ZLIP TCP／IP協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

李威，殷志堅

（江西科技師范大學(xué)通信與電子學(xué)院，南昌330013）

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的應(yīng)用需要嵌入式系統(tǒng)連接成網(wǎng)絡(luò)使用，這就需要一個可應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的TCP／IP協(xié)議。由32位處理器搭建的嵌入式系統(tǒng)在使用網(wǎng)絡(luò)的時候，通常都會運行一個集成有TCP／IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。這樣的TCP／IP協(xié)議棧是龐大的，不適用于處理能力和資源都十分有限的8位或16位的處理器搭建的嵌入式平臺，而且由于處理能力和資源有限，8位或16位的處理器搭建的嵌入式系統(tǒng)一般都不運行操作系統(tǒng)。TCP／IP協(xié)議棧的透明性掩蓋了其實現(xiàn)的復(fù)雜性，系統(tǒng)開發(fā)者從無到有搭建一個適用于自己平臺的TCP／IP協(xié)議棧是一件艱巨的任務(wù)，很多時候從一個項目開發(fā)周期來說是不可能實現(xiàn)的。ZLIP TCP／IP協(xié)議棧是一種可實現(xiàn)的極小的TCP／IP協(xié)議棧，適用于8位或16位的處理器構(gòu)建的嵌入式平臺。ZLIP協(xié)議棧是針對51單片機和Keil C51編譯器其自身的特點（存儲類型、函數(shù)指針、重入函數(shù)等）設(shè)計的，而且ZLIP協(xié)議棧是用C語言實現(xiàn)的，方便協(xié)議棧的移植。ZLIP協(xié)議棧代碼量適中，而且對處理器和RAM等資源要求都較小，這使得ZLIP協(xié)議?？梢院芎玫赜糜诘投颂幚砥鞔罱ǖ南到y(tǒng)上。本文將簡單描述ZLIP協(xié)議棧的特點，分析ZLIP的應(yīng)用接口，并討論嵌入式平臺結(jié)合ZLIP作為客戶端系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 ZLIP協(xié)議棧特點

目前常用的TCP／IP協(xié)議有l(wèi)wIP、uIP、tinyTCP、ZLIP等幾種，其中l(wèi)wIP、uIP、ZLIP已經(jīng)成功在單片機上得到了應(yīng)用。應(yīng)用在微處理器上的TCP／IP協(xié)議棧中，lwIP算是功能較全面的，但是它的代碼量相對來說比較大，對資源的要求也較高；uIP采用了不保存需要應(yīng)答的數(shù)據(jù)包的RAM使用方案，uIP的設(shè)計側(cè)重于減少代碼量和減少RAM的使用量，相對lwIP來說對系統(tǒng)的資源要求較低，但其沒有和BSD的套接字接口兼容應(yīng)用層接口較復(fù)雜；ZLIP協(xié)議棧是以李章林博士為主的開發(fā)團隊在南開大學(xué)電子應(yīng)用實驗室開發(fā)完成，專門為51單片機設(shè)計的，針對Keil C51編譯器設(shè)計，它的代碼量和RAM使用量都比較適中，所有的外部變量都使用了xdata類型，全部指針都為明確存儲類型的指針，需要重入的函數(shù)已經(jīng)聲明為reentant，使用KeilC的小模式下編譯，使用類似MFC的CScoket的套接字應(yīng)用層接口，使用方便。ZLIP支持多TCP連接、多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。ZLIP是用C語言實現(xiàn)的源碼開放的協(xié)議棧，能方便地移植到多任務(wù)操作系統(tǒng)和其他CPU下，能方便地替換網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議和網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)備，具有很好的通用性。

2 ZLIP協(xié)議棧分析

ZLIP協(xié)議通過提供一系列的接口函數(shù)，實現(xiàn)其與底層網(wǎng)卡驅(qū)動的連接以及與上層應(yīng)用程序的通信。它內(nèi)部的協(xié)議集合對用戶都是可見的，增強了該協(xié)議棧的通用性和靈活性，用戶可以根據(jù)自己的需要將此協(xié)議棧移植到不同的平臺。ZLIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層驅(qū)動和應(yīng)用程序之間的接口關(guān)系如圖1所示。

