【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制等功能，這種嵌入式系統(tǒng)與 Inter 之間的連接與應(yīng)用就稱為嵌入式 Inter。嵌入式 Inter 技術(shù)的誕生雖然不算久，但發(fā)展卻相當(dāng)迅速，我們還未適應(yīng)它的時(shí)候，很多相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了，很多大的芯片制造商開(kāi)始研制功能更強(qiáng)大的嵌入式芯片，軟件廠商則開(kāi)發(fā)出了微型的 Web 服務(wù)器、TCP/IP 協(xié)議棧。由于出現(xiàn)了很多靈活的微控制器，現(xiàn)在可以為用戶創(chuàng)造廉價(jià)的嵌入式 Inter 解決方案， 8 位和 16 位微控制器都可以接入 Inter 等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，例如 emWare 就已經(jīng)為開(kāi)發(fā)人員和生產(chǎn)商提供了 8 位和 16 位微控制器網(wǎng)絡(luò)接入解決方案。隨著 PC 機(jī)時(shí)代的到來(lái)， 21 世紀(jì)將是嵌入式 Inter 的時(shí)代。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁 Arun Netravali 的一批科學(xué)家對(duì)此做出了預(yù)測(cè)：嵌入式Inter“將會(huì)產(chǎn)生比 PC 機(jī)時(shí)代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級(jí)嵌入式瘦服務(wù)器 ”。這些瘦服務(wù)器將與我們所能想到的各種物理信息、生物信息相聯(lián)接，通過(guò)Inter 網(wǎng)自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地、方便地、簡(jiǎn)單地提供給需 要這些信息的對(duì)象。 嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 同 PC 機(jī)接入 Inter 一樣，必須通過(guò)相應(yīng)的通信協(xié)議。目前的 Inter 采用 TCP/IP 協(xié)議，因此嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 最終必須通過(guò) TCP/IP 協(xié)議，對(duì)信息進(jìn)行 TCP/IP 協(xié)議處理，使其變成可以在 Inter 上傳輸?shù)?IP 數(shù)據(jù)包。 Inter網(wǎng)絡(luò)通信中， TCP/IP協(xié)議簇非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。單片機(jī)的缺點(diǎn)是資源有限，無(wú)法容納下 Inter的 TCP/IP協(xié)議簇。因此單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌 8 入式接入 Inter技術(shù)的關(guān)鍵是如何在單 片機(jī)等嵌入式設(shè)備的有限資源上實(shí)現(xiàn)Inter的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。其難點(diǎn)在于：如何利用單片機(jī)自身有限的資源對(duì)信息進(jìn)行 TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在 Inter上傳輸?shù)?IP數(shù)據(jù)包。目前許多機(jī)構(gòu)都在積極探討利用 MCU實(shí)現(xiàn)接入 Inter技術(shù)。 單片機(jī)接入 Inter方案 1. PC 網(wǎng)關(guān) (Gateway)與專用網(wǎng)結(jié)合接入 Inter 首先嵌入式系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)關(guān)連接通信， 連接方式采用傳統(tǒng)的 RS232, RS482, RS485,IIC、 SPI、 USB、 CAN、 LIN 總線等 輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。再由嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議，并與 Inter 連接，完成嵌入式系統(tǒng)和 Inter 的信息交互。嵌入式網(wǎng)關(guān)向嵌入式系統(tǒng)提供 Inter 或 Intra 通信和管理服務(wù)。如防火墻、協(xié)議轉(zhuǎn)換、監(jiān)視嵌入式設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、向外界提供 Web 服務(wù)器等。這種技術(shù)需要一個(gè)專門的嵌入式網(wǎng)關(guān)，而且網(wǎng)關(guān)和嵌入式系統(tǒng)之間通信也會(huì)受到輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制約。它對(duì)嵌入式系統(tǒng)處理器速度、資源要求也比較低，開(kāi)發(fā)難度低，可以解決各種嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 的問(wèn)題，特別適用于嵌入式系統(tǒng)多且較為集中的 場(chǎng)合。缺點(diǎn)是接入成本比較高，不利于大規(guī)模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設(shè)備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價(jià)格設(shè)備?；谶@種接入技術(shù)模型， EmWare公司提出了嵌入式微 Inter網(wǎng)絡(luò)技術(shù) EMIT ( embedded micro interworking technology)。 