單片機的TCP/IP的實現與UNIX的不同

TCP/IP最先是在UNIX系統里實現的，后來的LINUX、DOS、WINDOWS也實現了TCP/IP，隨后TCP/IP協議也被移植到其它嵌入式的處理器上，例如8位的MCS51單片機、AVR單片機，16位的ARM、C166以及32位的MIPS、ARM等芯片上。 TCP/IP協議的最底層IP層，很多定義都是16位或32位的，例如源IP地址（32位）目的IP地址（32位），校驗值（16位），特別是較驗值，是以16位為單位進行計算的，這樣使得能夠處理16位、32位運算的CPU，比如80286、80386……，ARM、MIPS、DSP，就有很大的速度上的優勢。而8位機MCS51處理則會慢很多。
　　由于指令的原因，以及資源上的原因，在UNIX上實現的TCP/IP協議的原代碼并不能夠直接移植到8位的單片機上。最早期的LINUX1.0版的內核是最小的實現TCP/IP的操作系統，它的程序的大小大概在1兆字節。而現在的紅旗LINUX,紅帽子LINUX，內核多達幾十兆，整個系統要幾張光盤來裝。早期的LINIX因為小，而被移植到掌上電腦，PDA等產品中。單片機的程序空間是極為有限的，直接尋址的空間僅64K字節，這跟電腦的存儲空間相比要差幾個數量級。除了程序空間小之外，可用的內存RAM也是非常小的，最多只能擴64K的RAM，而電腦的RAM至少在1兆以上。單片機的運算速度也極為有限，一般只有2MIPS，而電腦上的處理能力在100MIPS以上。
　　有些人提到有沒有必要在單片機上實現TCP/IP的問題。因為TCP/IP是一種標準，以太網也成為局域網的標準。在很多情況下運用以太網和TCP/IP，能夠簡化結構。比如目前較熱的智能小區，因為布線的原因，不能為每個家庭布很多線，而以太網的8芯雙絞是一定有的。例如寬帶上網，是直接通過以太網的，如果你制造的設備，比如安全產品，遠程抄表產品，家居智能產品能夠走以太網的話，可以利用現成的以太網絡。但如果走其它網絡，比如RS485、CAN單線、LONWORKS等，那么需要另外布線。布線是復雜的，還涉及到消防安全等。從成本看，用以太網實現聯網要比CAN、LONWORKS等更為便宜，集線器、交換機現在都非常便宜，而且將來有三網合一的趨勢，電話、電視、計算機三網合一。將來的趨勢可能是高速的以太網的天下，電話信號、電視信號、聯網都在以太網上跑。盡管目前還未能實現，但是這種趨勢是不可避免的。
　　有網友提到就算要利用以太網，也沒有必要跑TCP/IP。那么為什么要跑TCP/IP呢？ TCP/IP是一標準，這個標準使得數據傳輸不一定是要局域網，而可以在互聯網、跨地區跨國界。例如你在某一區域安裝了很多監控產品，但數據中心可能不設在那個區域，而設在其他地區。TCP/IP有兩種協議TCP和UDP；TCP保證了數據傳輸的正確性，（如果你的數據只跑以及網層，那么你的數據完整性是要你的編程來保證的，校驗的計算。數據包的丟失需要你手工處理，而TCP把這些所有你要處理細節都幫你處理了。UDP可以面向廣播的、視頻的、音頻的等方面的應用。實現TCP/IP的協議的好處是可以統一平臺，比如智能小區的產品，如果大家都遵守TCP/IP的協議，那么大家的產品才能兼容，假設一個大型的智能社區，這個社區可能由多家設備供應商進行建設，可能有某些廠商做平臺、做軟件，一些廠商做硬件。如果大家遵守TCP/IP協議，各自的遠程抄表產品，智能防盜產品就有可能兼容，對地產開發商來說，可以選擇多個供應商，有利于競爭，也避免某個廠家倒閉造成重大影響。
