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2024年3月13日发(作者：表单大师如何导出excel)
TCP/IP在51单片机上的实现特点和方法
李章林
1
，张立民
1
（ 1 南开大学信息技术科学学院， 天津 300071 ）
摘要：为了实现51单片机接入internet，开发基于51单片机的TCP/IP具有重要意义。为此开发了zlIP，它是针对51单片机的特点使用
KeilC51编程语言编写的TCP/IP，具有代码量小和兼容BSD套接字(socket)用户接口等特点。zlIP1.0版注重于运行速度，zlIP2.0版注重
于用户接口的易用性，以从不同的角度试验在51单片机上实现TCP/IP的特点。通过比较两个版本的优缺点和吸收国内外其它TCP/IP的优
点，分析了在单片机上实现TCP/IP的速度、程序大小、内存大小、编译器等特点，并针对这些特点总结和提出多种技巧和方法，并对这些
技巧、方法的优缺点进行了分析。最后讲述了几点关键技术：设计清晰的TCP/IP和应用层的接口、采用前后台和多线程程序结构的比较，
内存管理方法和防止多余的内存拷贝，实现数据包整序重发和窗口控制等。
关键词：TCP/IP；单片机；zlIP
中文分类号： 文献标识码：A 文章编号：1006-8740（2003）-00-0000-00
1 引言
随着网络应用的不断扩大，将各类电子设备接入Internet的需求越来越大。电子设备入网有多
种解决方案：例如使用嵌入式系统，如使用ARM＋Linux；一些实现TCP/IP的芯片也已经可以获得，
（1）
例如Analog Devices推出的Internet Modem；在51系列单片机运行TCP/IP协议栈等。前两种
方案具有良好的性能，而在单片机上实现TCP/IP的方案具有很低的价格，在某些对网络速度要求不
高的领域，有广阔的应用前景。
2 TCP/IP在单片机上实现的特点
2.1 速度慢
我们先来了解51单片机网络传输的极限速率。TCP/IP发送过程中主要的运算量集中在三个部
分：应用程序将数据拷贝到RAM、计算TCP校验和、将RAM中的数据包拷贝到网络设备的发送缓冲
区。对每一个字节数据，两次拷贝大致共使用12×2＝24个指令周期；计算TCP校验和使用16个指
令周期。采用12M的晶振，最高网络传输速度为25K字节/秒。实际上要比这个速度慢，zlIP第一
版速度只有11.752K字节/秒。
为了提高速度可以采用快速的单片机比如Winbond公司的77E58或者AVR单片机，当然还可以
提高晶振频率。除此之外还有：使用KeilC时，尽量避免使用Reentrant函数，Reentrant类型的
函数比一般函数速度要慢很多，但是某些时候为了程序结构的需要必须使用Reentrant，这就需要
(2)
在速度和结构之间作一个选择；指针使用“指定存储类型”的指针（memory-specific pointer）
；
精简协议栈去除运算量大但是用处不大的功能，目前zlIP中TCP定时重发时间是固定的，也没有拥
塞窗口控制，也没有IP层路由算法；防止数据包的不必要的拷贝；优化计算校验和和内存拷贝函数。
2.2 程序存储空间和外部RAM空间不大
通常TCP/IP协议栈需要大量的RAM来存储需要被应答的TCP包，如果规定时间内没有被应答则
重发这个TCP包，被应答以后释放这个TCP包。
（3）
为了减小RAM使用量，能否不存储需要被应答的TCP包？
。当数据包需要重新发送时，如果
能够重新产生数据包所需的数据，那时就可以不存储。例如存在于EEPROM中的html网页。但是这
种方法存在以下两个缺点：一，TCPIP和应用层接口变得复杂。当需要重发时，必须需要应用层重
新产生数据，实际上将TCP负责的重发机制转移到了应用层。应用层程序编写变得复杂。二，对数
据无法重新产生的应用不适用。例如语音采集。
2.3编译器
TCP/IP一般采用C语言或者混合汇编来写。以KeilC516.0编译器为例。与X8086编辑的代码
不同，使用KeilC要注意函数重入、指针、函数指针这三个问题。使用可重入函数和一般指针（generic
pointer）使得程序代码增大，运行速度变慢。使用函数指针时，要么需要手动重建调用树(Call
tree)，要么将通过函数指针调用的函数都设置为可重入函数。所以尽量少用重入函数、函数指针和
1
一般指针。
3 zlIP的特点和实现技巧
3.1 特点