EMIT 由 emMicro、 emGateway 和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器組成，并在 MCU 內(nèi)部以軟件方式嵌入 emNet 協(xié)議 ,如圖 22 所示。 圖 22 圖 21 采用專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方式 2. 高性能 MCU+RTOS 即用軟件方式直接 處理 TCP/IP協(xié)議。目前 RTOS的功能越來(lái)越強(qiáng)大，大多數(shù)都帶有 TCP/IP協(xié)議棧，還具有對(duì)圖像界面的支持能力。采用這種方法的缺點(diǎn)是：對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求高，必須對(duì)操作系統(tǒng)和 TCP/IP協(xié)議都要有一定的熟悉，開(kāi)發(fā)周期也較長(zhǎng)，難度相對(duì)較大。同時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要占用大量的處理器資源和存儲(chǔ)器空間，對(duì)硬件配置也有較高的要求，開(kāi)發(fā)成本高。如圖 23所示 . emGateway (PC 機(jī) ) 文件系統(tǒng) Inter Web Browser RS232 RS485 emMirco 應(yīng)用系統(tǒng) +em MCUNet 9 圖 23 在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS 上運(yùn)行 TCP/IP 3. 使用專用的嵌入式芯 專用嵌入式芯片是一種內(nèi)置了通信和控制功能的單片機(jī)，采用這種方案的芯片有 UbiCom公司的 IP2022， Seiko Instruments公司的 S7600A ,iReady公司的Inter Tuner， Connect One公司的 iChip等。它們固化有 TCP/IP協(xié)議棧，支持HTTP， SMTP， POP3， MIME等多種協(xié)議，可進(jìn)行 Web瀏覽和 E_mail的收發(fā)。也可用 Scenix公司的 8位 SX單片機(jī)加虛擬外設(shè)的方式接入 Inter。該方式更方便，不需要操作系統(tǒng)，大大節(jié)省了資源，開(kāi)發(fā)難度有所降低，但還是需要熟悉 TCP/IP 協(xié)議和相關(guān)接口，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困難，且對(duì)處 理器的性能仍然要求較高，需要大容量的存儲(chǔ)器。這類芯片功能強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般提供有相應(yīng)的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。但是這種芯片價(jià)格偏高，用戶需要支付軟硬件費(fèi)用，不易于實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。如圖 24所示。 圖 24 直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議 4. 使用普通單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制芯片 通過(guò)在系統(tǒng)中集成網(wǎng)絡(luò)接口芯片 , 采用軟件方式實(shí)現(xiàn) TCP/IP協(xié)議棧 , 使得嵌入式系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)功能從而接入 Internt。單片機(jī)加載 TCP/IP協(xié)議控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò) TCP/IP協(xié)議聯(lián)接到 互聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)程控制端的操作通過(guò)路由器找到目標(biāo)后，由網(wǎng)卡芯片的接口傳入單片機(jī)，通過(guò)在單片機(jī)中加載的驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)換成物理幀格式，再由 TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成應(yīng)用層的控制命令。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，但是需要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機(jī)，所以其優(yōu)點(diǎn)是成本低，單片機(jī)體積小，易于以極高的性價(jià)比向諸多需要實(shí)現(xiàn)嵌入式接入Inter的場(chǎng)合推廣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)方案。 RTOS MCU TCP/IP Inter MCU 固化 TCP/IP 協(xié)議棧 TCP/IP Inter 10 第 3 章 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 TCP/IP 分層模型 TCP/IP 采用分層體系結(jié)構(gòu)，它與開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián) OSI 模型的層次結(jié)構(gòu)相似。如表 21 所示，它可以分為 4 層，由低到高一次為：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。 