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(guò)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(lái)的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，它通過(guò)為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來(lái)擴(kuò)展其功能，一般指設(shè)備通過(guò)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(guò)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(wú)縫連接，使以太網(wǎng)越來(lái)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(wú)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(lái)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(lái)。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(lái)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(lái)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(lái)分析。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3的物理幀如圖4所示：