實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II下的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何在內(nèi)存資源有限的單片機(jī)系統(tǒng)上，利用實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II把信息變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，以便通過(guò)IE瀏覽器監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)。
1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)概述
本設(shè)計(jì)采用Internet監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器?？蛻?hù)端通過(guò)IE瀏覽器對(duì)該服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn),實(shí)時(shí)地獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和維護(hù)。這樣，就要求服務(wù)器提供WWW服務(wù)，即實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應(yīng)被所有瀏覽器支持，以保證任何地方的用戶(hù)都可通過(guò)瀏覽器下達(dá)命令。在網(wǎng)絡(luò)接口上，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)為其運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。圖1所示為HTTP設(shè)計(jì)模型。首先，客戶(hù)端的瀏覽器與Web服務(wù)器使用一個(gè)或多個(gè)TCP連接，通過(guò)80號(hào)端口進(jìn)行通信，瀏覽器通過(guò)HTTP協(xié)議瀏覽事先存儲(chǔ)在EEROM中的控制網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)該網(wǎng)頁(yè)傳遞控制命令到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，然后服務(wù)器對(duì)命令進(jìn)行解析，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)以控制外部I/O設(shè)備。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。在硬件部分嵌入了TCP/IP協(xié)議棧。因系統(tǒng)資源有限，在保持協(xié)議分層體系結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)盡量精簡(jiǎn)協(xié)議內(nèi)容。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的原理，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。
2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境，在硬件上需要有網(wǎng)絡(luò)控制芯片。目前市面上有許多以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片，但其大多數(shù)都耗電量高、功能復(fù)雜，不適合用于價(jià)格低廉的嵌入式系統(tǒng)中。在這里選用RTL8019AS[1]，其好處是NE2000兼容、軟件移植性好、接口簡(jiǎn)單、不需轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋等。而單片機(jī)選擇89C55，它有20K的ROM，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要代碼能夠移植于它，就能較輕松地移植于其它架構(gòu)的CPU，比如ARM等。圖2為硬件原理框圖。24C64用來(lái)存儲(chǔ)物理地址及設(shè)備的相關(guān)信息等；外部RAM為數(shù)據(jù)處理提供緩存。系統(tǒng)提供了RS232接口用來(lái)進(jìn)行測(cè)試，提供了RJ45接口以便連接到以太網(wǎng)。
3 操作系統(tǒng)的選擇
根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持TCP/IP運(yùn)行時(shí)的調(diào)度，所以應(yīng)用軟件應(yīng)該基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。適合于片上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)比較多，但是代碼公開(kāi)且適合移植于51系列單片機(jī)的卻很少，主要有μC/OS-II、RTX51、Small RTOS51等。實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II是專(zhuān)門(mén)為單片機(jī)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，圖3為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它主要采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言寫(xiě)成，與硬件有關(guān)的部分使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，以使操作系統(tǒng)能很方便地移植到其它的處理器?？梢?jiàn)，使用嵌入式操作系統(tǒng)時(shí),應(yīng)用軟件只與上層的代碼有關(guān)而與處理器無(wú)關(guān)，在進(jìn)行軟件移植時(shí)僅需對(duì)與硬件相關(guān)的底層函數(shù)進(jìn)行修改，因此這樣的應(yīng)用軟件具有良好的可移植性和穩(wěn)定的可靠性。在μC/OS-II下編寫(xiě)TCP/IP協(xié)議，比傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)要方便很多；用它分配內(nèi)存緩沖區(qū)，使用前申請(qǐng)，使用后釋放，可有效地利用系統(tǒng)資源。在程序設(shè)計(jì)時(shí)將TCP/IP協(xié)議棧做成任務(wù)，而用戶(hù)程序在另外的任務(wù)中運(yùn)行。這樣，單片機(jī)可在完成原來(lái)控制系統(tǒng)功能的前提下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。從代碼長(zhǎng)度上看， 實(shí)現(xiàn)基本功能的TCP/IP協(xié)議棧比Linux等其它操作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更大。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，主要完成RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)、μC/OS-II對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的管理及TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。