表 21 OSI 參考模型與 TCP/IP 參考模型比較 OSI 參考模型 OSI 層次號(hào) TCP/IP 層次描述 主要應(yīng)用協(xié)議 應(yīng)用層 7 應(yīng)用層 FTP、 和 Tel等 表示層 6 會(huì)話層 5 運(yùn)輸層 TCP 和 UDP 傳輸層 4 網(wǎng)絡(luò)層 3 網(wǎng)絡(luò)層 IP、 ICMP 和 IGMP 鏈路層 設(shè)備驅(qū)動(dòng)及接口卡 數(shù)據(jù)鏈路層 2 物理層 1 TCP/IP 分層模型的四個(gè)協(xié)議層分層完成如下功能。 (1) 第一層 網(wǎng)絡(luò)接口層 網(wǎng)絡(luò)接口層包括用于協(xié)作 IP 數(shù)據(jù)在已有網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上傳輸協(xié)議。實(shí)際上TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)并不定義與 ISO 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層相對(duì)應(yīng)的功能。相反它定義像地址解析協(xié)議這樣的協(xié)議，提供 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)際物理硬件之間的接口。 (2) 第二層 網(wǎng)際層 對(duì)應(yīng)于 OSI 7層參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要解決計(jì)算機(jī)之間的通信問(wèn)題，它負(fù)責(zé)管理不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，它是 Inter 通信子網(wǎng)的最高層， 它所提供的是不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，無(wú)論傳輸是否正確，不做驗(yàn)證、不發(fā)確認(rèn)，也不保證分組的正確 順序。 網(wǎng)際層主要有以下協(xié)議。 ? IP 協(xié)議 (網(wǎng)際協(xié)議 )：使用 IP 地址確定收發(fā)端，提供端到端的 “數(shù)據(jù)報(bào) ”傳遞，也是 TCP/IP 協(xié)議簇中處于核心地位的協(xié)議。 11 ? ICMP 協(xié)議 (網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議 )：處理路由，協(xié)助 IP 層實(shí)現(xiàn)報(bào)文傳送的控制機(jī)制，提供錯(cuò)誤和信息報(bào)告。 ? ARP 協(xié)議 (正向地址解析協(xié)議 )：將網(wǎng)絡(luò)層地址轉(zhuǎn)換為鏈路層地址。 ? RARP 協(xié)議 (逆向地址解析協(xié)議 )：將鏈路層地址轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)層地址。 (3) 第三層 傳輸層 對(duì)應(yīng)于 OSI 7 層參考模型的傳輸層，提供兩種端到端的通信服務(wù)。其中 TCP協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)流運(yùn)輸服務(wù)， UDP 協(xié)議提供不可靠的用戶數(shù)據(jù)服務(wù)。該層有以下協(xié)議。 ? TCP 協(xié)議：傳輸控制協(xié)議，提供可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 ? UDP 協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 ,采用無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳送方式，一次傳輸少量的情況，如數(shù)據(jù)查詢等，當(dāng)通信子網(wǎng)相當(dāng)可靠是， UDP 協(xié)議的優(yōu)越性更為突出。 (4) 第四層 應(yīng)用層 對(duì)應(yīng)于 OSI 7 層參考模型的應(yīng)用層和表達(dá)層，應(yīng)用層是將應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳送給傳輸層，以便進(jìn)行信息交換。它主要為各種應(yīng)用程序提供使用協(xié)議，標(biāo)注的應(yīng)用 層主要有以下協(xié)議。 ? FTP 文件傳輸協(xié)議：為文件傳輸提供路徑，它允許數(shù)據(jù)從一臺(tái)主機(jī)傳送到另一臺(tái)主機(jī)上，我們可以從 FTP 服務(wù)器上下載文件，或者向 FTP 服務(wù)器上傳文件。 ? HTTP 超文本傳輸協(xié)議：用來(lái)訪問(wèn)在 WWW 服務(wù)器上的各種頁(yè)面。 ? DNS 域名服務(wù)系統(tǒng)：用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)域名到 IP 地址之間的轉(zhuǎn)換。 ? SMTP 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議：實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中電子郵件的傳輸功能。 ? TELNE 虛擬終端服務(wù)：實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中的工作站登陸到遠(yuǎn)程服務(wù)器的能力。 ? NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)：用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)之間的文件共享。 ? RIP 路由信息協(xié)議：用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 之間交換路由信息。 