【文章內容簡介】 統(tǒng)與 Inter 相互連接，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與 Inter 之間的資源共享、信息通信和狀態(tài)控制等功能，這種嵌入式系統(tǒng)與 Inter 之間的連接與應用就稱為嵌入式 Inter。嵌入式 Inter 技術的誕生雖然不算久，但發(fā)展卻相當迅速，我們還未適應它的時候，很多相關的技術已經出現(xiàn)了，很多大的芯片制造商開始研制功能更強大的嵌入式芯片，軟件廠商則開發(fā)出了微型的 Web 服務器、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)模網絡，例如 emWare 就已經為開發(fā)人員和生產商提供了 8 位和 16 位微控制器網絡接入解決方案。隨著 PC 機時代的到來， 21 世紀將是嵌入式 Inter 的時代。美國貝爾實驗室總裁 Arun Netravali 的一批科學家對此做出了預測：嵌入式Inter“將會產生比 PC 機時代多成百上千倍的瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器 ”。這些瘦服務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Inter 網自動地、 實時地、方便地、簡單地提供給需要這些信息的對象。 嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 同 PC 機接入 Inter 一樣，必須通過相應的通信協(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 TCP/IP 協(xié)議，對信息進行 TCP/IP 協(xié)議處理，使其變成可以在 Inter 上傳輸?shù)?IP 數(shù)據包。 Inter網絡通信中， TCP/IP協(xié)議簇非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。單片機的缺點是資源有限，無法容納下 Inter的 TCP/IP協(xié)議簇。因此單片機實現(xiàn)嵌 8 入式接入 Inter技術的關鍵是如何在單片機等嵌入式設備的有限資源上實現(xiàn)Inter的網絡通信協(xié)議棧。其難點在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進行 TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在 Inter上傳輸?shù)?IP數(shù)據包。目前許多機構都在積極探討利用 MCU實現(xiàn)接入 Inter技術。 單片機接入 Inter方案 1. PC 網關 (Gateway)與專用網結合接入 Inter 首先嵌入式系統(tǒng)和嵌入式網關連接通信， 連接方式采用傳統(tǒng)的 RS232, RS482, RS485,IIC、 SPI、 USB、 CAN、 LIN 總線等輕量級網絡協(xié)議。再由嵌入式網關負責實現(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。嵌入式網關向嵌入式系統(tǒng)提供 Inter 或 Intra 通信和管理服務。如防火墻、協(xié)議轉換、監(jiān)視嵌入式設備的運行狀態(tài)、向外界提供 Web 服務器等。這種技術需要一個專門的嵌入式網關，而且網關和嵌入式系統(tǒng)之間通信也會受到輕量級網絡協(xié)議的制約。它對嵌入式系統(tǒng)處理器速度、資源要求也比較低，開發(fā)難度低，可以解決各種嵌入式系統(tǒng)接入 Inter 的問題，特別 適用于嵌入式系統(tǒng)多且較為集中的場合。缺點是接入成本比較高，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)設備的上網需求，不適合用于低價格設備?；谶@種接入技術模型， EmWare公司提出了嵌入式微 Inter網絡技術 EMIT ( embedded micro interworking technology)。 EMIT 由 emMicro、 emGateway 和網絡瀏覽器組成，并在 MCU 內部以軟件方式嵌入 emNet 協(xié)議 ,如圖 22 所示。 圖 22 圖 21 采用專用嵌入式網絡協(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的功能越來越強大，大多數(shù)都帶有 TCP/IP協(xié)議棧，還具有對圖像界面的支持能力。采用這種方法的缺點是：對開發(fā)人員的要求高，必須對操作系統(tǒng)和 TCP/IP協(xié)議都要有一定的熟悉，開發(fā)周期也較長，難度相對較大。同時嵌入式操作系統(tǒng)的運行需要占用大量的處理器資源和存儲器空間，對硬件配置也有較高的要求，開發(fā)成本高。如圖 23所示 . emGateway (PC 機 ) 文件系統(tǒng) Inter Web Browser RS232 RS485 emMirco 應用系統(tǒng) +em MCUNet 9 圖 23 在嵌入式實時操作系統(tǒng) RTOS 上運行 TCP/IP 3. 