嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)及其網(wǎng)絡接口技術研究

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

　　嵌入式系統(tǒng)利用網(wǎng)絡接口控制芯片實現(xiàn)與網(wǎng)絡的通信功能，成本低，控制方便可靠，滿足系統(tǒng)對通信的要求?？紤]到本身的特點，在大量工業(yè)領域中應用嵌入式設備功能比較單一，在上述網(wǎng)絡接口控制芯片接口程序的基礎上只需要開發(fā)簡化的嵌入式協(xié)議棧，就可滿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(xiàn)場總線實現(xiàn)無縫連接，使以太網(wǎng)越來越向底層延伸。以太網(wǎng)在現(xiàn)場設備中的應用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開發(fā)等也日益成為研究的熱點。

　　1 嵌入式接入網(wǎng)的主要方式

　　目前嵌入式系統(tǒng)接入Internet通常有以下兩種主要方式：

　　(1)采用高速的16／32Bit微控制器直接實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，這種方法的實現(xiàn)框圖如圖1所示。這種方式可以使嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，有很大的靈活性。缺點是占用的系統(tǒng)資源較多，對微控制器的要求也很高，無法在8／16Bit低速微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)。

圖1 直接實現(xiàn)TCP/IP系統(tǒng)

　　(2)使用嵌入式網(wǎng)關來實現(xiàn)，如圖2所示。各個嵌入式系統(tǒng)首先和網(wǎng)關進行通信，通信方式采用傳統(tǒng)的RS-232、RS-485等，由嵌入式網(wǎng)關負責實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，完成嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)接入Internet的問題。缺點是需要一個專門的嵌入式網(wǎng)關，而且和各個嵌入式系統(tǒng)之間的通信同樣受到速度和距離的限制，這種方法的實現(xiàn)成本將會增加。

2 嵌入式系統(tǒng)的組成

　　嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)軟件（要求實時和多任務操作）和應用程序編程。嵌入式系統(tǒng)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)絡為中心的環(huán)境中，把“孤立的目標系統(tǒng)”相互連接起來。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(tǒng)必需配有一種或多種網(wǎng)絡通信接口，使嵌入式微控制器不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能，而且還能執(zhí)行與連接因特網(wǎng)相關的功能，從而把標準網(wǎng)絡技術（TCP/IP）一直擴展到嵌入設備，由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)Web服務器功能，這是解決嵌入式Internet問題的最佳方案。

　　嵌入式設備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講，只要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議就可以。針對嵌入式設備連接涉及的兩個關鍵問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)的有線連接與TCP/IP協(xié)議。其網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議分層如圖1所示。利用網(wǎng)絡接口控制器（NIC-Network InteRFace Controller）來實現(xiàn)物理層和鏈路層協(xié)議，同時微處理器運行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來實現(xiàn)與Intranet/Internet網(wǎng)的連接。一旦這個目標得以實現(xiàn)，就能在網(wǎng)絡環(huán)境下在任何時間從任何地點對位于任何其它地方的系統(tǒng)中的微控制器進行監(jiān)控，利用傳統(tǒng)的Web和因特網(wǎng)機制遠程監(jiān)視數(shù)據(jù)和運行情況控制，而且還能在合適的條件下對系統(tǒng)進行調(diào)試、升級和維護。

3 技術難點分析

　　3．1 發(fā)送數(shù)據(jù)的封裝

　　把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡上，首要條件是產(chǎn)生符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。首先從一個物理幀的格式來分析。一個標準的IEEE802.3的物理幀如圖4所示：