1、 嵌入式Internet技術(shù)研究及在網(wǎng)絡儀器中的應用學科專業(yè)： 培養(yǎng)方向： 碩 士 生： 指導教師： Research on embedded Internet technology and the application in network instrumentDissertation Submitted to China University of Petroleumin partial fulfillment of the requirementfor the degree of Master of EngineeringbyLI Su-xia(Computer Application

2、 Technology)Dissertation Supervisor: Professor DUAN You-xiangAssociate Professor ZHAO Shi-junSeptember, 2006獨 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國石油大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽 名： 年 月 日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解

3、XXX大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留送交論文的復印件及電子版，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。(保密論文在解密后應遵守此規(guī)定)學生簽名： 年 月 日導師簽名： 年 月 日嵌入式Internet技術(shù)研究及在網(wǎng)絡儀器中的應用摘要隨著Internet的廣泛應用，許多原本獨立的設備和系統(tǒng)開始與Internet互聯(lián)，使越來越多的信息資源共享成為可能。嵌入式系統(tǒng)接入Internet的技術(shù)難點在于：如何利用嵌入式系統(tǒng)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Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。論文首先闡述

4、了嵌入式Internet的特點和原理，對比分析了嵌入式Internet的實現(xiàn)方案。重點討論了嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方法和特殊性。針對嵌入式系統(tǒng)自身資源不足的特點，提出了TCP/IP協(xié)議的簡化原則和方法。針對石油儀器儀表傳輸數(shù)據(jù)的特點，以OpenTcp協(xié)議為原型，裁剪TCP/IP協(xié)議棧，采用標準的TCP/IP協(xié)議分層結(jié)構(gòu)，向上提供Socket應用程序編程接口，設計的目標是通過以太網(wǎng)使嵌入式系統(tǒng)連入Internet。實現(xiàn)了幾個主要的協(xié)議，即ARP、IP、ICMP、TCP、HTTP。分層介紹了TCP/IP協(xié)議族中各個協(xié)議的地位、作用及相互關(guān)系，詳細描述了對各層協(xié)議的精簡及改進，并給出了實現(xiàn)算法

5、及相應的代碼。該TCP/IP協(xié)議集全部用C語言編寫，具有移植性、實時性、與平臺無關(guān)性，采用模塊化設計，可以方便、快捷地移植到其它單片機上。最后，本文給出了一種能在16位單片機實現(xiàn)Web服務器的方法，單片機采用飛思卡爾MC9S12系列的MC9S12NE64。它片內(nèi)帶有符合IEEE 802.3通信協(xié)議標準的以太網(wǎng)接口模塊，所以硬件方面可以很方便、快捷的完成網(wǎng)絡接口的設計，軟件方面主要是設計以太網(wǎng)底層驅(qū)動軟件和TCP/IP協(xié)議。最后，將設計好的Web服務器應用到石油儀器儀表中實現(xiàn)石油儀器的互聯(lián)網(wǎng)連接，驗證了精簡的TCP/IP協(xié)議的可行性。關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)，嵌入式Web服務器，TCP/IP協(xié)議，通用網(wǎng)關(guān)

6、接口(CGI)網(wǎng)絡儀器Research on Embedded Internet Technology and the Application in Network InstrumentLI Su-xia (Computer Application Technology)Directed by Professor DUAN You-xiang，Associate Professor ZHAO Shi-junABSTRACTAlong with the wide application of Internet in many fields, a lot of isolated equipment

7、 and systems have been linked to it, which makes it possible that more and more information and resources can be shared. The technical difficulty of realizing embedded Internet is that how to implement TCP/IP stack using the limited resources of embedded system, in order to turn the data into the IP

8、 data packet which transmits on Internet.First, the characteristic and principle of embedded Internet is introduced in the paper, and the schemes of implementing embedded Internet are analyzed, the method and particularity of embedded TCP/IP protocol are emphasied. Then, considering the limited reso

9、urce of embedded system, some principles and methods of simpification are explained in particular.Considering the limited resource of 16-bit single-chip computer, it is not possible and necessary to implement the whole TCP/IP protocol. In view of the data transmission characteristic of petroleum ins

10、trument, cuts out TCP/IP stack, based on OpenTcp. Also uses the standard TCP/IP structure, upwardly provides the Socket application interface. The goal is connecting embedded device with Internet through Ethernet. We simplify TCP/IP suit, including ARP, IP, ICMP, TCP and HTTP. The responsibility and

11、 mutual relation of these protocols are introduced hierarchically. The detailed simplify and improvement of each protocol is given, also introduces the algorithm and the corresponding code. This TCP/IP stack program by C language completely. It is transplant, real-time and modular. So it is convenie

