单片机的TCPIP的实现与UNIX的不同

TCP/IP最先是在UNIX系统里实现的，后来的LINUX、DOS、WINDOWS也实现了TCP/IP，随后TCP/IP协议也被移植到其它嵌入式的处理器上，例如8位的MCS51单片机、AVR单片机，16位的ARM、C166以及32位的MIPS、ARM等芯片上。 TCP/IP协议的最底层IP层，很多定义都是16位或32位的，例如源IP地址（32位）目的IP地址（32位），校验值（16位），特别是较验值，是以16位为单位进行计算的，这样使得能够处理16位、32位运算的CPU，比如80286、80386……，ARM、MIPS、DSP，就有很大的速度上的优势。而8位机MCS51处理则会慢很多。
　　由于指令的原因，以及资源上的原因，在UNIX上实现的TCP/IP协议的原代码并不能够直接移植到8位的单片机上。最早期的LINUX1.0版的内核是最小的实现TCP/IP的 *** 作系统，它的程序的大小大概在1兆字节。而现在的红旗LINUX,红帽子LINUX，内核多达几十兆，整个系统要几张光盘来装。早期的LINIX因为小，而被移植到掌上电脑，PDA等产品中。 单片机的程序空间是极为有限的，直接寻址的空间仅64K字节，这跟电脑的存储空间相比要差几个数量级。除了程序空间小之外，可用的内存RAM也是非常小的，最多只能扩64K的RAM，而电脑的RAM至少在1兆以上。单片机的运算速度也极为有限，一般只有2MIPS，而电脑上的处理能力在100MIPS以上。
　　有些人提到有没有必要在单片机上实现TCP/IP的问题。因为TCP/IP是一种标准，以太网也成为局域网的标准。在很多情况下运用以太网和TCP/IP，能够简化结构。比如目前较热的智能小区，因为布线的原因，不能为每个家庭布很多线，而以太网的8芯双绞是一定有的。例如宽带上网，是直接通过以太网的，如果你制造的设备，比如安全产品，远程抄表产品，家居智能产品能够走以太网的话，可以利用现成的以太网络。但如果走其它网络，比如RS485、CAN单线、LONWORKS等，那么需要另外布线。布线是复杂的，还涉及到消防安全等。从成本看，用以太网实现联网要比CAN、LONWORKS等更为便宜，集线器、交换机现在都非常便宜，而且将来有三网合一的趋势，电话、电视、计算机三网合一。将来的趋势可能是高速的以太网的天下，电话信号、电视信号、联网都在以太网上跑。尽管目前还未能实现，但是这种趋势是不可避免的。
　　 有网友提到就算要利用以太网，也没有必要跑TCP/IP。那么为什么要跑TCP/IP呢？ TCP/IP是一标准，这个标准使得数据传输不一定是要局域网，而可以在互联网、跨地区跨国界。例如你在某一区域安装了很多监控产品，但数据中心可能不设在那个区域，而设在其他地区。TCP/IP有两种协议TCP和UDP；TCP保证了数据传输的正确性，（如果你的数据只跑以及网层，那么你的数据完整性是要你的编程来保证的，校验的计算。数据包的丢失需要你手工处理，而TCP把这些所有你要处理细节都帮你处理了。UDP可以面向广播的、视频的、音频的等方面的应用。实现TCP/IP的协议的好处是可以统一平台，比如智能小区的产品，如果大家都遵守TCP/IP的协议，那么大家的产品才能兼容，假设一个大型的智能社区，这个社区可能由多家设备供应商进行建设，可能有某些厂商做平台、做软件，一些厂商做硬件。如果大家遵守TCP/IP协议，各自的远程抄表产品，智能防盗产品就有可能兼容，对地产开发商来说，可以选择多个供应商，有利于竞争，也避免某个厂家倒闭造成重大影响。
