基于S7600A的嵌入式系統(tǒng)Internet接入方案

摘要：TCP/IP協(xié)議棧大規(guī)模集成電路S7600A的結(jié)構(gòu)、功能、硬件接口和應(yīng)用程序接口；介紹一個基于實時任務(wù)操作系統(tǒng)μs/OS的S7600A應(yīng)用方案，此方案實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的Internet接入。

關(guān)鍵詞：TCP/IP API 實時操作系統(tǒng)（RTOS） 多任務(wù) 嵌入式系統(tǒng)

隨著電子設(shè)備智能化要求的提高和各種功能強(qiáng)大的微處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)逐漸成為許多電子設(shè)備不可缺少的一部分，并處在前所未有的發(fā)展期；而互聯(lián)網(wǎng)概念的深入人心更為嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合提出了要求。嵌入式系統(tǒng)接入Internet以后，不僅實現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和升級，而且從另外一層意義上講，接入Internet的設(shè)備已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)共享資源的一部分?？梢哉f這是自電子設(shè)備智能化以來設(shè)計思想的又一次飛躍。

嵌入式系統(tǒng)接入Internet的關(guān)鍵是滿足TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是建立在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層上的協(xié)議族，是Internet的基礎(chǔ)。各種型號計算機(jī)運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)之上，TCP/IP協(xié)議族允許它們互相通信。通常，一個嵌入式系統(tǒng)接入Internet，可選擇一個提供TCP/IP協(xié)議的嵌入式操作系統(tǒng)，或是在現(xiàn)有操作系統(tǒng)之上加入TCP/IP軟件協(xié)議棧，實現(xiàn)TCP/IP連接。對于嵌入式系統(tǒng)，TCP/IP軟件協(xié)議棧也構(gòu)成了系統(tǒng)成本的一部分，而這部分投入占有不小的比例。同時，軟件協(xié)議棧的引入無疑要占用更多的系統(tǒng)資源，對于嵌入式系統(tǒng)來說是很可觀的。S7600A TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片很好地解決了資源和成本有限的嵌入式系統(tǒng)的Internet接入問題。

1 S7600A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

S7600A內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由網(wǎng)絡(luò)棧、物理層接口、微控制器接口、SRAM接口和片內(nèi)SRAM組成。（1）網(wǎng)絡(luò)棧是該芯片的核心。它建立在物理層上，包含有實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的特殊的層次化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并完成數(shù)據(jù)的包裝或剝離。其內(nèi)部又可以分為PPP（點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議）、IP（網(wǎng)際協(xié)議）、TCP（傳輸控制協(xié)議）/UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）幾個層次。（2）物理層接口是實現(xiàn)協(xié)議的最底層接口。在這里以UART的形式提供對外連接，可以通過外接Modem實現(xiàn)Internet接入。（3）微控制器接口提供了與68k/x86（Moterola/Intel）MPU的標(biāo)準(zhǔn)并行接口非標(biāo)準(zhǔn)的串行接口（串/并模式由PSX來選擇）。在x86/68k并行模式下，由C86來選擇x86或68k。SD[7:0]為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，CS為片選輸入，READX和WRITEX為讀寫信號，RS為寄存器選擇輸入，用業(yè)指示地址和數(shù)據(jù)。在串行模式下，SD7為串行數(shù)據(jù)輸入，SD6為串行時鐘輸入，SD5為串行數(shù)據(jù)輸出，WRITEX用來切換讀和寫。另外芯片提供了中斷輸出，用來給MPU發(fā)特定請求。BUSYX用做忙指示。

2 S7600A內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)傳輸實例

S7600A有36個內(nèi)部寄存器，有單字節(jié)、多字節(jié)，也有變長的（如PPP_String寄存器，用來存放PAP用戶名和指令，其長度與用戶名和口令的實際長度相關(guān)）。對內(nèi)部寄存器的讀寫可以實現(xiàn)對S7600A的各種操作，其中若干寄存器用來做TCP/IP的協(xié)議接口。由于寄存器數(shù)據(jù)量較多，這里不一一介紹，僅舉一個TCP數(shù)據(jù)的傳輸實例來說明對該芯片的操作。

一個IP地址和一個端口號可以稱一個插口（Socket）。而一個插口對可以唯一地確定互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)里一個TCP連接。在進(jìn)行以下操作之前事先要建立一個TCP連接。

