP protocol internal resources are limited in the realization of the microprocessor, have important practical significance and economic value. It firstly
3、 introduces the embedded system composition and for embedded Internet generation. Based on the existing embedded Internet and compared several recent microcontroller access Internet, under the precondition of realizing scheme used a based on single chip the characteristics of its own specific soluti
4、on: embedded TCP/IP protocol. Based on TCP/IP network protocol, the in-depth analysis of TCP/IP protocol, reasonable simplified embedded in its limited resources to the interior, so as to realize microprocessor by E-mail remote data transmission. Key words: II 0 摘摘 要要 II ABSTRACT.III 第第 1 1 章章 引引 言言
5、3 1.1 论文选题的背景及意义.3 1.2 本文主要工作.3 第第 2 章章 嵌入式嵌入式 INTERNET 系统组成系统组成.5 2.1 嵌入式系统概述.5 2.1.1 嵌入式系统的概念机特点.5 2.1.2 嵌入式系统的组成.5 2.1.3嵌入式操作系统6 2.2 嵌入式 INTERNET7 2.2.1 嵌入式Internet概念及特点7 2.2.2 单片机接入Internet方案8 第第 3 章章 网络协议网络协议10 3.1 TCP/IP 分层模型.10 3.2 数据封装.11 3.3 数据帧分用.12 3.4 协议层简介.13 3.4.1 网际层协议.13 3.4.1.1 IP 地
6、址分配 .14 3.4.1.2 地址解析协议.15 3.4.1.4 ICMP 协议.16 3.4.2 传输控制协议.16 3.4.2.1 TCP 连接和释放16 3.4.2.2 用户数据报协议.18 第四章第四章 系统总体设计系统总体设计19 4.1 硬件设计.19 4.2 TCP/IP 协议层选择及分析.20 4.2.1 链路层协议选择及分析.21 4.2.2 网络层协议选择及分析.21 4.2.3 传输层协议选择及分析.21 4.2.4 应用层协议选择.22 第五章第五章 TCP/IP 协议栈的实现协议栈的实现 .24 5.1 ARP 协议的实现.24 5.1.1 ARP分组格式及数据结构
7、24 5.1.2 ARP协议软件实现24 5.2 IP 协议及其实现.26 5.2.1 IP数据报格式.27 5.2.2 IP软件实现.27 5.3 ICMP 报文协议的实现.29 1 5.4 TCP 协议的实现.30 5.4.1 TCP的报文段30 5.4.2 TCP协议的实现31 5.4.2.1 运输控制块 TCB31 5.4.2.2 处理传入数据模块.32 5.4.2.3 处理数据输出模块32 5.4.2.4 定时管理器.34 5.5 SMTP 协议的实现36 5.5.1 客户机与服务器之间的交互.36 5.5.2 SMTP邮件协议的实现.37 结束语结束语39 致谢致谢40 参考文献参
8、考文献41 2 第第 1 1 章章 引引 言言 1.1 论文选题的背景及意义 嵌入式 Internet 是本世纪计算机世界的一项热门技术。目前,嵌入式系统已 经成为我们生活的一部分,在家用电器、工业设备、医疗设备及汽车应用等领 域的应用不断扩大。嵌入式设备的联网已经开始。但是,由于嵌入式系统资源 有限,一些传统的 Internet 技术和设备无法直接应用。这种趋势使着嵌入式 Internet 技术的产生和迅速发展。嵌入式 Internet(简称 EI, Embedded Internet) 通常可以理解为把 TCP/IP 协议作为一种嵌入式的应用,从而实现嵌入式设备 Internet 的技术。
9、 近年来以单片机(Micro Computer Unit,MCU)为代表的嵌入式系统在工业 探测系统、智能仪器、安防系统、智能家电和信息家电领域得到了广泛应用。 如果嵌入式系统能够连接到Internet上,则用户可以方便、快捷、低廉地通过网 络进行远程控制、监测和信息传送。Internet技术和嵌入式技术的相互融合,不 仅为嵌入式系统的设计和开发带来了前所未有的发展空间和机遇,也使得 Internet应用进入了嵌入式Internet时代。据专家预测,未来在Internet上的新增业 务和应用中,将有45%的增长来自于小型嵌入式系统。因此,嵌入式系统的 Internet接入技术,将会有极其广阔的
10、应用前景。如何利用单片机接入Internet网 络成为未来最热门的技术之一。 鉴于 8/16 位单片机大量存在于嵌入式领域,在单片机上实现 TCP/IP 协议 时嵌入式 Internet 的关键技术之一。本文在这样的背景下,试图开展一些的研究。 1.2 本文主要工作 本文主要工作是将 TCP/IP 协议嵌入低档单片机中。通过 89C51 系列单片 机和网卡芯片 RTL8019AS 在单片机上实现 Internet 接入,在对 TCP/IP 协议深 入分析的基础上,对 TCP/IP 协议栈进行合理的简化后嵌入到单片机中。具体的 工作有: 1. 将 TCP/IP 协议嵌入低档单片机的硬件系统的设计