圖1

2.1 ZLIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層的接口

ZLIP與系統(tǒng)底層的接口包括與設(shè)備驅(qū)動的接口和與系統(tǒng)定時器的接口兩類。ZLIP與設(shè)備驅(qū)動的接口是通過函數(shù)EtherDevInit（），將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址和接收、發(fā)送函數(shù)通過“注冊”的形式“注冊”進ZLIP協(xié)議棧，從而初始化一個以太網(wǎng)接口設(shè)備，并設(shè)置這個設(shè)備的發(fā)送和接收驅(qū)動函數(shù)。為了與ZLIP協(xié)議棧結(jié)合，其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送函數(shù)為unsigned char型的可重入函數(shù)，形參為一個指向待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針和一個記錄待發(fā)送數(shù)據(jù)長度的變量，例如unsigned char cp2200＿Send（unsigned char xdata＊outbuf，unsigned short len）reentrant。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接收函數(shù)為struct SMemHead xdata＊型的可重入函數(shù)，例如struct SMemHead xdata＊cp2200＿rcve（）reentrant，其中SMemHead結(jié)構(gòu)體為：

在接收函數(shù)中，只要用到pStart成員，將接收到的數(shù)據(jù)存入pStart指向的存儲區(qū)。

2.2 ZLIP協(xié)議棧與系統(tǒng)計時接口

TCP／IP協(xié)議要處理許多定時事件，例如包重發(fā)、ARP表項更新等。系統(tǒng)計時用于為所有ZLIP內(nèi)部時鐘事件計時。ZLIP與系統(tǒng)定時器的接口是通過NetIfTimer（）、ARPTimer（）、TCPTimer（）三個函數(shù)實現(xiàn)的，NetIfTimer（）函數(shù)調(diào)用“注冊”了的每一個接口的接收函數(shù)，接收到達(dá)的數(shù)據(jù)包；ARPTimer（）函數(shù)處理ARP表項更新；TCPTimer（）函數(shù)處理TCP／IP包的重發(fā)等功能。這三個函數(shù)必須在短時間（一般不大于25ms）內(nèi)被調(diào)用一次，否則接收數(shù)據(jù)包等功能將停止。

3 ZLIP協(xié)議棧應(yīng)用接口

ZLIP協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用，應(yīng)用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)。在應(yīng)用程序中每個連接都需要定義一個套接字，ZLIP提供了TCPSocket（）函數(shù)可給每個連接申請一個套接字。當(dāng)系統(tǒng)作為客戶端使用時，ZLIP提供了TCPConnect（）函數(shù)向IP地址為DestIP的服務(wù)器的DestPort端口發(fā)起連接，通過TCPConnect（）函數(shù)還可以設(shè)置當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包和對方要求關(guān)閉TCP連接時應(yīng)該調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。

接收數(shù)據(jù)包的回調(diào)函數(shù)原型可定義為類似void On－Receive（void xdata＊buf，unsigned short size）reentrant的形式，其中buf指向接收的數(shù)據(jù)，size是接收的數(shù)據(jù)量的大小。可以在OnReceive中處理接收的數(shù)據(jù)。

當(dāng)程序中有多個TCP連接同時存在時，需要給每個連接準(zhǔn)備一個接收回調(diào)函數(shù)。對方要求關(guān)閉TCP連接時應(yīng)該調(diào)用的回調(diào)函數(shù)原型可定義為類似void OnClose（socket xdata＊pSocket）reentrant的形式，pSocket指向?qū)⒁P(guān)閉的socket，在OnClose中可調(diào)用ZLIP提供的TCPClose（）函數(shù)，它將要求關(guān)閉套接字pSocket對應(yīng)的連接。當(dāng)程序中有多個TCP連接同時存在時，需要給每個連接準(zhǔn)備一個OnClose函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)的函數(shù)名在不重復(fù)的情況下可以任意命名。

當(dāng)系統(tǒng)作為服務(wù)器使用時，可使用ZLIP提供的TCPListen（）函數(shù)對目標(biāo)端口進行監(jiān)聽，通過TCPListen（）函數(shù)還可以設(shè)置當(dāng)有客戶端向這個監(jiān)聽端口連接成功時調(diào)用的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)程序中有多個處于監(jiān)聽狀態(tài)的socket時，需要給每個socket準(zhǔn)備一個這樣的回調(diào)函數(shù)。

