嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)研究

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)了各種應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等的嚴(yán)格要求，因此它贏得了巨大的市場(chǎng)，在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。嵌入式接入Internet是近幾年隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，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(kuò)展其功能，一般指設(shè)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(shí)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(luò)接口控制芯片實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的通信功能，成本低，控制方便可靠，滿足系統(tǒng)對(duì)通信的要求?？紤]到本身的特點(diǎn)，在大量工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用嵌入式設(shè)備功能比較單一，在上述網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片接口程序的基礎(chǔ)上只需要開發(fā)簡(jiǎn)化的嵌入式協(xié)議棧，就可滿足許多情況下的應(yīng)用需求。目前，許多公司和組織致力于將以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)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(chǎng)設(shè)備中的應(yīng)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(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，這種方法的實(shí)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(diǎn)是占用的系統(tǒng)資源較多，對(duì)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(shí)現(xiàn)。

圖1 直接實(shí)現(xiàn)TCP/IP系統(tǒng)

(2)使用嵌入式網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。各個(gè)嵌入式系統(tǒng)首先和網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(guān)負(fù)責(zé)實(shí)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(diǎn)是需要一個(gè)專門的嵌入式網(wǎng)關(guān)，而且和各個(gè)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(shí)現(xiàn)成本將會(huì)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(chǔ)器及外設(shè)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(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)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(biāo)是嵌入式設(shè)備工作在以網(wǎng)絡(luò)為中心的環(huán)境中，把“孤立的目標(biāo)系統(tǒng)”相互連接起來。為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，嵌入式系統(tǒng)必需配有一種或多種網(wǎng)絡(luò)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(guān)的功能，從而把標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TCP/IP)一直擴(kuò)展到嵌入設(shè)備，由嵌入式系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能，這是解決嵌入式 Internet問題的最佳方案。

嵌入式設(shè)備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講，只要實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以。針對(duì)嵌入式設(shè)備連接涉及的兩個(gè)關(guān)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(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議分層如圖1所示。利用網(wǎng)絡(luò)接口控制器(NIC-Network InteRFace Controller)來實(shí)現(xiàn)物理層和鏈路層協(xié)議，同時(shí)微處理器運(yùn)行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來實(shí)現(xiàn)與Intranet/Internet網(wǎng)的連接。一旦這個(gè)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，就能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在任何時(shí)間從任何地點(diǎn)對(duì)位于任何其它地方的系統(tǒng)中的微控制器進(jìn)行監(jiān)控，利用傳統(tǒng)的Web和因特網(wǎng)機(jī)制遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況控制，而且還能在合適的條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、升級(jí)和維護(hù)。

3 技術(shù)難點(diǎn)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(luò)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(gè)物理幀的格式來分析。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(luò)進(jìn)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(yīng)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(duì)于速度沒有特殊的要求，普通的低速微控制器完全可以實(shí)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(shí)應(yīng)該做的工作是，首先對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，而后對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的有效發(fā)送，系統(tǒng)還應(yīng)具有沖突檢測(cè)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(yīng)該考慮用其他的方法實(shí)現(xiàn)。

4 一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)方案

基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的核心問題是如何實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口。在眾多實(shí)現(xiàn)方案中,以MCU為核心的實(shí)現(xiàn)方案,雖然實(shí)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(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)接口芯片與MCU相結(jié)合的方案,如圖5所示。

RTL8019AS與硬件實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口芯片中,選用RTL8019AS。由臺(tái)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(jià)格,使其在市場(chǎng)上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。使?051/52兼容單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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)。P0口通過地址鎖存器實(shí)現(xiàn)地址數(shù)據(jù)復(fù)用。P3.4片選RTL8019AS。數(shù)據(jù)收發(fā)不使用中斷驅(qū)動(dòng),全部由軟件查詢實(shí)現(xiàn)?；刂愤x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(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)所有的TCP /IP協(xié)議?？紤]到嵌入式應(yīng)用中硬件系統(tǒng)的多樣性,完成特定功能的應(yīng)用程序也各不相同,因而軟件的設(shè)計(jì)在保證滿足功能前提下,最好短小,易于被移植,尤其是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件應(yīng)具備一定的獨(dú)立性。因此,選擇TCP/IP作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議,同時(shí)必須對(duì)TCP/IP協(xié)議簇根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行必要的刪減,即實(shí)現(xiàn)一個(gè)thinTCP/IP協(xié)議簇。通常的thinTCP/IP的層次結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP的一樣,也是四層結(jié)構(gòu)(圖7)。以太網(wǎng)接口層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)接口芯片的控制,IP層根據(jù)實(shí)際需要選擇實(shí)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(bào)文協(xié)議)以及IGMP(網(wǎng)絡(luò)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(bào)協(xié)議)組成,在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí),根據(jù)需要可只實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)。CIP(控制信息協(xié)議)是專為控制設(shè)備、基于對(duì)象的一種方法,它是獨(dú)立于特定網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議,提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設(shè)備操作的服務(wù)集。CIP的制定需要根據(jù)具體應(yīng)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(jié)束語

在信息技術(shù)廣泛使用的今天,采用基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)的嵌入式設(shè)備互連,是打破嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)停滯僵局的一種較好選擇,可廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)中。盡管在實(shí)現(xiàn)中遇到了許多困難,但這種廉價(jià)高速、使用廣泛的網(wǎng)絡(luò)必將極大地推動(dòng)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程。我國(guó)正處于Internet的初級(jí)階段,Internet正在以前所未有的速度向前發(fā)展,如果將初級(jí)階段稱作PersonaltoPersonal時(shí)代,那么未來的時(shí)代將是PersonaltoDevice,DevicetoDevice時(shí)代,隨著該時(shí)代的到來,智能將下移到設(shè)備,大量的嵌入式設(shè)備將連到Internet上,并通過網(wǎng)絡(luò)相互通信,自動(dòng)操作,而無需人的干預(yù)?？梢韵胂?隨著儀表、控制器、執(zhí)行器、家電等嵌入式設(shè)備連到Internet上,網(wǎng)上設(shè)備將是現(xiàn)在的數(shù)百倍、數(shù)千倍。與此同時(shí),隨著制造工藝的進(jìn)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(qiáng)大,這使嵌入式微控制器與Internet連接的費(fèi)用降低到了完全可以接受的程度.嵌入式Internet,適應(yīng)了Internet發(fā)展的趨勢(shì)，可以預(yù)言，嵌入式設(shè)備與 Internet的結(jié)合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的真正未來。

6 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

本文以嵌入式系統(tǒng)的接入網(wǎng)技術(shù)為重點(diǎn)，在分析嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的結(jié)構(gòu)體系和協(xié)議層次基礎(chǔ)上，提出一種新型基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并通過對(duì)其網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)的實(shí)例，對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)也做了詳細(xì)分析。