單片機(jī)的TCP/IP的實(shí)現(xiàn)與UNIX的不同

TCP/IP最先是在UNIX系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，后來(lái)的LINUX、DOS、WINDOWS也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP，隨后TCP/IP協(xié)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(jī)、AVR單片機(jī)，16位的ARM、C166以及32位的MIPS、ARM等芯片上。 TCP/IP協(xié)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(yàn)值（16位），特別是較驗(yàn)值，是以16位為單位進(jìn)行計(jì)算的，這樣使得能夠處理16位、32位運(yùn)算的CPU，比如80286、80386……，ARM、MIPS、DSP，就有很大的速度上的優(yōu)勢(shì)。而8位機(jī)MCS51處理則會(huì)慢很多。
　　由于指令的原因，以及資源上的原因，在UNIX上實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議的原代碼并不能夠直接移植到8位的單片機(jī)上。最早期的LINUX1.0版的內(nèi)核是最小的實(shí)現(xiàn)TCP/IP的操作系統(tǒng)，它的程序的大小大概在1兆字節(jié)。而現(xiàn)在的紅旗LINUX,紅帽子LINUX，內(nèi)核多達(dá)幾十兆，整個(gè)系統(tǒng)要幾張光盤來(lái)裝。早期的LINIX因?yàn)樾?，而被移植到掌?a target="_blank">電腦，PDA等產(chǎn)品中。單片機(jī)的程序空間是極為有限的，直接尋址的空間僅64K字節(jié)，這跟電腦的存儲(chǔ)空間相比要差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。除了程序空間小之外，可用的內(nèi)存RAM也是非常小的，最多只能擴(kuò)64K的RAM，而電腦的RAM至少在1兆以上。單片機(jī)的運(yùn)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(méi)有必要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP的問(wèn)題。因?yàn)門CP/IP是一種標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)也成為局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。在很多情況下運(yùn)用以太網(wǎng)和TCP/IP，能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。比如目前較熱的智能小區(qū)，因?yàn)椴季€的原因，不能為每個(gè)家庭布很多線，而以太網(wǎng)的8芯雙絞是一定有的。例如寬帶上網(wǎng)，是直接通過(guò)以太網(wǎng)的，如果你制造的設(shè)備，比如安全產(chǎn)品，遠(yuǎn)程抄表產(chǎn)品，家居智能產(chǎn)品能夠走以太網(wǎng)的話，可以利用現(xiàn)成的以太網(wǎng)絡(luò)。但如果走其它網(wǎng)絡(luò)，比如RS485、CAN單線、LONWORKS等，那么需要另外布線。布線是復(fù)雜的，還涉及到消防安全等。從成本看，用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要比CAN、LONWORKS等更為便宜，集線器、交換機(jī)現(xiàn)在都非常便宜，而且將來(lái)有三網(wǎng)合一的趨勢(shì)，電話、電視、計(jì)算機(jī)三網(wǎng)合一。將來(lái)的趨勢(shì)可能是高速的以太網(wǎng)的天下，電話信號(hào)、電視信號(hào)、聯(lián)網(wǎng)都在以太網(wǎng)上跑。盡管目前還未能實(shí)現(xiàn)，但是這種趨勢(shì)是不可避免的。
　　有網(wǎng)友提到就算要利用以太網(wǎng)，也沒(méi)有必要跑TCP/IP。那么為什么要跑TCP/IP呢？ TCP/IP是一標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得數(shù)據(jù)傳輸不一定是要局域網(wǎng)，而可以在互聯(lián)網(wǎng)、跨地區(qū)跨國(guó)界。例如你在某一區(qū)域安裝了很多監(jiān)控產(chǎn)品，但數(shù)據(jù)中心可能不設(shè)在那個(gè)區(qū)域，而設(shè)在其他地區(qū)。TCP/IP有兩種協(xié)議TCP和UDP；TCP保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，（如果你的數(shù)據(jù)只跑以及網(wǎng)層，那么你的數(shù)據(jù)完整性是要你的編程來(lái)保證的，校驗(yàn)的計(jì)算。數(shù)據(jù)包的丟失需要你手工處理，而TCP把這些所有你要處理細(xì)節(jié)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(yīng)用。實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議的好處是可以統(tǒng)一平臺(tái)，比如智能小區(qū)的產(chǎn)品，如果大家都遵守TCP/IP的協(xié)議，那么大家的產(chǎn)品才能兼容，假設(shè)一個(gè)大型的智能社區(qū)，這個(gè)社區(qū)可能由多家設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行建設(shè)，可能有某些廠商做平臺(tái)、做軟件，一些廠商做硬件。如果大家遵守TCP/IP協(xié)議，各自的遠(yuǎn)程抄表產(chǎn)品，智能防盜產(chǎn)品就有可能兼容，對(duì)地產(chǎn)開發(fā)商來(lái)說(shuō)，可以選擇多個(gè)供應(yīng)商，有利于競(jìng)爭(zhēng)，也避免某個(gè)廠家倒閉造成重大影響。