首先，將Serial_Port_Config寄存器（08H）里的SCTL標(biāo)志位置1，把對串口的控制權(quán)交給硬件（S7600A），把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫到Socket_Data寄存器（2EH）里，S7600A就會把數(shù)據(jù)通過該寄存器放到輸出緩沖區(qū)（1K字節(jié)長度）。注意輸出緩沖區(qū)地址在Buffer_Out_Length寄存器（30H-31H）里，當(dāng)輸出緩沖區(qū)為全空時，該寄存器里寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，用戶每向Socket_Data寄存器里寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，Buffer_Out_Length寄存器的值就會自動減一。

當(dāng)用戶要發(fā)送TCP數(shù)據(jù)時，只要向Data_Send寄存器（30H）里寫任意個字節(jié)的數(shù)據(jù)，S7600A就會對輸出緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)處理（自動加入TCP首部，形成TCP段；再加入IP首部，形成IP數(shù)據(jù)報；最后在串行鏈路上封裝IP數(shù)據(jù)報，形成PPP數(shù)據(jù)幀，如圖2所示。）然后通過UART接口發(fā)送出去。同時Buffer_Out_Length寄存器的值會復(fù)原到3FFH.注意輸出緩沖區(qū)最大1K字節(jié)，超過該值是不允許的。

3 基于S7600A的接入方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于S7600A的接入方案如圖3所示，系統(tǒng)采用通用單片機(jī)AT89C51為控制核。單片機(jī)既可以通過并行總線又可以通過串行總線與S7600A相連（在串行時用I/O口實現(xiàn)串行時序），通過對S7600A的操作實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。S7600A經(jīng)UART接口與嵌入式Modem相接，經(jīng)電話線接入Internet。應(yīng)用程序與遠(yuǎn)程服務(wù)器或客戶機(jī)建立TCP或UDP連接，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)多種應(yīng)用，如FTP、SMTP、POP3、Telnet、IP電話服務(wù)等。從網(wǎng)上獲取的信息可以經(jīng)系統(tǒng)總線傳給嵌入系統(tǒng)的其他部分或者直接顯示在LCD上，同樣系統(tǒng)產(chǎn)生的信息也可發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

（1）嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)

在這個系統(tǒng)里，引入了實時操作系統(tǒng)（RTOS）。通常對單片機(jī)的開發(fā)是在硬件的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行編程，這種方法一般用于規(guī)模較小、較簡單的系統(tǒng)，對于規(guī)模較大、較為復(fù)雜的系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的隱患，屬于較低層次的開發(fā)。近年來，在嵌入式應(yīng)用中使用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)已經(jīng)成為一個熱點(diǎn)、一種時尚，從本質(zhì)意義上講，是系統(tǒng)開發(fā)層次的一種提高。在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持下，多個任務(wù)可以按照一定關(guān)系并行工作，CPU資源得到充分利用，系統(tǒng)可靠性得到很好的保證，同時方便組織開發(fā)任務(wù)。

當(dāng)前出現(xiàn)了很多商業(yè)的RTOS，但一般價格比較昂貴，代碼不公開。本系統(tǒng)使用了開放源代碼的RTOS μC/OS，這個RTOS已經(jīng)在很多系統(tǒng)上進(jìn)行了成功的應(yīng)用，同時已經(jīng)被移植到8051上。

（2）S7600A應(yīng)用程序接口（API）

S7600A以硬件的形式提供了TCP/IP協(xié)議的簡單端口。即便如此，對其內(nèi)部眾多寄存器進(jìn)行尋址操作了并不容易，建立TCP/IP連接仍然是比較復(fù)雜的過程。幸運(yùn)的是，廠商為其提供API函數(shù)集，通過調(diào)用該函數(shù)集，可以實現(xiàn)S7600A的所有功能。這個函數(shù)集是建立在RTOS上的。但是這套API又具有硬件和平臺的獨(dú)立性，非常有利于在各種系統(tǒng)上移植，這種特性為實際開發(fā)項目的層次公組織創(chuàng)造了非常有利的條件。其硬件獨(dú)立性是通過API里的兩個文件iHwIFace.h和iHwIFace.c實現(xiàn)的，用戶在重寫這兩個文件后，可以使API用在不同的CPU上，它實際相當(dāng)于S7600A的底層驅(qū)動程序。在這個系統(tǒng)里要根據(jù)AT89C51和S7600A的編址連接來確定這兩個文件，其平臺獨(dú)立性是通過API里的iSys.h和iSys.c實現(xiàn)的，用戶在重寫這兩個文件后，可以使API運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上，在該公司提供的這套API里已經(jīng)附帶了基于μC/OS的這兩個文件。