11、和实现。 2. 对 TCP/IP 协议栈进行研究,并分析各协议,完成软件结构的总体设计。 3. 对我们需要的协议进行必要的精简和修改,以达到软件的实现。 3 课题的难点在于要对 TCP/IP 协议熟悉,要对其有较为全面和深入的研究, 由于低档单片机资源有限,就必须根据需求对 TCP/IP 协议进行精简,而不能完 整的实现 TCP/IP 协议。 4 第第 2 章章 嵌入式嵌入式 Internet 系统组成系统组成 2.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 2.1.1 嵌入式系统的概念机特点 基于 IEEE 的定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间 运行的装置”。这主要是从应用上加以定
12、义的,从中可以看出嵌入式系统是软件 和硬件的综合体。不过,这个定义还不能充分体现嵌入式系统的精髓。目前, 国内普遍认同的一个定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础,软硬件可 裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。 可以从以下几个方面理解嵌入式系统的定义。嵌入式系统是面向用户、面 向产品、面向应用的,它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优 势。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业 的具体应用相结合的产物。 嵌入式系统必须根据应用需求能够对软硬件惊醒裁剪,满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。 从嵌入式定义
13、可以看出嵌入式系统几个重要特征。 1. 系统内核小。 2. 专用性强。 3. 系统精简。 4. 高实时性。 2.1.2 嵌入式系统的组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,如 2-1 所示。.嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,由硬件层、中间层、系统 软件层和应用软件层组成。执行装置也被称为被控对象,它可以接受嵌入式计 算机系统发出的命令,执行规定的操作或任务。嵌入式系统在功能及实现上都 有很严格的限制,必须考虑实时性、体积、功耗及散热等,同时要满足可靠性 及安全性。嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。目前全世界嵌入式处 理器的品种已经有 1000 多种,体系结
14、构有 30 多个系列,其中主流的体系有 5 ARM、PowerPC、x86、SH 和 MIPS 等。 图 2-1 嵌入式系统的典型组成 2.1.3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统(Embedded Operating System, EOS)是一种用途广泛的系 统软件 ,以前主要用于工业控制和国防领域。EOS 负责嵌入系统的全部软硬 件资源的分配、任务调度,控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特 征,能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前,已经有一些比较 成功的 EOS 产品系列。随着 Internet 技术的发展、信息家电的普及应用及 EOS 的微型化和专业化,EOS 开始从
15、单一的功能向高专业的功能方向发展。嵌入式 操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固话以及应用的专用性 等方面具有较为突出的特点。EOS 是相对于一般操作系统而言的,它具备了一 般操作系统最基本的功能,如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外, 被控对象 传感器 2驱动器 2 传感器 1驱动器 1 驱动器 N驱动器N 应用软件层 系统软件层 中间层 BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包 嵌入式计算机系统 嵌入式 微处理器 硬件层 实时操作系统(RTOS) 应用程序 文件系统任务管理图形用户接口 人机交互接口 D/A A/D I/O 通用接口 ROM SDRAM 6 还有如下特点:
16、 1. 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2. 强实时性。EOS 实时性一般较强,可用于各种设备控制中。 3. 操作方便、简单、提供友好的图形 GUI、图形界面。 4. 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 5. 提供强大的网络功能,支 TCP/IP 协议及其他协议,提供 IP/TCP/UDP/PPP 协议支持及统一的 MAC 访问层接口,为各种移动计 算设备预留接口。 6. 强稳定性、弱交互性。固化代码。 7. 更好的硬件适应性,也就是良好的移植性。 2.2 嵌入式嵌入式 Internet 2.2.1 嵌入式 Internet 概念及特点 嵌入式 Internet(Embedded In
