摘 要

随着时代的发展，电子信息产业得到了大力的发展，internet技术得到了全方位的普及，网络渗透到了我们生活的方方面面，从生活中形影不离的智能设备到各种各样的智能家居。传统的电气设备逐渐向智能化、数字化方向发展。嵌入式单片机作为电气设备中用途最为广泛、价格低廉控制设备，链接入internet已成为未来电气设备的发展的一大趋势。

本文针对嵌入式单片机接入internet的要求，提出基于TCP/IP协议通过MCU将嵌入式单片机系统接入internet的方案。通过对TCP/IP协议进行深度的分析总结、以及对以往嵌入式TCP/IP协议的不足、嵌入式单片机的相关特性，对TVCP/IP协议进行合理化裁剪修改，提出一种基于嵌入式单片机的TCP/IP协议解决方案。

为验证本设计的正确性，本文对设计结果进行了原型实验。

关键字：TCP/IP 单片机 Internet

Abstract

With the development of the times, the electronic information industry has been vigorously developed. The internet technology has been widely used. The network has penetrated into every aspect of our lives, from smart devices that are inseparable in life to all kinds of smart homes. Traditional electrical equipment is gradually becoming more intelligent and digital. As the most widely used and inexpensive control equipment in electrical equipment, the embedded MCU has become a major trend in the development of electrical equipment in the future.
This paper aims at the requirement of the embedded singlechip to access the internet, and puts forward the scheme of inserting the embedded singlechip system into the internet based on the TCP/IP protocol through the MCU. Through in-depth analysis of the TCP/IP protocol, as well as the deficiencies of the previous embedded TCP/IP protocol and the related features of the embedded MCU, the TVCP/IP protocol is rationalized and modified, and a TCP based on the embedded single chip microcomputer is proposed. /IP protocol solutions.
In order to verify the correctness of this design, this article conducted a prototype experiment on the design results.

Keywords: TCP/IP Microcontroller Internet

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文工作 2

第2章 方案设计 3

2.1 嵌入式单片机特点 3

2.2 Internet网络TCP/IP协议介绍 3

2.3 接入方案设计 5

2.4硬件选择 6

第3章 TCP/IP协议介绍及裁剪 8

3.1 TCP/IP协议介绍 8

3.1.1 TCP/IP协议概述 8

3.1.2 网络分层 8

3.2 TCP/IP协议裁剪方案设计 9

3.2.1 需求分析 9

3.2.2 TCP/IP协议裁剪原理 9

3.2.3 TCP/IP协议裁剪方案 10

3.3嵌入式TCP/IP协议设计 11

3.3.1 底层环境设计 11

3.3.2 网络接口层的设计 11

3.3.3 网络层设计 12

3.3.4 运输层设计 12

第4章 系统实现 13

4.1 ARP协议实现 13

4.1.1 概述 13

4.1.2 协议结构 13

4.1.3 协议相关函数 14

4.2 IP协议实现 15

4.2.1 概述 15

4.2.2 IP协议结构 15

4.2.3 函数结构 16

4.3 ICMP协议实现 17

4.4 UDP协议实现 17

4.4.1 概述 17

4.4.2协议结构 17

4.4.3 对应函数 18

第5章 实验结果 19

5.1 实验原型 19

5.2 ARP、IP、ICMP协议测试 19

5.3 UDP协议测试 21

第6章 总结 23

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

研究背景

随着第四次工业革命的到来，人们进入了电子信息时代，信息技术与人们的日常生活休戚相关，电子设备成为我们日常生活中不可或缺的重要组成部分，手机电脑成为我们生活的必需品。网络技术则是信息时代的代表产品，网络的发展带动了信息产业的进步^[1]。万物互联成为时代发展的一大趋势，智能家居相继问世，通过网络可以访问到家中的任何一台电气设备。网络的迅猛发展使得人们的生活更加便捷，同时也要求其他电气行业接入Internet成为未来电气行业发展的一大趋势^[2]。

随着电子信息类技术的大力发展，嵌入式技术作为电子信息领域的中坚技术也随着时代大力发展。单片机相当于把一台计算机集成与一个微小的硅芯片上，从上世纪80年代发明至今，一直在工业领域充当着重要的角色，从最初的4位单片机发展到8位，以及更高性能的16位单片机系统。功能上也发生了翻天覆地的变化，除了最初的基本功能外，现在的单片机还可以外加各种I/O设备、控制设备。单片机的应用领域也深入到社会的个个领域，医疗、军事、工业、家居。生活的方方面面都可以看到单片机的影子。