12、ntly transplants to other MCU.Finally, a method to implement embedded web server in 16-bit MCU is detailed, the MC9S12NE64 integrated Ethernet controller is compatible with IEEE 802.3. The interface of Ethernet network is designed conveniently in hardware and the driver of network controller and TCP

13、/IP protol is designed in software. Finally, take this embedded web server into petroleum instrument.to communicate between browser and instruments, thus valicate the feasibility of TCP/IP protol stack.Keywords: Ethernet, embedded Web server, TCP/IP stack, CGI embedded environments, Network Instrume

14、nt目 錄聲 明i中文摘要ii英文摘要iii目 錄v第1章前言11.1研究背景及意義11.2相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀21.2.1 嵌入式Internet接入技術(shù)21.2.2 嵌入式Web服務器技術(shù)31.3研究的內(nèi)容及特色41.4論文組織結(jié)構(gòu)5第2章 嵌入式Internet的技術(shù)原理62.1 嵌入式Internet的原理62.2 嵌入式Internet的接入技術(shù)62.2.1 嵌入式Internet的接入方案62.2.2 嵌入式Internet接入實現(xiàn)的特點72.2.3 嵌入式Internet接入底層硬件協(xié)議82.3嵌入式TCP/IP協(xié)議92.3.1 TCP/IP協(xié)議子集的構(gòu)成分析92.3.2 嵌入式系

15、統(tǒng)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的特殊性122.3.3 嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方案14第3章 系統(tǒng)總體設計及硬件平臺163.1系統(tǒng)總體設計方案163.1.1 總體方案的設計原則163.1.2 系統(tǒng)總體設計方案163.2 硬件平臺183.2.1 MCU單元183.2.2 以太網(wǎng)接口模塊193.3電路設計圖24第4章 嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)274.1 軟件總體框架設計274.1.1功能概述274.1.2 程序模塊組成284.1.3開發(fā)語言的選擇304.2 以太網(wǎng)底層驅(qū)動軟件模塊314.2.1 以太網(wǎng)底層驅(qū)動軟件的特性和功能314.2.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)324.2.3 以太網(wǎng)控制器的初始化334

16、.2.4 發(fā)送數(shù)據(jù)344.2.5 接收數(shù)據(jù)344.3 ARP協(xié)議的實現(xiàn)354.3.1 ARP 協(xié)議概述354.3.2 ARP的分組格式354.3.3 ARP高速緩存表364.3.4 主要實現(xiàn)過程和函數(shù)374.4 IP協(xié)議的實現(xiàn)384.4.1 IP協(xié)議概述384.4.2 IP功能的簡化384.4.3 IP數(shù)據(jù)報格式及主要實現(xiàn)函數(shù)394.5 ICMP的實現(xiàn)414.6 TCP協(xié)議的實現(xiàn)424.6.1 TCP協(xié)議的簡化424.6.2 TCP連接過程464.6.3 TCP報文474.6.4 連接狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)494.7 HTTP協(xié)議的實現(xiàn)504.7.1 HTTP協(xié)議及主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)504.7.2 文件系統(tǒng)5

17、14.7.3 CGI 的實現(xiàn)524.7.4 主要函數(shù)分析53第5章 協(xié)議棧的測試與應用555.1 協(xié)議棧的測試555.1.1 PING測試555.1.2 HTTP測試565.1.3 傳輸速度的測試575.2 網(wǎng)絡儀器結(jié)構(gòu)595.3應用實例60第6章 結(jié)論與展望62參考文獻63致謝66個人簡歷和在學期間的研究成果67vii中國石油大學（華東）碩士論文 第1章 前言第1章前言1.1研究背景及意義嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是以應用為中心，以計算技術(shù)為基礎，軟件硬件可剪裁的適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)1。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應用的

18、階段，以MCU為核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設備配合實現(xiàn)一定的功能。嵌入式Internet最初是為了解決嵌入式系統(tǒng)與Internet互連而提出來的，其研究背景主要是基于以下兩個方面：(1)嵌入式系統(tǒng)無處不在嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中，從家用電器、手持通訊設備、信息終端、儀器儀表、汽車、航天航空、軍事裝備、制造工業(yè)、過程控制等。今天，嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元。據(jù)統(tǒng)計，嵌入式處理器的數(shù)量占分散處理器的94%，而PC機用的處理器只占6%。(2)嵌入式系統(tǒng)與Internet的結(jié)合是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢如今，Internet已經(jīng)遍布全球，E-mail和WWW的普

