一 引言
　　近幾年來，人們對連接各種裝置到一個現有的IP網絡例如因特網上產生了濃厚的興趣。為了可以通過因特網通訊，一個可實現的TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協議棧" title="協議棧">協議棧是必須的。對于由32位嵌入式處理器構建的中、高端網絡接入嵌入式系統中，通常會運行一個集成有TCP/IP協議棧的操作系統。但是對于由8位和16位低端處理器構建的系統，由于其所具有的處理能力和資源十分有限，通常不運行操作系統，這就要求系統開發者根據應用的要求以及所選用的處理器的實際情況構建自己的TCP/IP協議棧。而TCP/IP協議的透明性掩蓋了其實現的復雜性，從無到有構建一個協議棧是一件艱巨的任務，并且缺少有效的調試工具。uIP TCP/IP協議棧是使用于低端8位或16位微處理器構建的嵌入式系統的一個可實現的極小的TCP/IP協議棧。它可以自由分發和使用于商業和非商業目的。uIP使用C語言編寫，使其方便于移植。并且uIP協議棧的代碼大小和RAM的需求比其它一般的TCP/IP棧要小，這就使得它可以方便的應用到各種低端系統上。本文將簡要描述uIP的實現方法，分析uIP協議棧的應用接口，并討論如何將其應用到51系列單片機" title="系列單片機">系列單片機上。
二 uIP協議棧的實現方法簡述
　　uIP實現了TCP/IP協議集的四個基本協議：ARP地址解析協議，IP網際互聯協議， ICMP網絡控制報文協議和TCP傳輸控制協議。為了在8位16位處理器上應用，uIP協議棧在各層協議實現時采用有針對性的方法，保持代碼大小和存儲器使用量最小。
　　1 實現ARP地址解析協議時為了節省存儲器，ARP應答包直接覆蓋ARP請求包。
　　2 實現IP網絡協議時對原協議進行了極大的簡化，它沒有實現分片和重組。
　　3 實現ICMP網絡控制報文協議時，只實現echo（回響）服務。uIP在生成回響報文時并不重新分配存儲器空間，而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。將ICMP類型字段從“echo”類型改變成 “echo reply”類型，重新計算校驗和修改校驗和字段。
　　4 uIP里的TCP沒有實現發送和接收數據的滑動窗口。每個TCP連接的狀態由uip_conn結構保存，uip_conn結構包括當地和遠端的TCP端口編號，遠程主機的IP地址，重發時間值，上一段重發的編號，和連接的段的最大尺寸等信息。一個uip_conn結構數組用于保存所有的連接，數組的大小為支持的同時連接的最大數量。為了減少儲存器的使用量，在處理重發時uIP并不緩存發送的數據包，而是由應用程序" title="應用程序">應用程序在需要重發時重新生成發送的數據。
三 uIP協議棧的接口
　　uIP協議棧為了具有最大的通用性，在實現時將底層硬件驅動和頂層應用層之外的所有協議集“打包“在一個“庫“里。協議棧通過接口與底層硬件和頂層應用“通信“。通過這種方式，uIP具有極高的通用性和獨立性，移植到不同系統和實現不同的應用都很方便，很好的體現了TCP/IP協議平臺無關性的特點。uIP協議棧與系統底層和應用程序之間的接口關系如圖（一）所示：


　　1 uIP協議棧與系統底層的接口
　　uIP與系統底層的接口包括與設備驅動" title="設備驅動">設備驅動的接口和與系統定時器的接口兩類。
　　1.1 uIP與設備驅動接口
　　uIP通過函數uip_input（）和全局變量uip_buf、uip_len來實現與設備驅動的接口。uip_buf用于存放接收到的和要發送的數據包，為了減少存儲器的使用，接收數據包和發送數據包使用相同的緩沖區。uip_len表明接收發送緩沖區里的數據長度，通過判斷uip_len的值是否為0來判斷是否接收到新的數據，是否有數據要發送。當設備驅動接收到一個IP包并放到輸入包緩存里（uip_buf）后，應該調用uip_input（）函數。uip_input（）函數是uIP協議棧的底層入口，由它處理收到的IP包。當uip_input（）返回，若有數據要發送，則發送數據包放在包緩沖區里。包的大小由全局變量uip_len指明。如果uip_len是0，沒有包要發送;如果uip_len大于0則調用網絡設備驅動發送數據包。
　　1.2 uIP與系統計時接口
　　TCP/IP協議要處理許多定時事件" title="定時事件">定時事件，例如包重發、ARP表項更新。系統計時用于為所有uIP內部時鐘事件計時。當周期計時激發，每一個TCP連接應該調用uIP函數uip_periodic（）。TCP連接編號作為參數傳遞給uip_periodic（）函數。uip_periodic（）函數檢查參數指定的連接的狀態，如果需要重發則將重發數據放到包緩沖區（uip_buf）中并修改uip_len的值。當uip_periodic（）函數返回后，應該檢查uip_len的值，若不為0則將uip_buf緩沖區中的數據包發送到到網絡上。