4.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用
μC/OS-II可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)裁剪后移植[2]到51單片機(jī)上。用它對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，使得程序易讀，且便于移植。μC/OS-II主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)卡初始化、創(chuàng)建系統(tǒng)資源、創(chuàng)建任務(wù)等三部分工作。在系統(tǒng)資源的創(chuàng)建上，使用TxSem、RxSem信號(hào)量[3]及TxQFIFO隊(duì)列[3]。當(dāng)需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)RTL8019AS中斷，CPU將中斷向量進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，進(jìn)行事件處理。中斷服務(wù)子程序根據(jù)RTL8019AS內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器IMR的值確定系統(tǒng)所處狀態(tài)，通過(guò)兩個(gè)信號(hào)量TxSemPost和RxSemPost切換系統(tǒng)任務(wù)，使等待相應(yīng)信號(hào)量的一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過(guò)程是通過(guò)檢查信號(hào)量TxSemPost而進(jìn)行的相應(yīng)處理，為了保證數(shù)據(jù)正確到達(dá)客戶(hù)端，這里采用了多次發(fā)送機(jī)制。當(dāng)信號(hào)量RxSemPost到來(lái)時(shí)，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)幀正確，就根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小申請(qǐng)合適的內(nèi)存空間存放該數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接收幀的目的地址的正確與否決定是否將該幀提交給上層應(yīng)用程序。若無(wú)誤則解析數(shù)據(jù)報(bào)頭，進(jìn)行相應(yīng)處理。
4.2 RTL8019驅(qū)動(dòng)
RTL8019AS完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)程序主要包括芯片初始化、收包、發(fā)包三部分。物理信道上的收發(fā)操作采用以太網(wǎng)協(xié)議802.3幀格式[4]。系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)包的原理是單片機(jī)先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入RTL8019芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(寫(xiě)入TPSR、TBCR0,1)后，啟動(dòng)發(fā)送命令(CR=0x3E)，即可實(shí)現(xiàn)RTL8019的發(fā)送功能。RTL8019會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫(xiě)入狀態(tài)寄存器。RTL8019芯片接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)FIFO隊(duì)列，PSTART、PSTOP兩個(gè)寄存器限定了循環(huán)隊(duì)列的開(kāi)始和結(jié)束頁(yè)，CURR為寫(xiě)入指針，受芯片控制，BNRY為讀出指針，由主機(jī)程序控制。根據(jù)CURR==BNRY+1?可以判斷出是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包存于以CURR指出的地址為首址的RAM中。當(dāng)CURR==BNRY時(shí)，芯片停止接收數(shù)據(jù)包。
4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
基于TCP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種功能，本文主要討論HTTP協(xié)議[5]，也就是Web服務(wù)器在應(yīng)用層的主要構(gòu)成協(xié)議。由于TCP/IP協(xié)議棧本身是一種層式結(jié)構(gòu)，所以在協(xié)議棧的設(shè)計(jì)上采用模塊化思想，逐層實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)對(duì)各層接口函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)完整的協(xié)議棧。實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的大致流程如圖4所示。
要想將嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)終端并用TCP/IP連接起來(lái)，就必須設(shè)定IP地址、網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼等信息。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，需要一種自動(dòng)配置能力，即系統(tǒng)自動(dòng)從中心服務(wù)器獲得IP地址等信息。實(shí)現(xiàn)這一功能的標(biāo)準(zhǔn)方法是通過(guò)主機(jī)動(dòng)態(tài)配置協(xié)議(DHCP)[5]。DHCP是基于UDP層之上的應(yīng)用，采用端口68和67以廣播的形式進(jìn)行通訊，它的工作主要包括探查、賦予、請(qǐng)求、確認(rèn)等操作。
