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

嵌入式系統以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、適應了各種應用系統中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等的嚴格要求，因此它贏(yíng)得了巨大的市場(chǎng)，在應用數量上遠遠超過(guò)了各種通用計算機。嵌入式接入Internet是近幾年隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一項新興概念和技術(shù)，它通過(guò)為現有嵌入式系統增加因特網(wǎng)接入能力來(lái)擴展其功能，一般指設備通過(guò)嵌入式模塊而非PC系統直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實(shí)現信息交互的過(guò)程，通常又稱(chēng)為非PC接入。

　　嵌入式系統利用網(wǎng)絡(luò )接口控制芯片實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )的通信功能，成本低，控制方便可靠，滿(mǎn)足系統對通信的要求?？紤]到本身的特點(diǎn)，在大量工業(yè)領(lǐng)域中應用嵌入式設備功能比較單一，在上述網(wǎng)絡(luò )接口控制芯片接口程序的基礎上只需要開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化的嵌入式協(xié)議棧，就可滿(mǎn)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)與現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現無(wú)縫連接，使以太網(wǎng)越來(lái)越向底層延伸。以太網(wǎng)在現場(chǎng)設備中的應用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開(kāi)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TCP/IP協(xié)議，這種方法的實(shí)現框圖如圖1所示。這種方式可以使嵌入式系統直接與Internet相連，有很大的靈活性。缺點(diǎn)是占用的系統資源較多，對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上實(shí)現。

圖1 直接實(shí)現TCP/IP系統

　　(2)使用嵌入式網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現，如圖2所示。各個(gè)嵌入式系統首先和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，通信方式采用傳統的RS-232、RS-485等，由嵌入式網(wǎng)關(guān)負責實(shí)現TCP/IP協(xié)議，完成嵌入式系統的信息與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接入Internet的問(wèn)題。缺點(diǎn)是需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，而且和各個(gè)嵌入式系統之間的通信同樣受到速度和距離的限制，這種方法的實(shí)現成本將會(huì )增加。

2 嵌入式系統的組成

　　嵌入式系統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軟件（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應用程序編程。嵌入式系統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(luò )為中心的環(huán)境中，把“孤立的目標系統”相互連接起來(lái)。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行傳統的控制功能，而且還能執行與連接因特網(wǎng)相關(guān)的功能，從而把標準網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（TCP/IP）一直擴展到嵌入設備，由嵌入式系統自身實(shí)現Web服務(wù)器功能，這是解決嵌入式Internet問(wèn)題的最佳方案。

　　嵌入式設備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講，只要實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議就可以。針對嵌入式設備連接涉及的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(xiàn)連接與TCP/IP協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò )體系結構與協(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)現物理層和鏈路層協(xié)議，同時(shí)微處理器運行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來(lái)實(shí)現與Intranet/Internet網(wǎng)的連接。一旦這個(gè)目標得以實(shí)現，就能在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下在任何時(shí)間從任何地點(diǎn)對位于任何其它地方的系統中的微控制器進(jìn)行監控，利用傳統的Web和因特網(wǎng)機制遠程監視數據和運行情況控制，而且還能在合適的條件下對系統進(jìn)行調試、升級和維護。

3 技術(shù)難點(diǎn)分析

　　3．1 發(fā)送數據的封裝

　　把一組數據發(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)議的數據格式。首先從一個(gè)物理幀的格式來(lái)分析。一個(gè)標準的IEEE802.3的物理幀如圖4所示：