19、遍應用使得Internet被大眾接受，Internet已經(jīng)成為人們獲得各類信息、相互交流的重要渠道。Internet的迅速發(fā)展，使得網(wǎng)絡用戶呈指數(shù)增長，同時也促進了嵌入式網(wǎng)絡設備和產(chǎn)品的市場需求。在通用計算機進行網(wǎng)絡互連的同時，各種家電設備、儀器儀表、工業(yè)控制設備都在趨于網(wǎng)絡化，以便共享互聯(lián)網(wǎng)絡中龐大的信息資源。而現(xiàn)在儀器網(wǎng)絡化已成為現(xiàn)代測控系統(tǒng)、儀器儀表的重要發(fā)展方向，把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式的應用，嵌入到現(xiàn)場儀器中，使信號的收、發(fā)都以TCP/IP方式進行，傳統(tǒng)儀器充當著網(wǎng)絡中獨立節(jié)點的角色，信息可跨越網(wǎng)絡傳輸至所及的任何領(lǐng)域。從拓展儀器設備定義的角度出發(fā)，將服務于人們從任何地點、在

20、任意時間都能夠獲取到測量信息的硬、軟件條件的有機集合稱為“網(wǎng)絡儀器”。網(wǎng)絡儀器已遠遠超出了傳統(tǒng)的單個式獨立儀器的范疇，也不是傳統(tǒng)的單個式獨立儀器的簡單組合，它是適合在遠程測控中使用的儀器，是嵌入式技術(shù)、儀器測控技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、現(xiàn)代計算機技術(shù)、微電子技術(shù)深度融合的結(jié)果23。把各種儀器接入Internet，實現(xiàn)PC機所具有的遠程測量和信息發(fā)布等各項功能，有著廣泛的意義：通過網(wǎng)絡，用戶能夠遠程檢測/控制過程和獲取實驗數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡，一個用戶能遠程監(jiān)控多個過程，而多個用戶也同時對同一個過程進行監(jiān)控。通過網(wǎng)絡，用戶利用普通儀器設備采集數(shù)據(jù)，然后指示另一臺功能強大的遠方計算機分析數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡上實時發(fā)

21、布。通過網(wǎng)絡，用戶就自己感興趣的問題在世界范圍內(nèi)進行合作和訪問，比如，軟件工程師可以把開發(fā)程序下載給遠方的目標系統(tǒng)，進行調(diào)試和實時運行，就象目標系統(tǒng)在身邊一樣。1.2相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀1.2.1 嵌入式Internet接入技術(shù)嵌入式Internet技術(shù)的發(fā)展非常迅速，國內(nèi)外投入嵌入式Internet研究的公司也日益增多。圍繞嵌入式系統(tǒng)如何接入Internet的問題，各大公司推出了自己的技術(shù)方案，目前主要有以下幾種：1、PC網(wǎng)關(guān)(Gateway)+專用網(wǎng)此方案源于EmWare公司提出的EMIT(Embedded Micro Internet Working Technology)技術(shù)理論EM01

22、45。它的技術(shù)核心是采用代理上網(wǎng)機制，它采用桌面計算機作為網(wǎng)關(guān)，稱為emGateway，在其上運行TCP/IP協(xié)議，形成一個用戶可以通過網(wǎng)絡瀏覽器進行遠程訪問的服務器。同時，emGateway通過RS232、RS485、CAN等總線與嵌入式設備相連，每個嵌入式設備的應用程序中包含一個獨立的通信任務，稱為emMicro，負責監(jiān)測嵌入式設備中預先定義的變量，并將結(jié)果反饋到emGateway。同時emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。為了完成網(wǎng)絡連接，emWare公司開發(fā)了大量軟件來建立訪問和監(jiān)控MCU應用系統(tǒng)的接口，這些接口可以在不同的設備中。EmMi

23、cro和EmGateWay一起為嵌入式設備提供了Internet功能。這種方案存在如下缺點：a. 需要依賴PC機作網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，在多個單片機系統(tǒng)分散的情況下，專用網(wǎng)絡布線極為不便；b. 需要在PC機上安裝專門的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，該軟件通常由專門的第三方軟件商提供，費用較高。2、32位MCU+RTOS(實時多任務操作系統(tǒng)) 采用32位的高檔單片機，在RTOS(實時多任務操作系統(tǒng))的平臺上進行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。目前國內(nèi)較為流行的RTOS主要有Vxworks、pSOS、ucleus、Linux。網(wǎng)虎國際(Xlinux)公司己開發(fā)出大小僅為100K，目前世界上最小的L