但是目前大多数的嵌入式单片机都是独立工作的，从单片机生产出来后就一直从事某项单一的工作直到寿命接受，很少会与其他设备进行交流通信。当一些复杂的功能与任务需要多个单片机的合作完成时就会出现很大的困难，现有的单片机间的通信手段和技术并不成熟，通信协议也较少功能也并不完善。信息间的共享已经成为未来单片机一项必备的功能。

实现嵌入式单片机接入internet就成为现如今单片机发展的一个重要阶段，嵌入式单片机连接入Internet后，可以使各种电气设备通过我们手机终端进行控制，我们可以随时随地获取电气设备信息，达到实现真正意义上的万物互联，为我们先一个时代，即物联网时代打下坚实的基础。在这样的背景下，嵌入式单片机接入Internet的意义重大。为了完成这一目标，首先我们要熟悉相关技术，了解Internet、了解网络协议、了解单片机。然后结合嵌入式单片机自身相关特性制作合适与单片机的网络协议，完成嵌入式单片机接入Internet的目标。

1.2国内外研究现状

进入21世纪以来，电子信息行业一直是这个时代的发展重点。我们现在处在网络化的时代，而下一个时代将是万物互联的物联网时代。嵌入式单片机接入Internet是国内外电子信息行业都在极力发展的一大科学领域。

在国外，电子信息产业一直是发达国家的领先行业，国外的软硬件实力都是远超国内的发展水平的。一些大型电子信息公司联合成立了“嵌入式Internet联盟”，专门来定制嵌入式系统接入Internet的一些标准，开发相关技术^[3]。推进了嵌入式Internet技术的发展。目前EmWare公司已经设计出嵌入式单片机接入Internet的方案：EMIT，即嵌入式微型网络技术。Microchip公司开发出PIC系类嵌入式Internet单片机。SII开发出TCP/IP协议芯片。这些都为嵌入式单片机接入Internet提供了确实可行的方法方案。同时在工业领域，1999年成立的“工业以太网协会”正积极致力于以太网总线的研究。OPT022公司研发了“以太网I/O系统”——SNAP I/O系统，应用于工业控制以及智能化等方面。

在国内，电子信息产业一直是我国大力发展的行业，但硬件行业一直落后于美国等发达国家。1996年中国计算机协会进行了“嵌入式系统及产业化在中国的发展前景”的研究会，专家们探讨了当今时代的发展以及计算机工业中的网络问题，认为下一代网络中嵌入式设备所占比例将会大大增加，嵌入式系统仍属专用型计算机系统，价格更便宜，功能更加专一^[4]。目前我国硬件领域技术仍处于起步阶段，大多数技术仍停留于理论阶段。为迎接Internet向嵌入式领域的发展，我国自主研发的嵌入式软件平台DeltaSystem，它不仅包括嵌入式实时操作系统，还包括嵌入式开发工具以及测试工具。

1.3本文工作

针对目前嵌入式Internet的发展背景、状况以及相关技术的了解研究，以及TCP/IP协议中存在的不足，设计一套基于嵌入式单片机系统的TCP/IP协议。本文具体工作如下：

1. 分析嵌入式Internet的发展状况，通过对已有嵌入式单片机接入Internet的方案进行分析了解总结不足。
2. 深入了解TCP/IP协议、IP协议、UDP协议、ARP协议。对相应协议进行合理化裁剪，使其能运行于嵌入式单片机并且实现嵌入式单片机接入Internet的要求。
3. 从实际成本出发，选择市面上买得到的单片机，对单片机工作原理进行分析。
4. 嵌入式单片机接入Internet网卡则是必不可少的一部分，本设计将详细介绍网卡及其工作原理。
5. 实现本设计，并验正实验结果。

第2章 方案设计

2.1 嵌入式单片机特点

嵌入式系统通常设置在机器内部，作为控制设备的计算机来使用。其中程序大多是事先写好，开始运行到寿命结束都不会更改程序。通常功能比较单一，但通常有较强的扩展能力，可以外接键盘、串口、显示器等多种设备^[5]。计算机的组成结构为：运算器、控制器、存储器、输入输出设备。单片机顾名思义就是将这些设备集成于一块芯片之上。通过集成技术，将CPU、RAM、ROM、I/O、中断、定时/计数等多种功能集成于一块硅芯片上。相较于PC计算机进缺少I/O设备。单片机虽然与PC计算机相类似，但也有着许多特点：