　　ARP協議對于構建在以太網上的TCP/IP協議是必須的，但對于構建與其他網絡接口（例如：串行鏈路）上的TCP/IP則不是必需的。為了結構化的目的，uIP將ARP協議作為一個可添加的模塊單獨實現。因此，ARP表項的定時更新要單獨處理。系統定時器對ARP表的更新進行定時，定時時間到則調用uip_arp_timer（）函數對過期表項進行清除。
　　2 uIP協議棧與應用程序的接口
　　應用程序作為單獨的模塊由用戶實現，uIP協議棧提供一系列接口函數供用戶程序調用。用戶需將應用層入口程序作為接口提供給uIP協議棧，定義為宏UIP_APPCALL（）。uIP在接收到底層傳來的數據包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL（）。uIP提供給應用程序的接口函數按功能描述如下：
　　2.1 接收數據接口：應用程序利用uip_newdata（）函數檢測是否有新數據到達。全局變量uip_appdata指針指向實際數據。數據的大小通過uip_datalen（）函數獲得。
　　2.2 發送數據接口：應用程序通過使用uIP函數uip_send（）發送數據。uip_send（）函數采用兩個參數;一個指針指向發送數據起始地址，另一個指明數據的長度。
　　2.3 重發數據接口：應用程序通過測試函數uip_rexmit（）來判斷是否需要重發數據，如果需要重發則調用uip_send（）函數重發數據包。
　　2.4 關閉連接接口：應用程序通過調用uip_close（）函數關閉當前連接。
　　2.5 報告錯誤接口：uIP提供錯誤報告函數檢測連接中出現的錯誤。應用程序可以使用兩個測試函數uip_aborted（）和uip _timedout（） 去測試那些錯誤情況。
　　2.6 輪詢接口：當連接空閑時，uIP會周期性地輪詢應用程序，判斷是否有數據要發送。應用程序使用測試函數uip_poll（）去檢查它是否被輪詢過。
　　2.7 監聽端口接口：uIP維持一個監聽知名TCP端口的列表。通過uip_listen（）函數，一個新的監聽端口打開并添加到監聽列表中。當在一個監聽端口上接收到一個新的連接請求時，uIP產生一個新的連接和調用該端口對應的應用程序。
　　2.8 打開連接接口：在uIP里面通過使用uip_connect（）函數打開一個新連接。這個函數打開一個新連接到指定的IP地址和端口，返回一個新連接的指針到uip_conn結構。如果沒有空余的連接槽，函數返回空值。
　　2.9 數據流控制接口：uIP提供函數uip_stop（）和uip_restart（）用于TCP連接的數據流控制。應用程序可以通過函數uip_stop（）停止遠程主機發送數據。當應用程序準備好接收更多數據，調用函數uip_restart（）通知遠程終端再次發送數據。函數uip_stopped（）可以用于檢查當前連接是否停止。
四 uIP在51系列單片機上的應用
　　51系列單片機具有悠久的歷史和廣泛的應用，許多公司推出了具有更高的處理速度的51內核的8位單片機，被應用在各個領域內。因此使用uIP這種免費的TCP/IP協議棧解決由51內核的單片機構建的低端嵌入式設備的網絡接入問題具有一定的代表性。下面將討論利用uIP協議棧在51單片機上實現簡單的WEB SERVER，遠端用戶可以通過瀏覽器訪問存儲在單片機系統上的WEB頁面。


　　硬件平臺結構如圖（二）所示：其中單片機選用PHILIPS公司的P89C51RD2，64K字節的串行EEPROM可以用于存儲WEB頁面。采用ISA接口的以太網接口芯片RTL8019AS連接到以太網上。通過MAX232實現與PC機的串行連接，可以顯示調試信息。
　　uIP協議棧是以函數庫的形式提供的，本身不提供底層網絡驅動和上層應用程序。因此為了完成指定的功能，開發者必須添加以下幾個模塊：底層RTL8019AS網卡芯片的驅動、應用層基于HTTP協議的WEB SERVER的實現、系統定時器。
　　RTL8019AS的驅動主要包括三部分：init_8019as（）函數完成網卡芯片的上電初始化，包括設定網卡物理地址，設定收發緩沖區位置和大小等;eth_send（）函數完成數據的發送;eth_rcve（）函數完成以太網數據的接收。底層網絡設備驅動程序與uIP協議棧通過兩個全局變量進行接口：變量uip_buf為收發緩沖區的首地址;uip_len為收發的數據長度。eth_send（）函數將uip_buf里的uip_len長度的數據發送到以太網上。eth_rcve（）函數將接收到的數據存儲到uip_buf指定的緩沖區中，同時修改uip_len的值。
　　uIP提供的源代碼中包括一個基于HTTP協議的WEB SERVER示例，該WEB SERVER通過簡單的文件系統在數據存儲器中存儲靜態頁面，同時具有CGI功能。用戶可以參照該示例以及uIP提供給應用程序的接口函數說明實現自己的應用層功能。用戶的應用程序中必須將 UIP_APPCALL宏定義為該層的服務程序。例如：在示例程序中WEB SERVER的處理程序為httpd（）函數，則要進行如下的宏定義#define UIP_APPCALL httpd。