使用專用的嵌入式芯 專用嵌入式芯片是一種內置了通信和控制功能 的單片機，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，可進行 Web瀏覽和 E_mail的收發(fā)。也可用 Scenix公司的 8位 SX單片機加虛擬外設的方式接入 Inter。該方式更方便，不需要操作系統(tǒng)，大大節(jié)省了資源，開發(fā)難度有所降低，但還是需要熟悉 TCP/IP 協(xié)議和相關接口 ，技術實現(xiàn)上也比較困難，且對處理器的性能仍然要求較高，需要大容量的存儲器。這類芯片功能強，能夠實現(xiàn)多種網絡協(xié)議，一般提供有相應的 TCP/IP網絡協(xié)議棧。但是這種芯片價格偏高，用戶需要支付軟硬件費用，不易于實現(xiàn)市場的廣泛應用。如圖 24所示。 圖 24 直接在嵌入式處理器上實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議 4. 使用普通單片機和網絡控制芯片 通過在系統(tǒng)中集成網絡接口芯片 , 采用軟件方式實現(xiàn) TCP/IP協(xié)議棧 , 使得嵌入式系統(tǒng)具備網絡功能從而接入 Internt。單片機加載 TCP/IP協(xié)議控制以太網網卡進行數(shù)據傳輸 ，并通過 TCP/IP協(xié)議聯(lián)接到互聯(lián)網。遠程控制端的操作通過路由器找到目標后，由網卡芯片的接口傳入單片機，通過在單片機中加載的驅動程序轉換成物理幀格式，再由 TCP/IP協(xié)議轉換成應用層的控制命令。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且可根據實際需要進行功能擴展，但是需要在單片機上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP網絡協(xié)議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機，所以其優(yōu)點是成本低，單片機體積小，易于以極高的性價比向諸多需要實現(xiàn)嵌入式接入Inter的場合推廣。本文設計的系統(tǒng)就是采用這種技術方案。 RTOS MCU TCP/IP Inter MCU 固化 TCP/IP 協(xié)議棧 TCP/IP Inter 10 第 3 章 網絡協(xié)議 TCP/IP 分層模型 TCP/IP 采用分層體系結構，它與開放系統(tǒng)互聯(lián) OSI 模型的層次結構相似。如表 21 所示，它可以分為 4 層，由低到高一次為：網絡接口層、網際層、傳輸層和應用層。 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 TCP/IP 層次描述 主要應用協(xié)議 應用層 7 應用層 FTP、 和 Tel等 表示層 6 會話層 5 運輸層 TCP 和 UDP 傳輸層 4 網絡層 3 網絡層 IP、 ICMP 和 IGMP 鏈路層 設 備驅動及接口卡 數(shù)據鏈路層 2 物理層 1 TCP/IP 分層模型的四個協(xié)議層分層完成如下功能。 (1) 第一層 網絡接口層 網絡接口層包括用于協(xié)作 IP 數(shù)據在已有網絡介質上傳輸協(xié)議。實際上TCP/IP 標準并不定義與 ISO 數(shù)據鏈路層和物理層相對應的功能。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)據結構和實際物理硬件之間的接口。 (2) 第二層 網際層 對應于 OSI 7層參考模型的網絡層，網絡層主要解決計算機之間的通信問題，它負責管理不同設備之間的數(shù)據交換，它是 Inter 通信子網的最高層，它所提供的是不可靠的無連接數(shù)據報服務，無論傳輸是否正確，不做驗證、不發(fā)確認，也不保證分組的正確 順序。 網際層主要有以下協(xié)議。 ? IP 協(xié)議 (網際協(xié)議 )：使用 IP 地址確定收發(fā)端，提供端到端的 “數(shù)據報 ”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 (網絡控制報文協(xié)議 )：處理路由，協(xié)助 IP 層實現(xiàn)報文傳送的控制機制，提供錯誤和信息報告。 ? ARP 協(xié)議 (正向地址解析協(xié)議 )：將網絡層地址轉換為鏈路層地址。 ? RARP 協(xié)議 (逆向地址解析協(xié)議 )：將鏈路層地址轉換為網絡層地址。 (3) 第三層 傳輸層 對應于 OSI 7 層參考模型的傳輸層，提供兩種端到端的通信服務。其中 TCP協(xié)議提供可靠的數(shù)據流運輸服務， UDP 協(xié)議提供不可靠的用戶數(shù)據服務。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)據傳輸服務。 ? UDP 協(xié)議：用戶數(shù)據報協(xié)議 ,采用無連接數(shù)據報傳送方式，一次傳輸少量的情況，如數(shù)據查詢等，當通信子網相當可靠是， UDP 協(xié)議的優(yōu)越性更為突出。 (4) 第四層 應用層 對應于 OSI 7 層參考模型的應用層和表達層，應用層是將應用程序的數(shù)據傳送給傳輸層，以便進行信息交換。它主要為各種應 用程序提供使用協(xié)議，標注的應用層主要有以下協(xié)議。 ? FTP 文件傳輸協(xié)議：為文件傳輸提供路徑，它允許數(shù)據從一臺主機傳送到另一臺主機上，我們可以從 FTP 服務器上下載文件，或者向 FTP 服務器上傳文件。 ? HTTP 超文本傳輸協(xié)議：用來訪問在 WWW 服務器上的各種頁面。 ? DNS 域名服務系統(tǒng)：用于實現(xiàn)主機域名到 IP 地址之間的轉換。 ? SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議：實現(xiàn)互聯(lián)網中電子郵件的傳輸功能。 ? TELNE 虛擬終端服務：實現(xiàn)互聯(lián)網中的工作站登陸到遠程服務器的能力。 ? NFS 網絡文件系統(tǒng)：用于實現(xiàn)網絡中不同主機之間的文件共享。 ? RIP 路由信息協(xié)議：用于網絡設備之間交換路由信息。 數(shù)據封裝 當應用程序用 TCP 傳送數(shù)據時，數(shù)據被傳送入協(xié)議棧中，之后逐個通過每一層直到被當做一串比特流送入網絡。其中每一層對收到的信息都要增加一些首部信息，必要時還要增加尾部信息，這個過程如圖 31 所示。 TCP 傳給 IP 的數(shù)據單元稱作 TCP 報文段， IP 傳給網絡接口層的數(shù)據單元稱作 IP 數(shù)據報，通過以 12 太網傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀。以太網數(shù)據幀的物理特性是其長度必須在 46B~1500B之間。 確切的說，圖 31 中所示 IP 和網絡接口傳送的數(shù)據單元應該是分組，分組可以 是一個 IP 數(shù)據報，也可以是 IP 數(shù)據報的一個片。 圖 31 數(shù)據進入協(xié)議棧時的封裝過程 TCP 和 UDP 都用一個 16bit 的端口號來表示不同的應用程序，并把源端口號和目的端口號分別存入報文首部中，由于 TCP、 UDP、 ICMP 跟 IGMP 都要向IP 傳送數(shù)據，因此 IP 必須在生成的 IP 首部中加入某種標勢。 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。而網絡接口分別要接收和發(fā)送 IP、 ARP 和 RARP 數(shù)據，因此也需要在以太網幀首部中加入標識，以指明生成數(shù)據的網絡協(xié)議層。所以，以太網的幀首部也 有一個 16bit 的幀類型域這就是數(shù)據報文的封裝，應用層數(shù)據是被逐層封裝，直到數(shù)據鏈路層。要指出的是 UDP 數(shù)據與 TCP 數(shù)據唯一不同是 UDP 傳給 IP 的信息單元稱作 UDP 數(shù)據報，而且 UDP 的首部長為 8B。 數(shù)據幀分用 當目的主機收到一個以太網數(shù)據幀是，數(shù)據就開始從協(xié)議戰(zhàn)中由底向上傳用戶數(shù)據 用戶數(shù)據 TCP 首部 14B 20B 20B 4B 應用數(shù)據 應用數(shù)據 應用數(shù)據 Appl首部 以太網 驅動程序 以太網 首部 以太網 尾部 應用數(shù)據 IP 首部 IP 首部 TCP 首部 TCP 首部 IP 報文段 TCP 報文段 以太網幀 TCP IP 以太網 13 送，同時去掉各層協(xié)議加上的報文首部。每層協(xié)議盒都要去檢查報文首部中的協(xié)議標識，以確定接受數(shù)據的上層協(xié)議，這個過程稱作分用。圖 32 顯示這個如何過程如何發(fā)生的。 圖 32 以太網數(shù)據幀的分用過程 協(xié)議層簡介 網際層協(xié)議 網際協(xié)議時 TCP/IP 協(xié)議最重要的組成部分，是整個協(xié)議族的核心，主要負責網絡層 IP 分組的傳輸。它位于網際層，為運輸層提供服務，并從網絡接入層請求服務。 IP 提供不可靠的、無連接的、盡最大努力交付的分組傳輸機制。 IP 提供了 3個重要定義： 1) IP 定義了數(shù)據傳輸所用的基本單元，及規(guī)定了傳輸?shù)臄?shù)據格式。 2) IP 規(guī)定了 IP 分組的路由機制。 3) 除了數(shù)據格式和路由機制以外， 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)則指明了主機和路由器應該如何處理 IP 分組、何時及如何發(fā)現(xiàn)錯 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)網設計里最基礎的部分。 應用程序 應用程序 應用程序 應用程序 UDP TCP ICMP IGMP IP ARP RARP 以太網 驅動