　　題外話說(shuō)的多了，還是回到本章要談的內(nèi)容吧。由于單片機(jī)與電腦的差別很大，兩者的實(shí)現(xiàn)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(jī)上這些都是你要考慮的問(wèn)題。綜合來(lái)說(shuō)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與UNIX實(shí)現(xiàn)TCP/IP有如下區(qū)別：　　（1）、操作系統(tǒng)。不論是WINDOWS、UNIX、LINUX，它們都有一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，這使得代碼編寫簡(jiǎn)單化，而在單片機(jī)上，因?yàn)橘Y源的原因而無(wú)法使用多任務(wù)操作系統(tǒng)，這使得代碼結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樞驁?zhí)行+硬件中斷的方式，而在電腦里卻可以并發(fā)地執(zhí)行。對(duì)程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，單片機(jī)要考慮更多。
　　（2）、內(nèi)存分配。WINDOWS或UNIX的內(nèi)存分配是動(dòng)態(tài)的，根據(jù)需要隨時(shí)分配，隨時(shí)撤消。我們閱讀一些關(guān)于LINUX、UNIX的書，它們都是mbuf的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。mbuf是一個(gè)存儲(chǔ)鏈，這個(gè)鏈可以動(dòng)態(tài)地增加和減小。比如在數(shù)據(jù)包很少的情況下，UNIX分配一個(gè)2K字節(jié)的緩沖區(qū)可能就夠用了，但如果數(shù)據(jù)包很多，就有可能要分配64K甚至更多的緩沖區(qū)，可分配的內(nèi)存要根據(jù)CPU的可用內(nèi)存來(lái)調(diào)整。但是在單片機(jī)卻不能夠這樣做。一個(gè)最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包有1500多個(gè)字節(jié)，分配一包的緩沖區(qū)就要1.5K字節(jié)，而一般實(shí)現(xiàn)TCP/IP的單片機(jī)只外接一塊32K字節(jié)的RAM。而這32K字節(jié)的RAM要被各個(gè)協(xié)議所用，而不僅僅是存放收到的數(shù)據(jù)包。一般的做法是分配一個(gè)256×6=1536個(gè)字節(jié)的RAM來(lái)存放收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(jī)里，存放收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的RAM是固定的，而不是動(dòng)態(tài)分配的。所有UNIX關(guān)于內(nèi)存管理、內(nèi)存分配、mbuf的結(jié)構(gòu)在單片機(jī)里并不適用。這些代碼對(duì)單片機(jī)是無(wú)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(jī)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(gè)字節(jié)
　　　2、指向程序ROM的指針例uchar code *p 使用指令 movc 占二個(gè)字節(jié)
　　　3、指向內(nèi)部的RAM的指針例uchar data *p 使用指令 mov @ri 占一個(gè)字節(jié)
　　　4、指向外部RAM的分頁(yè)指針例uchar pdata *p 使用指令 movx @ri 占一個(gè)字節(jié)
　　　5、一般指針,可以指向以上的任何一種占三個(gè)字節(jié)
　　　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(yùn)行，所以它的指針只有一種情況，就是指向RAM。而單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和電腦的結(jié)構(gòu)有很大差別，指針類型很多，對(duì)指針運(yùn)算的速度也不一樣，由于第5種指針"一般指針"運(yùn)算很慢，同時(shí)又需要占用很多程序空間，這使得指針運(yùn)算不能從UNIX源代碼直接移植到單片機(jī)上，而UNIX實(shí)現(xiàn)TCP/IP的源代碼中，用的最多的就是指針，而在單片機(jī)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(dòng)。
　（4）、參數(shù)傳遞。在UNIX實(shí)現(xiàn)的TCP/IP源代碼中，一般有很多的參數(shù)傳遞，而在單片機(jī)里允許傳遞的參數(shù)是有限的（因?yàn)槭艿絻?nèi)部RAM的限制），同時(shí)參數(shù)傳遞的過(guò)程要浪費(fèi)程序代碼空間，也降低單片機(jī)執(zhí)行速度。所以在單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)里，一般不要做太多的參數(shù)傳遞，而多使用公共的全局變量來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)用的過(guò)程。這種情況下，UNIX的一般源程序是相對(duì)獨(dú)立的，受其它函數(shù)或變量的影響很小，而單片機(jī)里各程序的相互依賴程度要大。因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)里往往共享某一數(shù)據(jù)、某一變量。
　（5）變量定義。UNIX和KEIL C51雖然都是C語(yǔ)言，但兩者又有所不同，對(duì)于一些變量的定義，兩者卻不能通用。例如，單片機(jī)的特殊寄存器定義，sfr sfr16 sbit等，在標(biāo)準(zhǔn)C里是沒(méi)有的。在標(biāo)準(zhǔn)C里支持的結(jié)構(gòu)，在KEIL C里也有可能不支持，比如一些C++的語(yǔ)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(shù)組:
uchar ip[4]; 而在單片機(jī)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(jiǎn)單的一個(gè)數(shù)組。為什么要這樣做，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理的特殊性，例如比較兩個(gè)IP地址IP1，IP2是否相等，如果使用數(shù)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(jiǎn)化為
if（IP1.dwords==IP2.dwords）…… 有時(shí)候，我們又要把IP地址按16位來(lái)計(jì)算，比如較驗(yàn)和計(jì)算，那么IP地址按16位加可以寫成： IP.dwords[0]+ IP.dwords[1]，有時(shí)，我們又要對(duì)IP地址按字節(jié)賦值，比如IP地址從24C02里讀出來(lái)，需要按字節(jié)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(yùn)算將復(fù)雜很多。而且一些編譯會(huì)認(rèn)為類型混亂而無(wú)法編譯。在單片機(jī)里使用共用體會(huì)簡(jiǎn)化很多。而在UNIX里要對(duì)這些值作改變，一般是利用指針進(jìn)行的。在電腦里，用指針運(yùn)算是方便的，而且速度也快，但在單片機(jī)里，卻不能夠方便地使用指針。在UNIX里的一些結(jié)構(gòu)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(jī)上。
　　（6）、協(xié)議支持。在UNIX里可支持比較完整的TCP/IP協(xié)議，但在單片機(jī)里無(wú)法做到，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)根本沒(méi)有足夠的代碼空間來(lái)支持這些協(xié)議。一般在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)與需要有關(guān)的部分，而不使用的協(xié)議則一概不支持。例如文件共享SMB協(xié)議，在UNIX、WINDOWS都支持，但單片機(jī)上卻沒(méi)有必要。一般只能在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)：ARP、IP，ICMP、TCP、UDP這些協(xié)議，而更高層的協(xié)議，http、smtp、ftp一般是不需要支持的。雖然有些單片機(jī)例如AVR上網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)了http、smtp、ftp協(xié)議，但我們認(rèn)為實(shí)用性不太，因?yàn)锳VR上網(wǎng)方案用的是MEGA103，而該芯片要150元左右，高昂的造價(jià)使得AVR上網(wǎng)方案沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議大多是為了完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，而不是網(wǎng)頁(yè)瀏覽、文件傳輸這些功能。就對(duì)某一協(xié)議而言，例如ARP協(xié)議，UNIX系統(tǒng)支持以太網(wǎng)、令牌環(huán)等網(wǎng)絡(luò)的ARP，但單片機(jī)里只支持以太網(wǎng)，也就是說(shuō)，對(duì)于某一協(xié)議，也有可能要作簡(jiǎn)化。IP包最大可以為65K，可以分段傳輸，而在單片機(jī)里根本無(wú)法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此一般是不支持分段的。單片機(jī)一般采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式，以避免分段。
　　（7）、硬件接口。在UNIX或WINDOWS里，對(duì)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)無(wú)一例外都是采用中斷方式。而在單片機(jī)的應(yīng)用中，大部份的方案都是查詢式的。因?yàn)殡娔X的處理速度快，一次中斷的處理時(shí)間也很短，不會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)的其它中斷。但在單片機(jī)里就不行了，處理一次中斷，收取一個(gè)數(shù)據(jù)包一般要幾毫秒的時(shí)間，這將封鎖其它中斷的產(chǎn)生（只有高優(yōu)先級(jí)的中斷可以執(zhí)行），而單片機(jī)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(zhí)行，這就使得消耗時(shí)間長(zhǎng)的網(wǎng)卡中斷改為查詢式執(zhí)行。在電腦里，對(duì)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，而在單片機(jī)里需要處理的事情更多。比如緩沖區(qū)溢出，閱讀一些驅(qū)動(dòng)程序源代碼，你可能發(fā)現(xiàn)在電腦里的一些程序根本沒(méi)有處理溢出的代碼。因?yàn)殡娔X執(zhí)行快，網(wǎng)卡緩沖區(qū)的溢出幾乎是不會(huì)發(fā)生的，不要說(shuō)10M網(wǎng)卡，就是100M網(wǎng)卡，電腦也能夠很快處理。電腦往往采用即插即用方式來(lái)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡，而單片機(jī)卻不能這樣做，因?yàn)榧床寮从靡芏啻a來(lái)實(shí)現(xiàn)，而使用跳線方式，電腦里驅(qū)動(dòng)NE2000的網(wǎng)卡，一般都是用16位DMA的方式，而在單片機(jī)里卻只能用8位DMA方式。這也使用UNIX對(duì)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的代碼不能直接移植。

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UNIX(42928) UNIX(42928)

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