　　51系列單片機上都有2到3個定時計數器，可以選擇其中的一個來為TCP/IP協議中與時間有關的事件定時。需要由用戶處理的定時事件包括：為uip_periodic（）函數的執行提供基準，還要為ARP表項的更新定時。uip_periodic（）函數每0.5秒執行一次，ARP表項每10秒更新一次。
　　uIP的設置單獨包含在一個叫uipopt.h的頭文件里，都是以宏的形式定義方便于修改。用戶應根據自己的應用在uipopt.h文件里設置本地的物理地址、IP地址、網關地址、收發緩沖區的大小、支持的最大連接數、ARP表大小等等選項。
　　添加了必須的模塊，對uIP進行了正確地配置后，需要編寫主程序函數。針對基于以太網的WEB SERVER應用，主程序在完成初始化后將不停的進行查詢，如果有新數據包到達則送uip_input（）函數處理;如果沒有新數據包到達則處理定時事件。框架代碼如下所示：
　　void main（void） //主程序開始
　　｛ …… //省略部分代碼
　　timer0_init（）; //定時器初始化函數由開發者完成
　　serial_init（）; //串口初始化函數由開發者完成
　　init_8019（）; //網卡芯片初始化函數由開發者完成
　　uip_init（）; //uIP協議棧初始化函數由uIP協議棧提供
　　httpd_init（）; //HTTP應用程序初始化函數由WEB SERVER示例程序提供
　　uip_arp_init（）;//ARP協議初始化函數由ARP模塊提供
　　while（1）
　　｛ uip_len = eth_rcve（）; //查詢網卡是否有數據到來
　　if（uip_len == 0） //如果沒有數據到來則處理定時事件
　　｛ if（0.5秒定時時間到）
　　｛ for（i = 0; i < UIP_CONNS; i++） // UIP_CONNS為TCP連接數
　　｛ uip_periodic（i）; //處理每一個TCP連接
　　if（uip_len > 0） //說明本連接有數據要發送或重發
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP處理部分添加以太網幀頭
　　eth_send（）; //由網卡驅動程序發送
　　｝
　　｝//對應于：for（）
　　｝// 對應于：if（0.5秒定時時間到）
　　if（ARP表項更新時間到）
　　uip_arp_timer（）; //進行ARP表項更新
　　｝else if（uip_len > 0） //說明接收到新的數據包
　　｛ if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_IP））//如果收到IP數據包
　　｛ uip_arp_ipin（）; //送ARP模塊進行表項更新
　　uip_len -= sizeof（struct uip_eth_hdr）; //去除以太網幀頭
　　uip_input（）; //送uip_input（）進行處理
　　if（uip_len > 0） //若uip_input（）返回后uip_len不為零說明有數據要回送
　　｛ uip_arp_out（）; //由ARP部分添加以太網幀頭
　　eth_send（）; //送交網卡驅動發送
　　｝//對應于：if（）收到IP數據包
　　｝else if（BUF->type == htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//如果收到ARP包
　　｛ uip_arp_arpin（）; //由uip_arp_arpin（）處理，如果為應答包則進行表項
　　//更新
　　//如果為請求包，則構造應答數據包
　　if（uip_len > 0） //說明收到的是ARP請求包，需要回送ARP應答包
　　eth_send（）; //送網卡驅動發送
　　｝//對應于：else if（）收到ARP數據包
　　｝//對應于：else if（） 說明接收到新的數據包
　　｝｝
　　以上實例在keil C51編譯器下設置大模式，優化等級6（速度優先）進行編譯，對uIP代碼部分可以不做任何修改，對HTTP示例代碼僅需針對類型表達進行極少量的修改即可編譯通過。在硬件平臺上運行良好。
五 總結
　　uIP協議棧采用有效的方法和結構化的代碼，使其存儲器占用量很小并且可以很方便的應用到不同的工程項目中。同時它又是免費的可以自由使用于商業和非商業目的。uIP為低端嵌入式設備的網絡接入提供了很好的解決方案，具有很高的應用價值。
參考文獻
　　[ 1 ] DOUGLAS E. COMER著， 用TCP/IP進行網際互連（卷一、卷二） 電子工業出版社， 2000
　　[ 2 ] JEREMY BENTHAM著， 嵌入式系統Web服務器——TCP/IP Lean 機械工業出版社， 2003
　　[ 3 ] uIP協議棧網絡站點 http://dunkels.com/adam/uip/
　　[ 4 ] REALTEK公司. RTL8019AS Datasheet， 2000