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

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

隨著電子設備智能化要求的提高和各種功能強大的微處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)逐漸成為許多電子設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)網概念的深入人心更為嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網的結合提出了要求。嵌入式系統(tǒng)接入Internet以后，不僅實現了設備的遠程控制、維護和升級，而且從另外一層意義上講，接入Internet的設備已經成為網絡共享資源的一部分。可以說這是自電子設備智能化以來設計思想的又一次飛躍。

嵌入式系統(tǒng)接入Internet的關鍵是滿足TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是建立在數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層上的協(xié)議族，是Internet的基礎。各種型號計算機運行在不同操作系統(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)，或是在現有操作系統(tǒng)之上加入TCP/IP軟件協(xié)議棧，實現TCP/IP連接。對于嵌入式系統(tǒng)，TCP/IP軟件協(xié)議棧也構成了系統(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的內部結構

S7600A內部結構如圖1所示，它由網絡棧、物理層接口、微控制器接口、SRAM接口和片內SRAM組成。（1）網絡棧是該芯片的核心。它建立在物理層上，包含有實現TCP/IP協(xié)議的特殊的層次化的數據結構，并完成數據的包裝或剝離。其內部又可以分為PPP（點對點協(xié)議）、IP（網際協(xié)議）、TCP（傳輸控制協(xié)議）/UDP（用戶數據報協(xié)議）幾個層次。（2）物理層接口是實現協(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Internet接入。（3）微控制器接口提供了與68k/x86（Moterola/Intel）MPU的標準并行接口非標準的串行接口（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/數據復用總線，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)指示地址和數據。在串行模式下，SD7為串行數據輸入，SD6為串行時鐘輸入，SD5為串行數據輸出，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內部寄存器和數據傳輸實例

S7600A有36個內部寄存器，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）。對內部寄存器的讀寫可以實現對S7600A的各種操作，其中若干寄存器用來做TCP/IP的協(xié)議接口。由于寄存器數據量較多，這里不一一介紹，僅舉一個TCP數據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)網絡里一個TCP連接。在進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標志位置1，把對串口的控制權交給硬件（S7600A），把要傳輸的數據寫到Socket_Data寄存器（2EH）里，S7600A就會把數據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，當輸出緩沖區(qū)為全空時，該寄存器里寫一個字節(jié)的數據，用戶每向Socket_Data寄存器里寫一個字節(jié)的數據，Buffer_Out_Length寄存器的值就會自動減一。

當用戶要發(fā)送TCP數據時，只要向Data_Send寄存器（30H）里寫任意個字節(jié)的數據，S7600A就會對輸出緩沖區(qū)里的數據進行TCP數據處理（自動加入TCP首部，形成TCP段；再加入IP首部，形成IP數據報；最后在串行鏈路上封裝IP數據報，形成PPP數據幀，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)構成

基于S7600A的接入方案如圖3所示，系統(tǒng)采用通用單片機AT89C51為控制核。單片機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口實現串行時序），通過對S7600A的操作實現TCP/IP協(xié)議。S7600A經UART接口與嵌入式Modem相接，經電話線接入Internet。應用程序與遠程服務器或客戶機建立TCP或UDP連接，在此基礎上實現多種應用，如FTP、SMTP、POP3、Telnet、IP電話服務等。從網上獲取的信息可以經系統(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)產生的信息也可發(fā)送到網絡上。

3.2 系統(tǒng)的軟件設計

（1）嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)

在這個系統(tǒng)里，引入了實時操作系統(tǒng)（RTOS）。通常對單片機的開發(fā)是在硬件的基礎上直接進行編程，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、較為復雜的系統(tǒng)會產生一定的隱患，屬于較低層次的開發(fā)。近年來，在嵌入式應用中使用實時多任務操作系統(tǒng)已經成為一個熱點、一種時尚，從本質意義上講，是系統(tǒng)開發(fā)層次的一種提高。在實時多任務操作系統(tǒng)的支持下，多個任務可以按照一定關系并行工作，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。

當前出現了很多商業(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已經在很多系統(tǒng)上進行了成功的應用，同時已經被移植到8051上。

（2）S7600A應用程序接口（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，對其內部眾多寄存器進行尋址操作了并不容易，建立TCP/IP連接仍然是比較復雜的過程。幸運的是，廠商為其提供API函數集，通過調用該函數集，可以實現S7600A的所有功能。這個函數集是建立在RTOS上的。但是這套API又具有硬件和平臺的獨立性，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。其硬件獨立性是通過API里的兩個文件iHwIFace.h和iHwIFace.c實現的，用戶在重寫這兩個文件后，可以使API用在不同的CPU上，它實際相當于S7600A的底層驅動程序。在這個系統(tǒng)里要根據AT89C51和S7600A的編址連接來確定這兩個文件，其平臺獨立性是通過API里的iSys.h和iSys.c實現的，用戶在重寫這兩個文件后，可以使API運行在不同的操作系統(tǒng)上，在該公司提供的這套API里已經附帶了基于μC/OS的這兩個文件。

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

表1 iStacApi

表2 IsockApi

（3）應用程序

應用程序建立在RTOS和API之上，并可以實現多任務，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傳輸數據的時候，首先要通過Modem撥號，建立PPP連接，然后再根據數據傳輸的具體需要決定建立TCP連接還是UDP連接。一般情況下，TCP建立可靠的連接，可以實現諸如FTP、SMTP等服務；而像IP電話這樣強調實時性的場合，需要建立UDP連接。

在需要上網的時候，運行以下程序要，可以實現與ISP（網絡服務提供商）之間的撥號連接。首先，程序調用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），就開始進行撥號連接。調用IsPPPCheck()檢查是否已經連接，如果還沒有連接，就調用IsPPPConnect（）進行撥號（該函數的參數含有進行撥號連接的要素：phata.name表示撥號上網的用戶名，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”表示關閉data/fax自動應答模式，“ATE0”表示禁止指令回應；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）；如果已經建立了連接，就調用IsGetOurIP()得到IP地址或者調用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函數執(zhí)行狀態(tài)返值的數據類型

iPPPData pdata; //該數據結構包含建立PPP連接的必要數據

static char *initSrtings[5];

initStrings[]=“AT+FAE=0”; //在字符串數組里存放Modem初始化指令

initStrings[]=“ATE0”；

initStrings[]=0; //設定該字符為NULL

initStrings[]=0;

initStrings[]=0;

pdata.name=“169”； //撥號上網的用戶名

pdata.passwd=“169”； //撥號上網的用戶口令

pdata.baudRate=28800; //設置波特率

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)上體現了較好的層次思想和較高的技術水準，可維護性好，可擴展性好。