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嵌入式系統(tǒng)以應用為中心､以計算機技術為基礎､軟件硬件可裁剪､適應了各種應用系統(tǒng)中對功能､可靠性､成本､體積､功耗等的嚴格要求,因此它贏得了巨大的市場,在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機｡嵌入式接入Internet是近幾年隨著計算機網(wǎng)絡技術的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項新興概念和技術,它通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴展其功能,一般指設備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet,以Internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互的過程,通常又稱為非PC接入｡ 嵌入式系統(tǒng)利用網(wǎng)絡接口控制芯片實現(xiàn)與網(wǎng)絡的通信功能,成本低,控制方便可靠,滿足系統(tǒng)對通信的要求｡考慮到本身的特點,在大量工業(yè)領域中應用嵌入式設備功能比較單一,在上述網(wǎng)絡接口控制芯片接口程序的基礎上只需要開發(fā)簡化的嵌入式協(xié)議棧,就可滿足許多情況下的應用需求｡目前,許多公司和組織致力于將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線實現(xiàn)無縫連接,使以太網(wǎng)越來越向底層延伸｡以太網(wǎng)在現(xiàn)場設備中的應用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開發(fā)等也日益成為研究的熱點｡ 1 嵌入式接入網(wǎng)的主要方式 目前嵌入式系統(tǒng)接入Internet通常有以下兩種主要方式: (1)采用高速的16/32Bit微控制器直接實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,這種方法的實現(xiàn)框圖如圖1所示｡這種方式可以使嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連,有很大的靈活性｡缺點是占用的系統(tǒng)資源較多,對微控制器的要求也很高,無法在8/16Bit低速微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)｡ 圖1 直接實現(xiàn)TCP/IP系統(tǒng) (2)使用嵌入式網(wǎng)關來實現(xiàn),如圖2所示｡各個嵌入式系統(tǒng)首先和網(wǎng)關進行通信,通信方式采用傳統(tǒng)的RS-232､RS-485等,由嵌入式網(wǎng)關負責實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,完成嵌入式系統(tǒng)的信息與Internet的信息交互｡這種方案解決了以低速8/16Bit微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問題｡缺點是需要一個專門的嵌入式網(wǎng)關,而且和各個嵌入式系統(tǒng)之間的通信同樣受到速度和距離的限制,這種方法的實現(xiàn)成本將會增加｡ 2 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分｡硬件包括處理器微處理器､存儲器及外設器件和30端口､圖形控制器等｡軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(要求實時和多任務操作)和應用程序編程｡嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器｡嵌入式互聯(lián)的目標是嵌入式設備工作在以網(wǎng)絡為中心的環(huán)境中,把“孤立的目標系統(tǒng)”相互連接起來｡為適應嵌入式分布處理結構和應用上網(wǎng)需求,嵌入式系統(tǒng)必需配有一種或多種網(wǎng)絡通信接口,使嵌入式微控制器不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能,而且還能執(zhí)行與連接因特網(wǎng)相關的功能,從而把標準網(wǎng)絡技術(TCP/IP)一直擴展到嵌入設備,由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)Web服務器功能,這是解決嵌入式Internet問題的最佳方案｡ 嵌入式設備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講,只要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議就可以｡針對嵌入式設備連接涉及的兩個關鍵問題即傳送信息的媒質(zhì)和采用的協(xié)議｡最常用的聯(lián)接模式是以太網(wǎng)通信介質(zhì)的有線連接與TCP/IP協(xié)議｡其網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議分層如圖1所示｡利用網(wǎng)絡接口控制器(NIC-Network InteRFace Controller)來實現(xiàn)物理層和鏈路層協(xié)議,同時微處理器運行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來實現(xiàn)與Intranet/Internet網(wǎng)的連接｡一旦這個目標得以實現(xiàn),就能在網(wǎng)絡環(huán)境下在任何時間從任何地點對位于任何其它地方的系統(tǒng)中的微控制器進行監(jiān)控,利用傳統(tǒng)的Web和因特網(wǎng)機制遠程監(jiān)視數(shù)據(jù)和運行情況控制,而且還能在合適的條件下對系統(tǒng)進行調(diào)試､升級和維護｡ 3 技術難點分析 3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)的封裝 把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡上,首要條件是產(chǎn)生符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)格式｡首先從一個物理幀的格式來分析｡一個標準的IEEE802.3的物理幀如圖4所示: 如果與嵌入式系統(tǒng)的通信只是局限于局域網(wǎng)之中,在物理幀的數(shù)據(jù)域內(nèi)可以直接放置要發(fā)送的數(shù)據(jù)｡