基于精簡TCP/IP協議棧的信息家電網絡服務器
摘要：通過分析和實驗，研究嵌入式TCP/IP協議棧S1C33-Stack的結構及運行原理，給出以S1C33-Stack構造單芯片嵌入式網絡服務器，將信息家電組網及接入Internet的實現方案。研究單芯片嵌入式網絡服務器中S1C33-Stack與用戶程序的接口方案，用戶登錄軟件及信息家電監測軟件的設計方法。引言
S1C33209是EPSON公司推出的RISC結構的32位高性能CMOS微處理器，具有高速、低功耗、低電壓操作、精簡指令集等特點，提供乘與累加功能，既可用于辦公設備，也特別適用于需要高級數據處理的便攜設備，可以進行高速運算、靈活的I/O口控制和高效的數據操作。S1C33209具有8KB的內部RAM，其運算速率可達60MHz，加上優化的多數為單時鐘周期的指令集，使S1C33209吞吐量大為提高。S1C33209比常規MCU有更快的運算速度及可靠的性能、可重復編程的結構，使得精簡的TCP/IP能夠在其中可靠運行。
1 硬件平臺結構及設計
信息家電遠程訪問時，通信數據量不大，10M以太網的通信速率即可滿足要求；其次信息家電對實時性的要求不高，可定位在秒級。
在這種情況下，構造了家電網絡硬件平臺服務器S1C-WebServer，其結構如圖1所示。S1C33-WebServer主要由三部分組成，即S1C33209微處理器、RTL8019AS全雙工以太網控制器（RealTek公司出品，100腳的TQFP封裝，最大速率10Mbps，自帶16KB的SRAM，工作在Ethernet II和IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BasetT下，全雙工，支持8位與16位數據總線，與NE2000兼容）、可擦寫Flash(采用Intel的E28F320，容量為4MB)。考慮到Flash的擦寫在程序調試中不太方便，所以為S1C33209外圍擴展512KB的SDRAM。在S1C33209中，運行用戶程序和S1C33-Stack。在Flash中，存放S1C-WebServer的各種Web資源信息，綜可處理Web頁面、圖像文件等，與PC機上WebServer中的硬盤可以存儲大量的不同頁面。Flash的容量決定了WebServer的資源文件的大小。RTL9019AS是Ethernet控制器，負責S1C33209與Ethernet的數據傳遞。在信息家電已具備RS232或相關標準接口的條件下，使用家庭自動化總線HAB（Home Automation Bus）作為S1C33-WebServer與家庭網絡協議SHNP（Simple Home Networks Protocol）。家電通過RS232接口與S1C33-WebServer連接，經由EEthernet接入Internet。
經過分析，S1C33209與RTL8019AS讀寫時序是兼容的，而且MCU的讀寫時延比RTL8019AS小得多。MCU與RTL8019AS的連接如圖2所示。RTL8019AS的工作電壓為5V，而S1C33209的工作電壓為3.3V，所以RTL8019AS的數據線輸出需要電平的轉換。選用2個8位（采用16位數據總線）的具有雙向數據傳輸功能的74HC245來完成，由于S1C33209的輸出電平符合RTL8019AS輸入電平的要求，所以地址線可以直接相連，而不需電平轉換，RTL8019AD中斷信號（INT0）為高電平有效，在S1C33209中選用端口中斷輸入的K60端口與之相連。由于S1C33209的中斷有效方式（高、低電平或脈沖）可以根據對寄存器的設置調節），所以不用對INT0作反向或電平轉換。
2 精簡TCP/IP協議棧的實現
構建的S1C33-Stack運行在以S1C33209嵌入式CPU為基礎的硬件平臺上，是一組可配置的多種Internet協議的組成。這些協議按照分層協議棧的方式組織，包括應用層的HTTP、DHCP、SMTP，傳輸層的TCP、UDP，網絡層的IP/ICMP、ARP，通過鏈路層和物理層（如Ethernet）進行數據的交互。S1C33-Stack的結構模型如圖3所示。S1C33-Stack利用S1C33的高速處理能力處理TCP/IP數據包，避免了在有限容量的RAM中緩存大量數據，使得控制器可以處理比內部RAM總線更多的數據包。利用嵌入的S1C33-Stack，Webserver能通過Hypertext Transfer Protocol(HTTP)與任何瀏覽器通信，能夠提供各種類型的資源，如HTML、圖片文件等。這些資源可以使用一種特殊的文件系統URI，被存放在容量為4MB的Flash中。這種文件系統可包含任意多的目錄，對URL的長度也沒有限制。
考慮到嵌入式系統的可用資源有限，在此采用經過裁減的TCP/IP協議棧—uIP。uIP協議主要包括TCP/IP協議組中的四個基本的協議：ARP、IP、ICMP、TCP。鏈路層協議，如PPP，則作為設備驅動在uIP底層實現。應用層協議，如HTTP、FTP、SMTP則作為應用程序在uIP上層實現。
（1）地址解析協議ARP
該協議將IP地址映射成以太網MAC地址。在uIP中，ARP的執行依靠維持一張表來完成IP地址和MAC的地址的映射。當有一個IP數據包要發送到以太網上時，從ARP表中查詢相應的MAC地址。如果在ARP表中找不到IP地址則送出相應的ARP請求。當目的主機收到ARP請求報文后，發送ARP REPLY報文將請求的MAC地址送出。當收到ARP REPLY后，ARP表被更新。每隔10s，ARP表就被新新一次，舊的ARP表項將被刪除。每個ARP表項的生存周期是20min。
（2）網間協議IP
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