　　 题外话说的多了，还是回到本章要谈的内容吧。由于单片机与电脑的差别很大，两者的实现有很大的不同。在电脑里编写TCP/IP程序，你可以不考虑代码大小、代码速度，但在单片机上这些都是你要考虑的问题。 综合来说，单片机实现与UNIX实现TCP/IP有如下区别： 　　（1）、 *** 作系统。不论是WINDOWS、UNIX、LINUX，它们都有一个多任务 *** 作系统，这使得代码编写简单化，而在单片机上，因为资源的原因而无法使用多任务 *** 作系统，这使得代码结构变为顺序执行+硬件中断的方式，而在电脑里却可以并发地执行。对程序执行结构，单片机要考虑更多。
　　 （2）、内存分配。WINDOWS或UNIX的内存分配是动态的，根据需要随时分配，随时撤消 。我们阅读一些关于LINUX、UNIX的书，它们都是mbuf的存储结构。mbuf是一个存储链，这个链可以动态地增加和减小。比如在数据包很少的情况下，UNIX分配一个2K字节的缓冲区可能就够用了，但如果数据包很多，就有可能要分配64K甚至更多的缓冲区，可分配的内存要根据CPU的可用内存来调整。 但是在单片机却不能够这样做。一个最大的以太网数据包有1500多个字节，分配一包的缓冲区就要1.5K字节，而一般实现TCP/IP的单片机只外接一块32K字节的RAM。而这32K字节的RAM要被各个协议所用，而不仅仅是存放收到的数据包。一般的做法是分配一个256×6=1536个字节的RAM来存放收到的以太网数据包。收到一包就处理一包。而UNIX却可以收很多包才处理。在单片机里，存放收到的以太网数据包的RAM是固定的，而不是动态分配的。所有UNIX关于内存管理、内存分配、mbuf的结构在单片机里并不适用。这些代码对单片机是无用的。
　　 （3）、指针。在电脑里，指针只有一种，就是指向某一地址的RAM，而在单片机里指针有几种：
　　　1、 指向外部RAM的指针 例uchar xdata *p 使用指令 movx @dptr 占二个字节
　　　2、 指向程序ROM的指针 例uchar code *p 使用指令 movc 占二个字节
　　　3、 指向内部的RAM的指针 例uchar data *p 使用指令 mov @ri 占一个字节
　　　4、 指向外部RAM的分页指针 例uchar pdata *p 使用指令 movx @ri 占一个字节
　　　5、 一般指针,可以指向以上的任何一种 占三个字节
　　　6. 还有其它用于分组切换的指针。
　　在电脑里，所有程序都必须先放在RAM里才能运行，所以它的指针只有一种情况，就是指向RAM。而单片机的结构和电脑的结构有很大差别，指针类型很多，对指针运算的速度也不一样，由于第5种指针"一般指针"运算很慢，同时又需要占用很多程序空间，这使得指针运算不能从UNIX源代码直接移植到单片机上，而UNIX实现TCP/IP的源代码中，用的最多的就是指针，而在单片机里一般要求少用指针，或使用特定类型的指针。这使用UNIX的源代码需要作很多的改动。
　 （4）、参数传递。在UNIX实现的TCP/IP源代码中，一般有很多的参数传递，而在单片机里允许传递的参数是有限的（因为受到内部RAM的限制），同时参数传递的过程要浪费程序代码空间，也降低单片机执行速度。所以在单片机的实现里，一般不要做太多的参数传递，而多使用公共的全局变量来实现调用的过程。这种情况下，UNIX的一般源程序是相对独立的，受其它函数或变量的影响很小，而单片机里各程序的相互依赖程度要大。因为在单片机里往往共享某一数据、某一变量。
　 （5）变量定义。UNIX和KEIL C++51虽然都是C语言，但两者又有所不同，对于一些变量的定义，两者却不能通用。例如，单片机的特殊寄存器定义，sfr sfr16 sbit等，在标准C里是没有的。在标准C里支持的结构，在KEIL C里也有可能不支持，比如一些C++的语法。在处理上的特殊性，也可能不一样，比如IP地址类型，在UNIX里一般将IP地址定义为数组:
uchar ip[4]; 而在单片机里，我的定义是
union IP_address_type{uchar bytes[4];
uint words[2];
ulong dwords;}
IP 被定义为共用体，而不是简单的一个数组。为什么要这样做，是因为单片机处理的特殊性，例如比较两个IP地址IP1，IP2是否相等，如果使用数组，比较是麻烦的： 要写成 if（IP1[0]==IP2[1]）**IP1[1]=IP2[1]**…… 用共用体可以简化为
if（IP1.dwords==IP2.dwords）…… 有时候，我们又要把IP地址按16位来计算，比如较验和计算，那么IP地址按16位加可以写成： IP.dwords[0]+ IP.dwords[1]， 有时，我们又要对IP地址按字节赋值，比如IP地址从24C02里读出来，需要按字节赋值：可以为 IP.bytes[0]=×× IP.bytes[1]=×× IP.bytes[2]=×× IP.bytes[3]=××
如果不作这样的定义，运算将复杂很多。而且一些编译会认为类型混乱而无法编译。 在单片机里使用共用体会简化很多。而在UNIX里要对这些值作改变，一般是利用指针进行的。在电脑里，用指针运算是方便的，而且速度也快，但在单片机里，却不能够方便地使用指针。 在UNIX里的一些结构类型的定义都要被改写。这样也使得UNIX的源代码不能直接用在单片机上。
　　 （6）、协议支持。在UNIX里可支持比较完整的TCP/IP协议，但在单片机里无法做到，这是因为单片机根本没有足够的代码空间来支持这些协议。一般在单片机里实现与需要有关的部分，而不使用的协议则一概不支持。例如文件共享SMB协议，在UNIX、WINDOWS都支持，但单片机上却没有必要。一般只能在单片机中实现：ARP、IP，ICMP、TCP、UDP这些协议，而更高层的协议，http、smtp、ftp一般是不需要支持的。虽然有些单片机例如AVR上网方案实现了http、smtp、ftp协议，但我们认为实用性不太，因为AVR上网方案用的是MEGA103，而该芯片要150元左右，高昂的造价使得AVR上网方案没有得到广泛的应用。单片机应用的TCP/IP协议大多是为了完成数据采集和数据传输，而不是网页浏览、文件传输这些功能。就对某一协议而言，例如ARP协议，UNIX系统支持以太网、令牌环等网络的ARP，但单片机里只支持以太网，也就是说，对于某一协议，也有可能要作简化。IP包最大可以为65K，可以分段传输，而在单片机里根本无法容纳如此大的数据包，因此一般是不支持分段的。单片机一般采用发送小数据包的方式，以避免分段。
　　 （7）、硬件接口。在UNIX或WINDOWS里，对网卡驱动无一例外都是采用中断方式。而在单片机的应用中，大部份的方案都是查询式的。因为电脑的处理速度快，一次中断的处理时间也很短，不会影响系统内的其它中断。但在单片机里就不行了，处理一次中断，收取一个数据包一般要几毫秒的时间，这将封锁其它中断的产生（只有高优先级的中断可以执行），而单片机往往还存在其它一些中断，比如串口按收中断，A/D条件中断、键盘中断等需要被执行，这就使得消耗时间长的网卡中断改为查询式执行。在电脑里，对网卡的驱动相对简单，而在单片机里需要处理的事情更多。比如缓冲区溢出，阅读一些驱动程序源代码，你可能发现在电脑里的一些程序根本没有处理溢出的代码。因为电脑执行快，网卡缓冲区的溢出几乎是不会发生的，不要说10M网卡，就是100M网卡，电脑也能够很快处理。电脑往往采用即插即用方式来驱动网卡，而单片机却不能这样做，因为即插即用要很多代码来实现，而使用跳线方式，电脑里驱动NE2000的网卡，一般都是用16位DMA的方式，而在单片机里却只能用8位DMA方式。这也使用UNIX对网卡驱动的代码不能直接移植。