24、inux內(nèi)核QUARK(夸克)，和總量不到2M的嵌入式Linux，并且在Intel公司推出的芯片strongARM上獲得了成功的應用。這些RTOS各有特點，后三種對圖形界面(GUI)的支持較好。由于采用高檔單片機，該方案可以完成很多復雜的功能。但這種方案存在如下缺點：a. 高檔單片機價格較貴，開發(fā)周期較長；b .RTOS的移植需要專業(yè)人員，對開發(fā)人員的技術(shù)能力要求比較高。3、MCU+專用網(wǎng)絡芯片這種方案是由MCU及固化了TCP/IP協(xié)議的芯片組成應用系統(tǒng)的核心。比較有代表性的是力源公司開發(fā)的Webchip芯片，是獨立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡接口芯片，它通過標準的輸入、輸出口與各種MCU相連。M

25、CU通過Webchip與網(wǎng)關(guān)連接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠程傳來的命令或?qū)?shù)據(jù)交給Webchip發(fā)送出去5。此方案由于TCP/IP協(xié)議是固化在芯片中，用戶不能修改,缺乏靈活性；另外，這種方案需要大容量的存儲器。1.2.2 嵌入式Web服務器技術(shù)嵌入式Web服務器 (Embedded Web Server，簡稱EWS)是把Internet中的WebServer進行一定的裁剪，嵌入到設備中的微處理器或微控制器，使設備具有網(wǎng)絡的功能，從而可以利用EWS對設備進行監(jiān)控和管理，并且可以利用Web接收任何一個遠程設備的數(shù)據(jù)和信息。如果設備中帶有EWS，為用戶提供強有力的基于Web管理的用戶接口，

26、那么設備就可以通過Web和Internet建立通信聯(lián)系。嵌入式Web服務器以TCP/IP協(xié)議棧為基礎構(gòu)建，但是傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議使用在嵌入式Internet環(huán)境下是不合適的，當把協(xié)議從普通的PC機移植到單片機中，內(nèi)存和內(nèi)存管理成為一個主要的問題。由于受到資源的限制，在低端的單片機上不能像在PC機上設計TCP/IP那樣進行通信協(xié)議的開發(fā)。為了既實現(xiàn)相應的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源，需要對協(xié)議進行有針對的模塊化裁減，在單片機上嵌入TCP/IP協(xié)議的子集，包括IP、UDP和TCP等協(xié)議的全部或部分功能6。目前常見的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧如下表1所示：表1 常見嵌入式TCP/IP協(xié)議棧比較方案內(nèi)存需求代

27、碼尺寸特點/評價8052.lphard.cz32KByte15KB協(xié)議棧用ASM編寫且以LIB形式發(fā)布，不利于移植TCP/IP lean Server on PIC500Byte5KB只有SLIP的支持，不能連接以太網(wǎng)TCPIP Stack on MSP4301KByte5KB代碼過于簡單，不利于擴展lwIP10KB40KB資源需求稍多TinyTCP500Byte6KB比較可行的方案uip 0.6500Byte5KB比較可行的方案Ucip1-0-3需要和uC/OS 這一實時內(nèi)核配合EtherNut 需要和NUT OS這一實時內(nèi)核配合OpenTcp免費，方便移植，可配合操作系統(tǒng)使用，也可以單獨使

28、用1.3研究的內(nèi)容及特色本研究通過分析目前的嵌入式Internet接入技術(shù)的特點及適用領(lǐng)域，在針對石油儀器網(wǎng)絡化的開發(fā)中提出了一種適用于低端MCU連網(wǎng)的單芯片以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方案，并以OpenTcp協(xié)議為原型，進行TCP/IP協(xié)議的精剪工作。本研究具有以下特色：1、利用HTTPServer技術(shù)實現(xiàn)了基于B/S模式的訪問。2、針對嵌入式TCP/IP協(xié)議中無法實現(xiàn)復雜的FAT32文件系統(tǒng)，在HTTP協(xié)議中設計了一種簡單實用的文件系統(tǒng)，用于存放網(wǎng)頁的靜態(tài)頁面和圖片。3、采用CGI技術(shù)，實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)頁的生成和簡單的命令交互，減輕了嵌入式Web服務器端口MCU的負荷。1.4論文組織結(jié)構(gòu)本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第1

29、章前言。主要闡述了本課題的研究背景，簡要分析了其研究意義，概括了主要研究內(nèi)容，介紹了相關(guān)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀。第2章嵌入式Internet的技術(shù)原理。討論了嵌入式Internet的原理和接入技術(shù)，重點研究了嵌入式TCP/IP協(xié)議。分析了嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的特殊性，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)自身的特點，提出了簡化TCP/IP協(xié)議的原則及實現(xiàn)方案。第3章系統(tǒng)總體設計與硬件平臺。主要介紹了系統(tǒng)總體設計方案及硬件平臺。重點闡述了本方案所使用的16位單片機MC9S12NE64的特性，詳細介紹了以太網(wǎng)接口模塊，分析了以太網(wǎng)緩沖區(qū)大小的配置(BUFMAP值的大小)對網(wǎng)絡性能的影響，最后給出了它的硬件電路設計。第4