如果需要和其他的網(wǎng)絡進行通信,在物理幀的數(shù)據(jù)域中需要封裝更高層的協(xié)議,嵌入式系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)應該封裝在高層協(xié)議的數(shù)據(jù)域內(nèi)｡這些數(shù)據(jù)的層層封裝和物理幀的形成對于速度沒有特殊的要求,普通的低速微控制器完全可以實現(xiàn)｡ 3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送 以10M以太網(wǎng)為例說明,發(fā)送數(shù)據(jù)時應該做的工作是,首先對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼,而后對編碼后的數(shù)據(jù)進行扭曲處理,使發(fā)送的數(shù)據(jù)適合在 10M以太網(wǎng)上傳輸,最后把處理好的數(shù)據(jù)以10M的速度發(fā)送到以太網(wǎng)上｡同時,為了保證數(shù)據(jù)的有效發(fā)送,系統(tǒng)還應具有沖突檢測和重發(fā)的功能｡ 從以上的發(fā)送過程可以看出,直接用普通的微控制器是很困難的,應該考慮用其他的方法實現(xiàn)｡ 4 一種嵌入式網(wǎng)絡接口的實現(xiàn)方案 基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡體系結構實現(xiàn)的核心問題是如何實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡接口｡在眾多實現(xiàn)方案中,以MCU為核心的實現(xiàn)方案,雖然實現(xiàn)起來有一定困難,仍因其極低的成本,受到格外重視｡在此實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡接口芯片與MCU相結合的方案,如圖5所示｡ RTL8019AS與硬件實現(xiàn)以太網(wǎng)接口芯片中,選用RTL8019AS｡由臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器,由于其優(yōu)良的性能､低廉的價格,使其在市場上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?#65377;使用8051/52兼容單片機實現(xiàn)對RTL8019AS的控制,電路圖如圖6所示｡ RTL8019AS采用8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶�模式(IOCS16接地, JP接高電平)｡  0口通過地址鎖存器實現(xiàn)地址數(shù)據(jù)復用｡3.4片選RTL8019AS｡數(shù)據(jù)收發(fā)不使用中斷驅(qū)動,全部由軟件查詢實現(xiàn)｡基地址選擇引腳IOS[3:0]空,I/O基地址為300H｡使用雙絞線為通信介質(zhì),所使用的引腳有:TPIN+,TPIN-,POUT+,TPOUT-,連入耦合隔離變壓器FB2022,通過RJ 45插頭實現(xiàn)與網(wǎng)絡的連接｡通常TCP/IP是指Internet協(xié)議簇,而不單單是TCP/IP｡因此,在8bitMCU不大的ROM空間里,不可能實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議｡考慮到嵌入式應用中硬件系統(tǒng)的多樣性,完成特定功能的應用程序也各不相同,因而軟件的設計在保證滿足功能前提下,最好短小,易于被移植,尤其是應用程序與網(wǎng)絡協(xié)議軟件應具備一定的獨立性｡因此,選擇TCP/IP作為嵌入式網(wǎng)絡的通信協(xié)議,同時必須對TCP/IP協(xié)議簇根據(jù)實際需要進行必要的刪減,即實現(xiàn)一個thinTCP/IP協(xié)議簇｡通常的thinTCP/IP的層次結構與標準的TCP/IP的一樣,也是四層結構(圖7)｡以太網(wǎng)接口層主要實現(xiàn)對以太網(wǎng)接口芯片的控制,IP層根據(jù)實際需要選擇實現(xiàn)ARP(地址解析協(xié)議)､RARP(反向地址解析協(xié)議)､ICMP(因特網(wǎng)控制報文協(xié)議)以及IGMP(網(wǎng)絡組管理協(xié)議)｡傳輸層主要由TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)組成,在實際實現(xiàn)時,根據(jù)需要可只實現(xiàn)其中一個｡CIP(控制信息協(xié)議)是專為控制設備､基于對象的一種方法,它是獨立于特定網(wǎng)絡的應用層協(xié)議,提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設備操作的服務集｡CIP的制定需要根據(jù)具體應用加以考慮,與通常協(xié)議的格式相似,也為“命令+數(shù)據(jù)”模式｡ 5 結束語 在信息技術廣泛使用的今天,采用基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡體系結構,實現(xiàn)的嵌入式設備互連,是打破嵌入式設備聯(lián)網(wǎng)技術停滯僵局的一種較好選擇,可廣泛應用于各種嵌入式設備的聯(lián)網(wǎng)中｡盡管在實現(xiàn)中遇到了許多困難,但這種廉價高速､使用廣泛的網(wǎng)絡必將極大地推動嵌入式設備的網(wǎng)絡化進程｡我國正處于Internet的初級階段,Internet正在以前所未有的速度向前發(fā)展,如果將初級階段稱作PersonaltoPersonal時代,那么未來的時代將是PersonaltoDevice,DevicetoDevice時代,隨著該時代的到來,智能將下移到設備,大量的嵌入式設備將連到Internet上,并通過網(wǎng)絡相互通信,自動操作,而無需人的干預｡可以想象,隨著儀表､控制器､執(zhí)行器､家電等嵌入式設備連到Internet上,網(wǎng)上設備將是現(xiàn)在的數(shù)百倍､數(shù)千倍｡與此同時,隨著制造工藝的進步,智能控制芯片和智能傳感器的成本越來越低,功能卻越來越強大,這使嵌入式微控制器與Internet連接的費用降低到了完全可以接受的程度.嵌入式Internet,適應了Internet發(fā)展的趨勢,可以預言,嵌入式設備與Internet的結合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術的真正未來｡ 6 本文作者創(chuàng)新點 本文以嵌入式系統(tǒng)的接入網(wǎng)技術為重點,在分析嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡連接的結構體系和協(xié)議層次基礎上,提出一種新型基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡體系結構,并通過對其網(wǎng)絡接口的實現(xiàn)的實例,對網(wǎng)絡接口技術也做了詳細分析｡ |