該API包括兩個主要部分：iStacApi（實現(xiàn)PPP）和iSockApi（實現(xiàn)Socket連接），對S7600A的功能進(jìn)行了簡單而有效的封裝，為應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了方便。如表1、表2所示。

表1 iStacApi

表2 IsockApi

（3）應(yīng)用程序

應(yīng)用程序建立在RTOS和API之上，并可以實現(xiàn)多任務(wù)，在編譯完畢后和RTOS庫以及API庫一起連接生成可執(zhí)行代碼，如圖4所示。

在系統(tǒng)需接入Internet傳輸數(shù)據(jù)的時候，首先要通過Modem撥號，建立PPP連接，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w需要決定建立TCP連接還是UDP連接。一般情況下，TCP建立可靠的連接，可以實現(xiàn)諸如FTP、SMTP等服務(wù)；而像IP電話這樣強(qiáng)調(diào)實時性的場合，需要建立UDP連接。

在需要上網(wǎng)的時候，運(yùn)行以下程序要，可以實現(xiàn)與ISP（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商）之間的撥號連接。首先，程序調(diào)用IsInitStack()，初始化S7600A的硬件協(xié)議棧子系統(tǒng)。如果初始化成功（得到RET_CODE_OK的返值），就開始進(jìn)行撥號連接。調(diào)用IsPPPCheck()檢查是否已經(jīng)連接，如果還沒有連接，就調(diào)用IsPPPConnect（）進(jìn)行撥號（該函數(shù)的參數(shù)含有進(jìn)行撥號連接的要素：phata.name表示撥號上網(wǎng)的用戶名，例如撥169時，用戶名就指定為“169”；pdata.passwd表示用戶口令，例如撥169時，該口令指定為“169”；pdata.modemInitStrings存放初始化Modem用的指令，符合Modem AT指令集，“AT”為Modem指令的前綴。例如，“AT+FAE=0”表示關(guān)閉data/fax自動應(yīng)答模式，“ATE0”表示禁止指令回應(yīng)；pdata.baudRate為波特率；pdata.modemDialString為撥號號碼，此處為電話號碼169,“DT”表示用雙音頻撥號）；如果已經(jīng)建立了連接，就調(diào)用IsGetOurIP()得到IP地址或者調(diào)用IsPPPKeepAlive（）保持連接。

#includeiReady.h>

#includeiRtacApi.h>

#define L_Time 10000

static int do_connect=1,was_connect=0;

static iIPAddr ip;

ppp_task(void)

{

RET_CODE rc; //RET_CODE為API函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)返值的數(shù)據(jù)類型

iPPPData pdata; //該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含建立PPP連接的必要數(shù)據(jù)

static char *initSrtings[5];

initStrings[]=“AT+FAE=0”; //在字符串?dāng)?shù)組里存放Modem初始化指令

initStrings[]=“ATE0”；

initStrings[]=0; //設(shè)定該字符為NULL

initStrings[]=0;

initStrings[]=0;

pdata.name=“169”； //撥號上網(wǎng)的用戶名

pdata.passwd=“169”； //撥號上網(wǎng)的用戶口令

pdata.baudRate=28800; //設(shè)置波特率

pdata.hwFlowCtrl=1; //啟用硬件流控制

pdata.useModem=1;

pdata.modemDialString=“ATDT 169”； //ATDT為雙音頻撥號指令

pdata.auth=IPPP_AUTH_PAP; //提供PAP驗證

pdata.modemInitStrings=initstrings； //Modem初始化的系統(tǒng)指令，必須以NLLL結(jié)尾

rc=IsInitStack(); //初始化硬件棧子系統(tǒng)

if{re= =RET_CODE_OK}

{

while(do_connect)

{

rc=IsPPPCheck(); //檢查PPP連接是否激活

if(rc= =RET_CODE_OK)

{

if(was_connect= =0)

{

rc=IsGetOurIP(ip); //獲取IP地址

was_connect=1;

}

}

else if(was_connect)

{

was_connect=0;

rc=IsPPPkeepAlive(L_TIME)//在連接失效時重新建立連接

}

else

{

rc=IsPPPConnect(pdata,L_TIME); //撥號并與ISP建立PPP連接

continue；

}

smallSleep(L_TIME);

}

}

}

基于RTOS和S7600A的嵌入式系統(tǒng)Internet接入方案硬件上簡潔可靠、成本適中；軟件開發(fā)上體現(xiàn)了較好的層次思想和較高的技術(shù)水準(zhǔn)，可維護(hù)性好，可擴(kuò)展性好。