17、ternet)起源于把嵌入式系统与 Internet 结合起来 的这种想法。嵌入式 Internet 是指:在嵌入式系统应用领域,以 Internet 技术为基 础,使嵌入式系统与 Internet 相互连接,实现嵌入式系统与 Internet 之间的资源 共享、信息通信和状态控制等功能,这种嵌入式系统与 Internet 之间的连接与应 用就称为嵌入式 Internet。嵌入式 Internet 技术的诞生虽然不算久,但发展却相 当迅速,我们还未适应它的时候,很多相关的技术已经出现了,很多大的芯片 制造商开始研制功能更强大的嵌入式芯片,软件厂商则开发出了微型的 Web 服 务器、TCP/IP
18、 协议栈。由于出现了很多灵活的微控制器,现在可以为用户创造 廉价的嵌入式 Internet 解决方案,8 位和 16 位微控制器都可以接入 Internet 等大 规模网络,例如 emWare 就已经为开发人员和生产商提供了 8 位和 16 位微控制 器网络接入解决方案。随着 PC 机时代的到来,21 世纪将是嵌入式 Internet 的时 代。美国贝尔实验室总裁 Arun Netravali 的一批科学家对此做出了预测:嵌入式 Internet“将会产生比 PC 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器” 。这些瘦服务器将与我们所能想到的各种物理信息、生物信息相联接,通过 Inter
19、net 网自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象。 嵌入式系统接入 Internet 同 PC 机接入 Internet 一样,必须通过相应的通信协 议。目前的 Internet 采用 TCP/IP 协议,因此嵌入式系统接入 Internet 最终必须 通过 TCP/IP 协议,对信息进行 TCP/IP 协议处理,使其变成可以在 Internet 上传 输的 IP 数据包。 7 Internet网络通信中,TCP/IP协议簇非常庞大,需要占用大量的系统资源。 单片机的缺点是资源有限,无法容纳下Internet的TCP/IP协议簇。因此单片机实 现嵌入式接入Internet技术的
20、关键是如何在单片机等嵌入式设备的有限资源上实 现Internet的网络通信协议栈。其难点在于:如何利用单片机自身有限的资源对 信息进行TCP/IP协议处理,使之变成可以在Internet上传输的IP数据包。目前许 多机构都在积极探讨利用MCU实现接入Internet技术。 2.2.2 单片机接入 Internet 方案 1. PC 网关(Gateway)与专用网结合接入 Internet 首先嵌入式系统和嵌入式网关连接通信, 连接方式采用传统的 RS232, RS482, RS485,IIC、SPI、USB、CAN、LIN 总线等轻量级网络协议。再由嵌入 式网关负责实现 TCP/IP 协议,并
21、与 Internet 连接,完成嵌入式系统和 Internet 的信息交互。嵌入式网关向嵌入式系统提供 Internet 或 Intranet 通信和管理服 务。如防火墙、协议转换、监视嵌入式设备的运行状态、向外界提供 Web 服 务器等。这种技术需要一个专门的嵌入式网关,而且网关和嵌入式系统之间通 信也会受到轻量级网络协议的制约。它对嵌入式系统处理器速度、资源要求也 比较低,开发难度低,可以解决各种嵌入式系统接入 Internet 的问题,特别适用 于嵌入式系统多且较为集中的场合。缺点是接入成本比较高,不利于大规模推 广。该方案比较适合大型或较昂贵工业设备的上网需求,不适合用于低价格设 备。
22、基于这种接入技术模型,EmWare 公司提出了嵌入式微 Internet 网络技术 EMIT ( embedded micro internetworking technology)。EMIT 由 emMicro、emGateway 和网络浏览器组成,并在 MCU 内部以软件方式嵌入 emNet 协议,如图 2-2 所示。 图 2-2 图 2-1 采用专用嵌入式网络协议方式 2. 高性能MCU+RTOS 即用软件方式直接处理TCP/IP协议。目前RTOS的功能越来越强大,大多数 都带有TCP/IP协议栈,还具有对图像界面的支持能力。采用这种方法的缺点是: 对开发人员的要求高,必须对操作系统和T
23、CP/IP协议都要有一定的熟悉,开发 emGateway (PC 机) Internet Web Browser RS232 RS485emMirco 应用系统+emnet MCUNet 8 周期也较长,难度相对较大。同时嵌入式操作系统的运行需要占用大量的处理 器资源和存储器空间,对硬件配置也有较高的要求,开发成本高。如图2-3所示. 图 2-3 在嵌入式实时操作系统 RTOS 上运行 TCP/IP 3. 使用专用的嵌入式芯 专用嵌入式芯片是一种内置了通信和控制功能的单片机,采用这种方案的 芯片有UbiCom公司的IP2022,Seiko Instruments公司的S7600A ,iRead
24、y公司的 Internet Tuner,Connect One公司的iChip等。它们固化有TCP/IP协议栈,支持 HTTP,SMTP,POP3,MIME等多种协议,可进行Web浏览和E_mail的收发。 也可用Scenix公司的8位SX单片机加虚拟外设的方式接入Internet。该方式更方便, 不需要操作系统,大大节省了资源,开发难度有所降低,但还是需要熟悉 TCP/IP 协议和相关接口,技术实现上也比较困难,且对处理器的性能仍然要求 较高,需要大容量的存储器。这类芯片功能强,能够实现多种网络协议,一 般提供有相应的TCP/IP网络协议栈。但是这种芯片价格偏高,用户需要支付软 硬件费用,不
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