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淺談單片機以太網(wǎng)接入方案

作者: 時(shí)間:2016-11-26 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
單片機的種類(lèi)繁多,從低端到高端,有以51單片機為代表的8位單片機和以ARM為代表的32位單片機,不同檔次的單片機實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口的方法不同。對于像ARM等高端處理器一般都可以運行嵌入式操作系統,例如嵌入式Linux。對于無(wú)操作系統要求的單片機如何實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入,我下面將這些方案按TCP/IP協(xié)議棧的不同歸結為兩大類(lèi):第一類(lèi)是傳統的軟件TCP/IP協(xié)議棧方案;第二類(lèi)是最新的硬件TCP/IP協(xié)議棧方案。下面我就這兩類(lèi)方案的實(shí)現方式進(jìn)行分析。

1. MAC+PHY方案

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201611/322046.htm

所謂的TCP/IP協(xié)議棧是一系列網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的統稱(chēng),不僅包括我們熟知的TCP協(xié)議和IP協(xié)議,還有網(wǎng)絡(luò )層的ICMP(Internet控制報文)協(xié)議、IGMP(Internet組管理)協(xié)議、ARP(地址解析)協(xié)議,傳輸層的UDP(用戶(hù)數據包)協(xié)議,應用層的HTTP(超文本傳輸)協(xié)議、DNS(域名解析)協(xié)議、FTP(文件傳送)協(xié)議、SMTP(簡(jiǎn)單郵件管理)協(xié)議等等。

傳統的以太網(wǎng)接入方案如下圖,由MCU+MAC+PHY再加入網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現以太網(wǎng)的物理連接,通過(guò)在主控芯片中植入TCP/IP協(xié)議代碼實(shí)現通信及上層應用。

圖3-1-1 MAC+PHY以太網(wǎng)方案

應用這種軟件TCP/IP協(xié)議棧方式實(shí)現的比較成熟方案有ENC28J60,CS8900A,DM9000,當然也有像STM32F107這類(lèi)(內部自帶MAC)+PHY等方案。

由于軟件協(xié)議棧操作需要主控MCU不斷地響應中斷,這在很大程度上占用了MCU的運算/時(shí)鐘資源。經(jīng)過(guò)測試發(fā)現,單線(xiàn)程操作的情況下,MCU的運行速度和數據的處理速度僅能滿(mǎn)足需要,但隨著(zhù)線(xiàn)程增多,MCU的工作效率直線(xiàn)下降,會(huì )嚴重影響通信質(zhì)量。

代碼量方面,即便是采用輕量級的TCP/IP協(xié)議棧LWIP協(xié)議,也會(huì )為主控芯片帶來(lái)超過(guò)40KB的代碼量,這對于本身內存資源匱乏的單片機來(lái)說(shuō)負荷過(guò)重。

再從安全性的角度,設備并入互聯(lián)網(wǎng)之后必須考慮網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題,這種軟件協(xié)議棧的方式系統一旦受到復雜的惡意攻擊,單片機很有可能癱瘓掉,這對系統就是致命性打擊,雖然目前網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷發(fā)展,各類(lèi)新的加密技術(shù)試圖讓通信變得更加安全,但是還會(huì )出現各種各樣的漏洞。

2. 硬件協(xié)議棧芯片方案

硬件協(xié)議棧芯片方案如下圖所示。由MCU+硬件協(xié)議棧芯片(內含MAC和PHY)直接加網(wǎng)絡(luò )接口,便可方便的實(shí)現單片機聯(lián)網(wǎng),所有的處理TCP/IP協(xié)議的工作都是通過(guò)這位MCU的“小秘書(shū)”——硬件協(xié)議棧芯片來(lái)完成。

圖3-2-1硬件協(xié)議棧芯片方案

這套方案是由WIZnet首次提出,并成功推出以太網(wǎng)系列芯片:W5100、W5200、W5300和W5500。

所謂硬件協(xié)議棧是指通過(guò)將傳統的軟件TCP/IP協(xié)議棧用硬件化的邏輯門(mén)電路來(lái)實(shí)現,如下圖所示。

圖3-2-2 TCP/IP硬件協(xié)議棧內核原理簡(jiǎn)圖

以太網(wǎng)芯片的內核由傳輸層的TCP、UDP、ICMP、IGMP等協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )層的IP、ARP、PPPoE等協(xié)議以及鏈路層的MAC構成,再加上物理層的PHY和外圍的寄存器、內存、SPI接口組成了這一整套硬件化的以太網(wǎng)解決方案。

這套硬件TCP/IP協(xié)議棧代替了以往的MCU來(lái)處理這些中斷請求,即MCU只需要處理面向用戶(hù)的應用層數據即可,傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層及物理層全部由外圍WIZnet的芯片完成。這套方案從硬件開(kāi)銷(xiāo)和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)化前面所述的五層網(wǎng)絡(luò )模型,簡(jiǎn)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案。這樣一來(lái),工程師們就不必再面對繁瑣的通信協(xié)議代碼,只需要了解簡(jiǎn)單的寄存器功能以及Socket編程便能完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的的網(wǎng)絡(luò )功能開(kāi)發(fā)部分。

由于硬件協(xié)議棧的加入協(xié)助單片機處理了幾乎所有的TCP/IP協(xié)議工作,不僅極大地減少了單片機的中斷次數,讓單片機騰出更多資源去完成其他工作,而且硬件化的電路處理協(xié)議會(huì )更加快速、穩定。經(jīng)試驗測試,單線(xiàn)程下,該方案的通信速度是軟件協(xié)議方案的10倍左右;隨著(zhù)線(xiàn)程的增加,因為硬件協(xié)議棧是通過(guò)獨立的Socket進(jìn)行通信,因而通信速度實(shí)現累加,而且單片機工作效率仍然會(huì )維持在高位。

代碼量方面,因為這套方案主要是完成對Socket的編程以及寄存器的調用,因此僅有10K左右的代碼量,遠小于軟件協(xié)議方案,對51以及STM32等內存很有限的單片機來(lái)說(shuō)非常適用。

從成本角度來(lái)講,硬件協(xié)議棧芯片的價(jià)格跟用MAC+PHY比起來(lái)基本差不多。而前者簡(jiǎn)單易用,用很短時(shí)間便能完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。另外,官方例程庫及上位機程序豐富,也縮短了測試過(guò)程,后期基本免于維護。

最后安全性方面,硬件化的邏輯門(mén)電路來(lái)處理TCP/IP協(xié)議是不可攻擊的,也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò )攻擊和病毒對它無(wú)效,這也充分彌補了網(wǎng)絡(luò )協(xié)議安全性不足的短板。也正是因為這一優(yōu)勢,硬件協(xié)議棧技術(shù)在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)以及智能家居領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的發(fā)展前景,讓人們盡情享受現代科技帶來(lái)的樂(lè )趣的同時(shí),免受安全問(wèn)題的困擾。

當然,不可避免的硬件化的協(xié)議棧相對來(lái)說(shuō)失去了軟件協(xié)議棧那樣的靈活性。目前只支持4個(gè)/8個(gè)Socket,不能隨時(shí)開(kāi)啟更多Socket。但是,在嵌入式應用中8個(gè)Socket已經(jīng)足夠應對超過(guò)大部分的應用。



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