嵌入式Internet互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用分析

陳雅茹

（黑龍江司法警官職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

在Internet的日益普及，信息共享程度的不斷提高的今天，人們的工作和生活方式已經(jīng)有了革命性的改變。雖然人們感受到生活正在悄悄改變，但并不是所有人都知道這與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用有關(guān)。從傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，到汽車、通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字醫(yī)療和消費(fèi)電子等新興領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)與軟件的應(yīng)用浪潮席卷了整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)。

1 嵌入式Internet的技術(shù)原理

嵌入式Internet技術(shù)，也就是將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，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。

1.1 與Internet相聯(lián)接的途徑可以是以太網(wǎng)或者電話線等媒介。而在大多數(shù)工作場(chǎng)地都配有以太網(wǎng)，電子裝置通過(guò)集線器（HUB）可以隨時(shí)插接。在家庭中，也有電力線和電話線等載體可以利用。如果是與局域網(wǎng)連接，只需要為該裝置設(shè)置硬的或軟的IP地址就可。如果是利用電話線路，可以使用電話用戶的ID?，F(xiàn)在實(shí)現(xiàn)嵌入式電子裝置的訪問(wèn)連通，幾乎不成問(wèn)題。所以嵌入式Internet技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何在MCU中實(shí)現(xiàn)Internet上被廣泛使用的TCP/IP通信協(xié)議。但是TCP/IP通信協(xié)議對(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高，普通單片機(jī)無(wú)法達(dá)到其要求。

1.2 根據(jù)各種MCU自身的特性，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的方法可分以下幾種。首先，高檔MCU芯片。采用ARM內(nèi)核的系列處理器或者386EX等高檔MCU，其運(yùn)算速度快，性能高，在芯片上可以運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，同時(shí)也可以嵌入完整的TCP/IP協(xié)議。其次，32位MCU芯片。32位機(jī)也有足夠的資源和能力運(yùn)行TCP/IP協(xié)議和一些嵌入式操作系統(tǒng)。所以原則上講，實(shí)現(xiàn)思路和高檔機(jī)一樣。第三，8/16位MCU芯片。由于8位和16位MCU的處理能力和存儲(chǔ)問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是比較困難的。因此要根據(jù)其特點(diǎn)，對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留其最基本的東西。同時(shí)，上層協(xié)議可不用或者簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。即將原來(lái)的TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)變成嵌入式TCP/IP協(xié)議，我們隨后會(huì)具體介紹。

1.3 由TCP/IP協(xié)議在MCU中的實(shí)現(xiàn)方法和嵌入式系統(tǒng)的要求，一般實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet的方案有以下幾種。首先，把標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）一直擴(kuò)展到嵌入式設(shè)備當(dāng)中，由嵌入式系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，每個(gè)設(shè)備都可與Internet相連。這是解決問(wèn)題的最佳方案及未來(lái)電器、設(shè)備的發(fā)展方向。其次，通過(guò)專用的WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)中大量使用的是8位和16位MCU，并不要求每個(gè)設(shè)備都直接連到Internet上，用戶可以通過(guò)Internet接近設(shè)備，然后再用輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到多個(gè)設(shè)備上。如電力線、RS-485、RS-232、I2C等 。專用WEB服務(wù)器可作為子網(wǎng)設(shè)備路由器來(lái)轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與外部網(wǎng)的通信。emWare公司專門為嵌入式微控制器設(shè)備設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

2 嵌入式Internet技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1PC機(jī)網(wǎng)關(guān)方案。嵌入式Internet的實(shí)現(xiàn)方案產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代中期。人們采用PC機(jī)+網(wǎng)卡+采集插卡組成以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將由現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成的分布式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，將管理PC機(jī)放在以太網(wǎng)內(nèi)，組成一個(gè)較大的自控系統(tǒng)。這種組成方式成本很高，只適用于大的自控系統(tǒng)。東北大學(xué)CNCI研究所提出的ONDC模型（Open Network Device Connectivity）正是這種形式的典型代表。

2.2 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。在20世紀(jì)90年代后期，人們采用嵌入式系統(tǒng)+以太網(wǎng)卡+采集卡來(lái)組成以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet技術(shù)。這一階段的嵌入式系統(tǒng)實(shí)際上是在硬件和軟件上均可按用戶需要進(jìn)行剪裁的PC機(jī)。例如，PC-104結(jié)構(gòu)的單板機(jī)實(shí)際上就是一臺(tái)沒(méi)有顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤的PC-486DX計(jì)算機(jī)，有電子硬盤及各種I/O插口，可裝入Windows CE和其他PC機(jī)應(yīng)用軟件。所以，實(shí)際上它是第一種網(wǎng)關(guān)的簡(jiǎn)化和微型化。它的成本比第一種有所下降，但價(jià)格還是較高。