　　題外話說的多了，還是回到本章要談的內容吧。由于單片機與電腦的差別很大，兩者的實現有很大的不同。在電腦里編寫TCP/IP程序，你可以不考慮代碼大小、代碼速度，但在單片機上這些都是你要考慮的問題。綜合來說，單片機實現與UNIX實現TCP/IP有如下區別：　　（1）、操作系統。不論是WINDOWS、UNIX、LINUX，它們都有一個多任務操作系統，這使得代碼編寫簡單化，而在單片機上，因為資源的原因而無法使用多任務操作系統，這使得代碼結構變為順序執行+硬件中斷的方式，而在電腦里卻可以并發地執行。對程序執行結構，單片機要考慮更多。
　　（2）、內存分配。WINDOWS或UNIX的內存分配是動態的，根據需要隨時分配，隨時撤消。我們閱讀一些關于LINUX、UNIX的書，它們都是mbuf的存儲結構。mbuf是一個存儲鏈，這個鏈可以動態地增加和減小。比如在數據包很少的情況下，UNIX分配一個2K字節的緩沖區可能就夠用了，但如果數據包很多，就有可能要分配64K甚至更多的緩沖區，可分配的內存要根據CPU的可用內存來調整。但是在單片機卻不能夠這樣做。一個最大的以太網數據包有1500多個字節，分配一包的緩沖區就要1.5K字節，而一般實現TCP/IP的單片機只外接一塊32K字節的RAM。而這32K字節的RAM要被各個協議所用，而不僅僅是存放收到的數據包。一般的做法是分配一個256×6=1536個字節的RAM來存放收到的以太網數據包。收到一包就處理一包。而UNIX卻可以收很多包才處理。在單片機里，存放收到的以太網數據包的RAM是固定的，而不是動態分配的。所有UNIX關于內存管理、內存分配、mbuf的結構在單片機里并不適用。這些代碼對單片機是無用的。
　　（3）、指針。在電腦里，指針只有一種，就是指向某一地址的RAM，而在單片機里指針有幾種：
　　　1、指向外部RAM的指針例uchar xdata *p 使用指令 movx @dptr 占二個字節
　　　2、指向程序ROM的指針例uchar code *p 使用指令 movc 占二個字節
　　　3、指向內部的RAM的指針例uchar data *p 使用指令 mov @ri 占一個字節
　　　4、指向外部RAM的分頁指針例uchar pdata *p 使用指令 movx @ri 占一個字節
　　　5、一般指針,可以指向以上的任何一種占三個字節
　　　6. 還有其它用于分組切換的指針。
　　在電腦里，所有程序都必須先放在RAM里才能運行，所以它的指針只有一種情況，就是指向RAM。而單片機的結構和電腦的結構有很大差別，指針類型很多，對指針運算的速度也不一樣，由于第5種指針"一般指針"運算很慢，同時又需要占用很多程序空間，這使得指針運算不能從UNIX源代碼直接移植到單片機上，而UNIX實現TCP/IP的源代碼中，用的最多的就是指針，而在單片機里一般要求少用指針，或使用特定類型的指針。這使用UNIX的源代碼需要作很多的改動。
　（4）、參數傳遞。在UNIX實現的TCP/IP源代碼中，一般有很多的參數傳遞，而在單片機里允許傳遞的參數是有限的（因為受到內部RAM的限制），同時參數傳遞的過程要浪費程序代碼空間，也降低單片機執行速度。所以在單片機的實現里，一般不要做太多的參數傳遞，而多使用公共的全局變量來實現調用的過程。這種情況下，UNIX的一般源程序是相對獨立的，受其它函數或變量的影響很小，而單片機里各程序的相互依賴程度要大。因為在單片機里往往共享某一數據、某一變量。
　（5）變量定義。UNIX和KEIL C51雖然都是C語言，但兩者又有所不同，對于一些變量的定義，兩者卻不能通用。例如，單片機的特殊寄存器定義，sfr sfr16 sbit等，在標準C里是沒有的。在標準C里支持的結構，在KEIL C里也有可能不支持，比如一些C++的語法。在處理上的特殊性，也可能不一樣，比如IP地址類型，在UNIX里一般將IP地址定義為數組:
uchar ip[4]; 而在單片機里，我的定義是
union IP_address_type{uchar bytes[4];