不論系統(tǒng)出于客戶端狀態(tài)還是服務(wù)器狀態(tài)，只要系統(tǒng)被連接進網(wǎng)絡(luò)后都可以調(diào)用ZLIP提供的TCPSend（）函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)使用完這個套接字以后，調(diào)用ZLIP提供的TCPAbort（）函數(shù)，將這個套接字釋放還給系統(tǒng)。

4 ZLIP的配置

用戶根據(jù)具體的實際條件可對ZLIP進行設(shè)置。修改TCPIPmem.h中的宏定義TCPIP＿BUF＿SIZE可以設(shè)置TCP緩沖區(qū)大小，默認(rèn)為8KB，建議大于4KB。緩沖區(qū)過小，將會影響發(fā)送和接收速度。如果系統(tǒng)中有多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以修改NetIf.h中的宏定義NET＿IF＿MAX＿NUM設(shè)置系統(tǒng)中允許的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)，在主程序中使用NetIfAdd（）函數(shù)可添加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。修改TCP.h中的宏定義TCP＿CONNECTION＿MAX＿NUM可以設(shè)置TCP的連接上限。當(dāng)程序使用以太網(wǎng)以外的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議時，修改NetIf.h中的宏定義NETIF＿HEAD＿MAX＿LEN可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口層協(xié)議的最大幀頭長度。修改ARP.h中的宏定義ARP＿ENTRY＿MAX＿NUM可以設(shè)置ARP表的大小。如果不希望系統(tǒng)能夠響應(yīng)ping命令，則修改icmp.h中的宏定義ICMP＿EN為0即可，響應(yīng)ping命令就設(shè)置為1。

5 ZLIP協(xié)議棧應(yīng)用

下面討論將ZLIP結(jié)合CP2200以太網(wǎng)芯片，在C8051F120增強型單片機組成的嵌入式平臺上作為客戶端系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)的實現(xiàn)可分為4部分：C8051F120的初始化、CP2200網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動、系統(tǒng)定時器、應(yīng)用程序。

C8051F120的初始化主要就是根據(jù)需求對系統(tǒng)時鐘、端口設(shè)置等初始化。

CP2200網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動主要包括三個部分：PHY＿Init（）和MAC＿Init（）函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)卡芯片的上電初始化，主要包括物理層的初始化和MAC初始化；cp2200＿Send（）函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；cp2200＿rcve（）函數(shù)實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收。

C8051F120上有5個可用于定時計數(shù)的定時器，可選擇其中任意一個來為TCP／IP協(xié)議中與時間有關(guān)的事件定時。在定時時間到達(dá)時，需要處理的函數(shù)包括NetIfTimer（）、ARPTimer（）、TCPTimer（），為了保證對這三個函數(shù)能被及時執(zhí)行，可以將定時器的定時周期設(shè)置為20ms。

在應(yīng)用程序中可以通過調(diào)用TCPSend（）函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。為了簡單測試該客戶端系統(tǒng)和服務(wù)器連通是否能正確通信，可以在數(shù)據(jù)包接收回調(diào)函數(shù)中將接收到的數(shù)據(jù)返發(fā)給服務(wù)器，這樣可通過在PC上的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件查看數(shù)據(jù)的回顯正確與否，從而判斷客戶端和服務(wù)器的通信正常與否。軟件的實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2

將服務(wù)器IP設(shè)為192.168.1.149，端口號設(shè)為2016。當(dāng)客戶端和模擬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手連通后，可通過調(diào)試助手向客戶端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后客戶端將數(shù)據(jù)返發(fā)回去。此時數(shù)據(jù)會在調(diào)試助手的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收區(qū)顯示出來，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3

結(jié) 語

本文對ZLIP的特點、接口等進行了分析，討論了將ZLIP結(jié)合CP2200以太網(wǎng)芯片在C8051F120單片機上實現(xiàn)客戶端系統(tǒng)，并實驗成功。采用ZLIP實現(xiàn)8／16位嵌入式處理器搭建的系統(tǒng)進行以太網(wǎng)通信有著良好的前景，可用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息采集、智能儀表等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

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