2.3 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方案。2000年以來(lái)，人們利用單片機(jī)加上以太網(wǎng)接口芯片組成了嵌入式Internet網(wǎng)關(guān)。這實(shí)際上是嵌入式網(wǎng)關(guān)向大眾化、普及化的進(jìn)一步發(fā)展。它以單片機(jī)取代PC機(jī)，用以太網(wǎng)接口芯片取代以太網(wǎng)卡，使整體系統(tǒng)的價(jià)格下降到幾百元。這就使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能以低廉的費(fèi)用，以簡(jiǎn)捷的方式接入以太網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)家電變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使以太網(wǎng)分布式控制系統(tǒng)能得到迅速的發(fā)展。這種方案中的微處理器所含蓋的范圍很廣，有具備較強(qiáng)的計(jì)算處理能力的32位處理器，也有8位或16位的微控制器。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的最小系統(tǒng)，能夠提供實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧所需的資源和性能；在嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）平臺(tái)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，可以完成TCP/IP協(xié)議處理以及其他更多更復(fù)雜的功能，實(shí)現(xiàn)TCP/IP over PPP（Point-to-Point） 或者 TCP/IP over Ethernet的方案、設(shè)計(jì)應(yīng)用編程接口為高層協(xié)議軟件提供訪問(wèn)Internet進(jìn)行通信的函數(shù)并不困難。隨著微處理器價(jià)格急劇下降，利用RTOS開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為趨勢(shì)。根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，選擇合理的微處理器及其開(kāi)發(fā)套件，選取適當(dāng)?shù)腞TOS軟件包，可以提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率，最終達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)。但是購(gòu)買優(yōu)秀的商用RTOS完整軟件包需要支付昂貴的版權(quán)許可，而且系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活行受到限制?，F(xiàn)在Linux作為開(kāi)放源代碼的多任務(wù)操作系統(tǒng)加到嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，但是技術(shù)尚未完全成熟，因此在開(kāi)發(fā)嵌入式Internet技術(shù)時(shí)有諸多要素必須權(quán)衡。

2.4 SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。隨著SoC芯片化技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了大量相對(duì)于模塊化、芯片化的協(xié)議轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，片上系統(tǒng)（System on Chip）的解決方案在具有模塊化協(xié)議轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)之外，還能提供更小的體積，更低廉的價(jià)格，更好的連接界面，更穩(wěn)定的產(chǎn)品特性，更好的易用性，是目前協(xié)議轉(zhuǎn)換需求解決方案的發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品有Rabbit公司 的 Rabbit2000，UbiCom 公 司 的 IP2022，iReady公司的S7600等。SoC技術(shù)利用RISC體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，在硅片級(jí)完全采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，提供以太網(wǎng)（Ethernet）或串行鏈路（PPP）介質(zhì)支持；支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) TCP、UDP、ARP、RARP、ICMP 等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)協(xié)議，同時(shí)提供的Internet高層協(xié)議軟件，如 HTTP、FTP、SMTP 等的支持。Internet控制器芯片的處理速度非常快，可高達(dá)每秒1億條指令，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)操作，能夠?qū)崿F(xiàn)8位嵌入式系統(tǒng)完全接入Internet。此方案具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短，系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)于開(kāi)發(fā)小型、廉價(jià)的信息中間產(chǎn)品是比較好的選擇。

結(jié)束語(yǔ)

隨著城市信息化和行業(yè)信息化的持續(xù)深入，嵌入式技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)技術(shù)之一，并被廣泛應(yīng)用。因此，嵌入式Internet技術(shù)系統(tǒng)正在改變?nèi)藗兊纳睿蔀橹袊?guó)電子產(chǎn)業(yè)不斷創(chuàng)新發(fā)展的熱點(diǎn)。

[1]李明，康靜秋.嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的研究與開(kāi)發(fā).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 2002.16

[2]Kenneth D.Reed.《TCP/IP基礎(chǔ)》3com公司譯 北京：電子工業(yè)出版社

[3]陶波,丁漢等.基于嵌入式Internet的工業(yè)控制.測(cè)控技術(shù),2002.20.（8）