uint words[2];
ulong dwords;}
IP 被定義為共用體，而不是簡單的一個數組。為什么要這樣做，是因為單片機處理的特殊性，例如比較兩個IP地址IP1，IP2是否相等，如果使用數組，比較是麻煩的：要寫成 if（IP1[0]==IP2[1]）**IP1[1]=IP2[1]**…… 用共用體可以簡化為
if（IP1.dwords==IP2.dwords）…… 有時候，我們又要把IP地址按16位來計算，比如較驗和計算，那么IP地址按16位加可以寫成： IP.dwords[0]+ IP.dwords[1]，有時，我們又要對IP地址按字節賦值，比如IP地址從24C02里讀出來，需要按字節賦值：可以為 IP.bytes[0]=×× IP.bytes[1]=×× IP.bytes[2]=×× IP.bytes[3]=××
如果不作這樣的定義，運算將復雜很多。而且一些編譯會認為類型混亂而無法編譯。在單片機里使用共用體會簡化很多。而在UNIX里要對這些值作改變，一般是利用指針進行的。在電腦里，用指針運算是方便的，而且速度也快，但在單片機里，卻不能夠方便地使用指針。在UNIX里的一些結構類型的定義都要被改寫。這樣也使得UNIX的源代碼不能直接用在單片機上。
　　（6）、協議支持。在UNIX里可支持比較完整的TCP/IP協議，但在單片機里無法做到，這是因為單片機根本沒有足夠的代碼空間來支持這些協議。一般在單片機里實現與需要有關的部分，而不使用的協議則一概不支持。例如文件共享SMB協議，在UNIX、WINDOWS都支持，但單片機上卻沒有必要。一般只能在單片機中實現：ARP、IP，ICMP、TCP、UDP這些協議，而更高層的協議，http、smtp、ftp一般是不需要支持的。雖然有些單片機例如AVR上網方案實現了http、smtp、ftp協議，但我們認為實用性不太，因為AVR上網方案用的是MEGA103，而該芯片要150元左右，高昂的造價使得AVR上網方案沒有得到廣泛的應用。單片機應用的TCP/IP協議大多是為了完成數據采集和數據傳輸，而不是網頁瀏覽、文件傳輸這些功能。就對某一協議而言，例如ARP協議，UNIX系統支持以太網、令牌環等網絡的ARP，但單片機里只支持以太網，也就是說，對于某一協議，也有可能要作簡化。IP包最大可以為65K，可以分段傳輸，而在單片機里根本無法容納如此大的數據包，因此一般是不支持分段的。單片機一般采用發送小數據包的方式，以避免分段。
　　（7）、硬件接口。在UNIX或WINDOWS里，對網卡驅動無一例外都是采用中斷方式。而在單片機的應用中，大部份的方案都是查詢式的。因為電腦的處理速度快，一次中斷的處理時間也很短，不會影響系統內的其它中斷。但在單片機里就不行了，處理一次中斷，收取一個數據包一般要幾毫秒的時間，這將封鎖其它中斷的產生（只有高優先級的中斷可以執行），而單片機往往還存在其它一些中斷，比如串口按收中斷，A/D條件中斷、鍵盤中斷等需要被執行，這就使得消耗時間長的網卡中斷改為查詢式執行。在電腦里，對網卡的驅動相對簡單，而在單片機里需要處理的事情更多。比如緩沖區溢出，閱讀一些驅動程序源代碼，你可能發現在電腦里的一些程序根本沒有處理溢出的代碼。因為電腦執行快，網卡緩沖區的溢出幾乎是不會發生的，不要說10M網卡，就是100M網卡，電腦也能夠很快處理。電腦往往采用即插即用方式來驅動網卡，而單片機卻不能這樣做，因為即插即用要很多代碼來實現，而使用跳線方式，電腦里驅動NE2000的網卡，一般都是用16位DMA的方式，而在單片機里卻只能用8位DMA方式。這也使用UNIX對網卡驅動的代碼不能直接移植。

閱讀全文

UNIX(42928) UNIX(42928)

搜索歷史

單片機的TCP/IP的實現與UNIX的不同

評論