數(shù)據(jù)封裝 當(dāng)應(yīng)用程序用 TCP 傳送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)被傳送入?yún)f(xié)議棧中，之后逐個(gè)通過(guò)每一層直到被當(dāng)做一串比特流送入網(wǎng)絡(luò)。其中每一層對(duì)收到的信息都要增加一些首部信息，必要時(shí)還要增加尾部信息，這個(gè)過(guò)程如圖 31 所示。 TCP 傳給 IP 的數(shù)據(jù)單元稱作 TCP 報(bào)文段， IP 傳給網(wǎng)絡(luò)接口層的數(shù)據(jù)單元稱作 IP 數(shù)據(jù)報(bào)，通過(guò)以 12 太網(wǎng)傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的物理特性是其長(zhǎng)度必須在 46B~1500B之間。 確切的說(shuō)，圖 31 中所示 IP 和網(wǎng)絡(luò)接口傳送的數(shù)據(jù)單元應(yīng)該是分組，分組可以是一個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)，也可以是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的一個(gè)片。 圖 31 數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)f(xié)議棧時(shí)的封裝過(guò)程 TCP 和 UDP 都用一個(gè) 16bit 的端口號(hào)來(lái)表示不同的應(yīng)用程序，并把源端口號(hào)和目的端口號(hào)分別存入報(bào)文首部中，由于 TCP、 UDP、 ICMP 跟 IGMP 都要向IP 傳送數(shù)據(jù)，因此 IP 必須在生成的 IP 首部中加入某種標(biāo)勢(shì)。 1 表示 ICMP 協(xié)議，2 表示 IGMP 協(xié)議， 6 表示 TCP 協(xié)議， 17 表示 UDP 協(xié)議。而網(wǎng)絡(luò)接口分別要接收和發(fā)送 IP、 ARP 和 RARP 數(shù)據(jù)，因此也需要在以太網(wǎng)幀首部中加入標(biāo)識(shí)，以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。所以，以太網(wǎng)的幀首部也有一個(gè) 16bit 的幀類型域這就 是數(shù)據(jù)報(bào)文的封裝，應(yīng)用層數(shù)據(jù)是被逐層封裝，直到數(shù)據(jù)鏈路層。要指出的是 UDP 數(shù)據(jù)與 TCP 數(shù)據(jù)唯一不同是 UDP 傳給 IP 的信息單元稱作 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)，而且 UDP 的首部長(zhǎng)為 8B。 數(shù)據(jù)幀分用 當(dāng)目的主機(jī)收到一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀是，數(shù)據(jù)就開(kāi)始從協(xié)議戰(zhàn)中由底向上傳用戶數(shù)據(jù) 用戶數(shù)據(jù) TCP 首部 14B 20B 20B 4B 應(yīng)用數(shù)據(jù) 應(yīng)用數(shù)據(jù) 應(yīng)用數(shù)據(jù) Appl首部 以太網(wǎng) 驅(qū)動(dòng)程序 以太網(wǎng) 首部 以太網(wǎng) 尾部 應(yīng)用數(shù)據(jù) IP 首部 IP 首部 TCP 首部 TCP 首部 IP 報(bào)文段 TCP 報(bào)文段 以太網(wǎng)幀 TCP IP 以太網(wǎng) 13 送，同時(shí)去掉各層協(xié)議加上的報(bào)文首部。每層協(xié)議盒都要去檢查報(bào)文首部中的協(xié)議標(biāo)識(shí)，以確定接受數(shù)據(jù)的上層協(xié)議，這個(gè)過(guò)程稱作分用。圖 32 顯示這個(gè)如何過(guò)程如何發(fā)生的。 圖 32 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的分用過(guò)程 協(xié)議層簡(jiǎn)介 網(wǎng)際層協(xié)議 網(wǎng)際協(xié)議 時(shí) TCP/IP 協(xié)議最重要的組成部分，是整個(gè)協(xié)議族的核心，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層 IP 分組的傳輸。它位于網(wǎng)際層，為運(yùn)輸層提供服務(wù)，并從網(wǎng)絡(luò)接入層請(qǐng)求服務(wù)。 IP 提供不可靠的、無(wú)連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機(jī)制。 IP 提供了 3個(gè)重要定義： 1) IP 定義了數(shù)據(jù)傳輸所用的基本單元，及規(guī)定了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。 2) IP 規(guī)定了 IP 分組的路由機(jī)制。 3) 除了數(shù)據(jù)格式和路由機(jī)制以外， IP 還包括了一組體現(xiàn)不可靠分組交付思路的規(guī)則。這些規(guī)則指明了主機(jī)和路由器應(yīng)該如何處理 IP 分組、何時(shí)及如何發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息以及在什么情況下可以放棄 分組等等。 IP 是 TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)里最基礎(chǔ)的部分。 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 UDP TCP ICMP IGMP IP ARP RARP 以太網(wǎng) 驅(qū)動(dòng)程序 進(jìn)入的幀 以 TCP 或 UDP 首部端口號(hào)進(jìn)行分用 以 I