8位机嵌入式TCP通信速度的研究

　　0 引 言

　　长久以来，串行RS 232和RS 485通信技术一直是自动化仪器、仪表中常用的通信标准。但近年来，随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展及其在工业自动化系统中的应用，使得工业自动化系统和仪器、仪表领域加速了向智能化、数字化和网络化方向发展的进程。出现了电力线通信技术、无线红外和蓝牙通信技术、基于USB接口的通信技术、现场总线技术以及嵌入式Internet接入技术等新技术。其中基于嵌入式Internet接入技术的网络化仪器是近年提出的全新概念，它是仪器检测技术与现代计算机技术、网络通信技术、微电子技术深度融合的产物口。检测仪器接入Internet，成为执行测量和控制任务的仪器Web站点，这种网络化仪器可 以像普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测控、存储和显示等，同时允许已授权的用户通过Internet远程对仪器进行操作、监控、故障诊断等。 在具体的应用中，出现了不少问题，其中之一就是传输率和系统利用率不高，本文正是在这种背景下产生的。

　　1 TCP通信硬件接口

　　典型的8位机采用TCP协议接入Internet的以太网网络接口如图1所示。RTL8019AS以其优异的性价比，成为目前单片机以太网系统的首 选以太网接口芯片。该芯片符合IEEE802.3 10Base2和10BaseT标准，具有自动奇偶检测和纠错功能，支持全双工工作模式。如图1中，RTL8019AS工作于8位跳线模式，数据线 SD0～SD7与8位单片机(51系列)的数据线(AD0～AD7)相连，地址线A0～A4与8位单片机的地址线(A0～A4)相连。读写信号经74S04产生。RTL8019AS的基地址(配合引脚34(AEN))为0x8000H，对应RTL8019AS内部地址0x300H。 RTL8019AS通过网络变压器HR901170A和RJ45接口与以太网相连接入internet，隔离网络上的干扰信号。

　　2 单片机系统中TCP通信问题分析

　　TCP协议是TCP/IP协议簇的核心，也是最复杂的协议。但由于其独特的自动检错和重发机制，实现了数据的可靠通信，但也正是由于其复杂性，在8 位机上实现TCP协议通信耗时就比较多，传输速率低下。TCP协议的数据通信过程，以客户机为例进行分析。图2是典型的采集系统TCP数据通信的时间序列 图。在建立连接后，由客户机向服务器发送数据。假设此时客户机的启始序列号为100，每次固定发送100字的样数据。服务器负责接受该数据，但不下发任何 送数据，只确认所接收的数据，其启始序列号为50。对于单片机系统，由于其处理速度和内存资源的局限，通常的处理流程如图3。

　　由于服务器(一般为装有windows系统的微机或工业计算机)并不是收到数据就直接发送确认，而是继续等待接受序列中的其他数据。这就会经常触发 服务器的接受延时的确认算法，这将导致剩下的数据不能在200 ms内发送。对于高速交互的采样系统而言，这将产生明显的时延。Host Requirements RFC申明TCP必须实现Nagle算法，但必须为用户提供一种方法来关闭该算法在某个连接上的执行。该算法要求TCP连接上最多只能有一个未被确认的未 完成的小分组，在该分组的确认到达之前不能发送其他的小分组。实际使用Sniffer监听软件也得到同样的结果，在接收到下位机的数据包后，上位机延时 200 ms后，发送确认包，其传输速度为10 packet/s，实际网络利用率不足1%。由图3可见，只要提高服务器确认发送的速度，就可以提高通信的速度。对于本系统采用33M的主频(C051F 单片机)发送一个分组(1 024 B)和接受一个确认分组(60 B)总用时为3～3.5 ms，关闭Nagle算法后，使用Sniffer监听分析数据包，系统上位机在收到数据包后，立即发送确认包，期间只有0.3 ms左右的网络延时，系统速率提高到设定的20 ms发送一次采样数据，即100 packet/s，系统利用率提高为为原来的10倍。