HTTP協(xié)議選擇定義請(qǐng)求－應(yīng)答機(jī)制獲得Web服務(wù)器上的文件。當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)Web服務(wù)器中的網(wǎng)頁(yè)時(shí)，一個(gè)HTTP請(qǐng)求就會(huì)以多行字符串的形式從瀏覽器發(fā)送到Web服務(wù)器，第一行指定一個(gè)方法GET，后面跟著一串參數(shù)。服務(wù)器對(duì)客戶(hù)端的應(yīng)答需包含HTTP報(bào)文頭，如果請(qǐng)求成功，還包括文檔本身，這些信息沿TCP連接發(fā)送，直至傳送完成斷開(kāi)連接。含最少量信息的報(bào)文頭包含成功或失敗狀態(tài)及傳輸文檔的內(nèi)容類(lèi)型(文本、HTML、GIF圖形等)。所有連接的相關(guān)信息如IP地址、客戶(hù)端口號(hào)、序列號(hào)、應(yīng)答號(hào)及TCP狀態(tài)等被放入一個(gè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的每個(gè)元素均可看作一個(gè)連接狀態(tài)。服務(wù)器進(jìn)程關(guān)閉連接表示本次響應(yīng)結(jié)束。網(wǎng)頁(yè)信息以HTML文本格式存儲(chǔ)于EEROM中，Web服務(wù)器創(chuàng)建局部變量以匹配文檔中的特殊字符，這些信息通過(guò)HTTP協(xié)議沿TCP連接發(fā)送到瀏覽器，服務(wù)器在應(yīng)答文檔中碰到合適的字符，就替換一個(gè)變量值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。
為了在服務(wù)器和客戶(hù)端之間傳遞HTTP請(qǐng)求和應(yīng)答信息，需要一個(gè)可靠的通信信道，這由傳輸控制協(xié)議TCP提供。TCP提供一種面向連接的可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，它的主要任務(wù)是創(chuàng)建進(jìn)程到進(jìn)程的通信。數(shù)據(jù)傳輸分三個(gè)階段進(jìn)行：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開(kāi)連接，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。由于嵌入式系統(tǒng)是服務(wù)器端，總是對(duì)客戶(hù)的連接請(qǐng)求給予響應(yīng)，從不主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求，因此只要在保證嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)CP分組進(jìn)行正確響應(yīng)的前提下，就可以對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行大幅度簡(jiǎn)化。嵌入式系統(tǒng)總是響應(yīng)客戶(hù)連接，始終是被動(dòng)地打開(kāi)連接，所以只需為建立連接過(guò)程中的嵌入式系統(tǒng)提供 LISTEN、SYN_RCVD兩種狀態(tài)即可。雖然比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)變遷圖中缺少了CLOSED、SYN_SENT狀態(tài)，但LISTEN、SYN_RCVD足以描述系統(tǒng)建立連接時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)在傳最后一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，設(shè)置FIN，要求終止當(dāng)前連接。連接主動(dòng)關(guān)閉和同時(shí)關(guān)閉兩種情況都是可能發(fā)生的，因此只需為系統(tǒng)提供主動(dòng)關(guān)閉和同時(shí)關(guān)閉涉及到的狀態(tài)即可。
為了在主機(jī)之間傳遞TCP段，需要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但是從實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器這一特定的要求出發(fā)，主要需把握如下兩點(diǎn)設(shè)計(jì)思想：第一，對(duì)接收到的IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理，向上層協(xié)議進(jìn)行提交；第二，負(fù)責(zé)對(duì)TCP報(bào)文、ICMP報(bào)文進(jìn)行封裝，交給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行裝幀。實(shí)際上這是IP協(xié)議最基本的功能，也是Web服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)層必需的功能。ICMP協(xié)議負(fù)責(zé)傳遞差錯(cuò)報(bào)文及其它需要注意的信息， Ping利用ICMP協(xié)議的回響功能實(shí)現(xiàn)主機(jī)/服務(wù)器是否有應(yīng)答的測(cè)試。Ping的實(shí)現(xiàn)主要由ping請(qǐng)求、ping應(yīng)答和回顯操作三個(gè)函數(shù)完成。
由于采用以太網(wǎng)的接入方式，因此系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，主要由RTL8019AS完成。為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的通信，還需要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議的本質(zhì)就是完成網(wǎng)絡(luò)地址到物理地址的映射，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸。整個(gè)ARP處理過(guò)程由ARP請(qǐng)求、ARP應(yīng)答、ARP處理三個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，ARP處理函數(shù)建立了ARP緩存表。
本文介紹的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)采用IE瀏覽器作為客戶(hù)端界面，支持RS232和以太網(wǎng)的連接，可以通過(guò)以太網(wǎng)接入Internet，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，如果I/O口連接了其它硬件設(shè)備，只需對(duì)變量的處理函數(shù)做相應(yīng)改動(dòng)，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)內(nèi)部嵌入μC/OS-II操作系統(tǒng)，使用靈活，可通過(guò)編程增加需要的功能。采用DHCP動(dòng)態(tài)獲得IP地址等信息，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。本方案所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、可視化、與平臺(tái)無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，有很高的實(shí)用價(jià)值。
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