其它的TCP/IP有lwIP、uIP、ucIP、tinyTCP等。其中lwIP、uIP、tinyTCP已经成功地移植到
了单片机。lwIP是专门为微处理器设计的TCP/IP协议栈，lwIP的功能很全面，但是相对来说代码
（4）
较大，有人做过移植lwip+ucOSII代码量为60K。uIP侧重于减小代码量（选择AVR为目标器件时，
代码为5K左右）和减小RAM使用量（100字节左右）。uIP采用了不保存需要应答的数据包的RAM使
用方案，没有和BSD的套接字接口兼容，应用层接口较复杂。zlIP介于uIP和lwIP之间，它针对
单片机设计，有中等代码量和RAM使用量，使用套接字的应用层接口，所有的外部变量都使用了xdata
类型，全部指针都为明确存储类型的指针，需要重入的函数已经声明为reentant，使用KeilC的小
模式下编译。使用12M晶振、KeilC编译器、89C52单片下测试的技术参数如下：
表1：zlIP技术参数(Technical parameter of zlIP)
zlIP的版本
1.0
2.0
代码量（字节）
6791
14464
外部RAM使用量（字节）发送速度（字节/秒）
20K
4K
11.752K
5.892K
2.0版主要功能有：支持套接字形式的多个TCP连接。支持多个网络设备。支持通过网关发送数据
包和数据包转发功能。响应ping命令。支持TCP包的整序、重发和窗口控制流量控制。
3.2 zlIP实现TCP/IP的技巧和方法
3.2.1设计套接字接口
zlIP接口函数基本和BSD的套接字接口相同。提供的用户接口函数有：
z TCPSocket()。函数原型：socket * TCPSocket(IP_ADDR ScrIP)。功能：申请一个套接字。ScrIP
是这个套接字的本地IP地址。返回socket类型指针，如果申请失败返回NULL。
z TCPConnect()。函数原型：BOOL TCPConnect(socket * pTCB, IP_ADDR DestIP, WORD
DestPort,void (* recv)(void * buf,WORD size),void (* close)(socket * pSocket))。功
能：向IP地址为DestIP的服务器的DestPort端口发起连接。参数recv和close用于设置当
接收到数据包和对方要求关闭TCP连接时应该调用的回调函数指针。连接成功返回TRUE，否则
返回FALSE。
z TCPSend()。函数原型：BOOL TCPSend(socket * pTCB,void *buf,WORD DataSize)。功能：发
送数据。发送数据的TCP连接是套接字指针pTCB对应的连接，发送的数据的起始地址为buf，
大小为DataSize。发送成功返回TRUE，否则返回FALSE。
z TCPListen()。函数原型：BOOL TCPListen(socket *pTCB,WORD ScrPort,void (* accept)(socket
*pNewTCB)) 。功能：使用套接字pTCB在ScrPort端口监听。参数accept是当有客户端向这个
监听端口连接成功时调用的回调函数指针。
z TCPClose()。函数原型：void TCPClose(socket *pTCB)。功能：我方主动关闭连接时调用TCPClose
函数，它将要求关闭套接字pTCB对应的连接。TCPClose返回以后这个TCP连接可能保持，因
为另一方还没有发起关闭请求。
z TCPAbort()。函数原型：void TCPAbort(socket *pTCB)。功能：当使用完这个套接字以后，调
用TCPAbort，将这个套接字释放，还给系统。
TCP/IP协议运行中，接收数据包到达、另一方发起关闭连接、另一方向我方发起连接这些事件
发生以后如何通知应用层？下面以收到数据包为例提供几种思路：(1)TCP/IP模块设置一个变量
bRecv表征是否有数据包到达，应用层必须反复的查询这个变量，如果为TRUE，则调用一个接收函
数接收这个数据包。但是这种方法增加了应用层程序的复杂性。(2)固定的回调函数。当TCP层接收
到一个数据包后调用OnReceive(pTCB,buf,size)函数。用户必须在应用层定义一个函数名为
OnReceive的函数。然后在OnReceive函数中处理接收的数据。(3)回调函数指针。每个套接字保存
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