1. 系统内核小。相较于PC计算机系统，单片机功能更为单一，功能更为有限，系统资源相对较小。所要求的系统内核相应的要小很多。大多数单片机的系统内核仅为几KB，相较于PC计算机要小得多^[6]。
2. 专用性强。单片机多为根据相应要求定制设计的。针对性强，不易修改。针对不同的工作环境、任务，在设计上也有这千差万别。单片机系统中，软硬件的结合十分紧密。程序代码的编写要考虑到相应的硬件结构。同时对软硬件的修改，功能的增减也会变得十分困难。
3. 需要专门的开发工具和环境。单片机通常依据所需功能制造，专用性强，程序、软件大多固化其中。多数单片机并不需要自身携带开发环境。多数情况下生产过程中已经做好相关软件和程序。用户需要自行修改内部程序时，通常需要借助计算机和相关开发工具软件对其内部程序进行修改。

2.2 Internet网络TCP/IP协议介绍

Internet网络中文译名为因特网。起初是美国出于军事目的的需求设计的。后来逐步商业化发展成为现代互联网，从发展至今短短几十年已经改变了整个世界。通过一些公共的协议和路由，将若干台计算机连接在一起，实现信息的共享是互联网的本质。每一台计算机有着自己对应的物理地址，该地址是无法改变的，从生产设计之初就已经设置好的，当计算机需要接入Internet时计算机之间需要通信时，相互通信的计算机需要知道对方计算机的地址，那么相应的IP地址技术应运而生，每一台计算机接入网络时都会为其分配对应的网络地址，即IP地址^[7]。

当计算机间在网络中进行通信时，需要相应的规范，就像不同国家的人之间交流需要先统一语言一样。最初使用的协议标准为OSI7层协议，是由国际化标准组织OSI设立的OSI7层参考协议，本协议将网络划分为独立的7层，每一层独立完成相应的工作，而实现网络通信则需要7层共同合作。OSI的7层分别为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

1. 物理层

物理层是指包含传输媒介在内的网络的底层结构，该层所面对的是光信号或者是电信号，所传输或接受的都是比特流信息，物理层智能看见0和1。从数据链路层接受相关的数据帧，之后转换成比特流信号由物理链路发送出去。

1. 数据链路层

该层中，数据是以帧结构的形式出现，收到网络层的信息后，将数据转化成帧结构之后交由数据链路层发送出去。像其他OSI的其他层一样，数据链路层的工作也是收和发。不同于物理层只管理收据的收发，数据链路层还要保证数据传输的准确性，帧结构中，有着相应的检错机制，以保证数据传输的正确性^[8]。

1. 网络层

网络层的主要功能实路由功能。网络层负责建立源主机和目的主机之间的路由通路。这一层本身不具备相应的检错和修正机制，所以会依赖于数据链路层的检错纠错机制完成可靠的网络通信。网络中路由器的结构其实只包含物理层，数据链路层和网络层。所以网络层还可以当成其他计算机的路由使用。网络层是可选结构，他只用于当两个需要通信的计算机处于不同网段时才起到相应的功能，或者通信中要求实现更高层所需功能时。

1. 传输层

传输层同样是保证数据传输的完整性。不同于数据链路层，他并不是提供数据帧中的信息的正确性，而是保证路由包的丢失重传。同时传输层还会对所收到的数据包进行排序。数据包可能由于传输路径不同或者丢失重传等原因造成乱序，传输层会将收到的数据重新排序发往会话层^[9]。

1. 会话层

本层并没有明确的功能，大多时候都是与传输层放在一起运行的。该层的主要功能是管理两台计算机之间的通信，可以确定通信的方式是单工还是双工。

1. 表示层

表示层处理传输数据的编码方式，当不同的计算机系统在进行通信时，他们之间所使用的编码方式可能不同，表示层的职责是为不同的编码方式提供翻译对照。例如在ASCII和EBCDIC之间提供翻译对照。

1. 应用层

该层时OSI参考协议的最高层，虽然名为应用层，但本层并不包含相应的应用程序。而时为需要网络通信的应用提供对应的网络接口。他所面对的时用户应用，所以对应的结构和功能会因为系统设计的不同而不同^[10]。

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