30、章嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)。重點講述了本系統(tǒng)的軟件設計和實現(xiàn)，包括底層以太網(wǎng)驅(qū)動軟件和TCP/IP協(xié)議棧軟件。詳細描述了對OpenTcp協(xié)議的精簡和改進，并給出了實現(xiàn)算法。HTTP協(xié)議中給出了文件系統(tǒng)的設計和利用CGI實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的方法。第5章 協(xié)議棧的測試與應用。主要是對TCP/IP協(xié)議的性能進行測試，同時討論了網(wǎng)絡化儀器系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)技術(shù)。第6章結(jié)論與展望。本章對論文工作進行了概括性總結(jié)，并對下一步的工作進行了展望。69中國石油大學（華東）碩士論文 第2章 嵌入式Internet的技術(shù)原理第2章 嵌入式Internet的技術(shù)原理2.1 嵌入式Internet的原理在嵌入式Inte

31、rnet環(huán)境下，設備通常是現(xiàn)場總線上的多臺設備或者是孤立的一臺傳統(tǒng)設備，要實現(xiàn)這些設備與Internet聯(lián)網(wǎng)，需要有嵌入式Internet服務器為傳統(tǒng)的設備提供網(wǎng)絡接口，或者為現(xiàn)場總線和Internet之間的通信提供協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。Internet上的用戶只需使用標準的瀏覽器或?qū)Ｓ玫目蛻舳塑浖涂梢耘c嵌入式Internet服務器建立TCP或HTTP連接，由嵌入式Internet服務器來把用戶的指令轉(zhuǎn)換成設備能識別的代碼或者把設備的信息打成IP包后再發(fā)給客戶端應用程序。用戶在客戶端可以選擇兩種應用程序，如果通過標準的瀏覽器運行Java Applet，則能夠做到客戶端與操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，使用專用的

32、客戶端軟件，則能夠根據(jù)實際情況靈活的設計應用程序，減少對瀏覽器的依賴，圖2-1為嵌入式Internet的原理圖7。Internet客戶端/瀏覽器Web服務器Embedded Internet服務器現(xiàn)場設備HTTP連接連接Applet服務器與現(xiàn)場設備的通訊客戶端與服務器通訊Applet與服務器通訊圖2-1 嵌入式Internet基本原理圖2.2 嵌入式Internet的接入技術(shù)2.2.1 嵌入式Internet的接入方案嵌入式系統(tǒng)的Internet接入方案是嵌入式Internet領(lǐng)域研究的熱點之一。嵌入式系統(tǒng)的Internet接入方案主要有兩種方法：直接接入和間接接入1。嵌入式系統(tǒng)直接與Inte

33、rnet相互連接主要是通過在嵌入式系統(tǒng)本身添加網(wǎng)絡接口硬件，增加相應的軟件支持來實現(xiàn)的。直接接入技術(shù)主要是針對采用32/64 位微處理器的嵌入式系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。Internet采用32/64位微處理器的嵌入式系統(tǒng)TCP/IP圖22 直接接入方法對于8/16位的嵌入式系統(tǒng)來說，速度慢和內(nèi)存小等系統(tǒng)性能缺陷是其Internet接入技術(shù)需要考慮的問題。在8/16位的嵌入式系統(tǒng)硬件設備中添加網(wǎng)絡硬件接口，并在相應操作系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，其系統(tǒng)硬件設備性能無法滿足應用的需要。因此，可以通過使用專門的嵌入式網(wǎng)關(guān)與Internet連接，如圖23所示，嵌入式系統(tǒng)首先通過RS-232或R

34、S-485等與嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，再由嵌入式網(wǎng)關(guān)與Internet連接，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet的信息交互。嵌入式系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)InternetRS-232TCP/IP圖2-3 間接接入方法2.2.2 嵌入式Internet接入實現(xiàn)的特點嵌入式設備系統(tǒng)的硬件平臺大多是8/16位的微處理器，不管是速度，還是ROM、RAM等資源，都不如PC機強大，要在這些資源有限的設備上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，解決數(shù)據(jù)的封裝、拆包、編碼、解碼及數(shù)據(jù)發(fā)送等。不僅如此，嵌入式處理器還要控制一些設備，來完成特定的測量和控制任務。而完整的TCP/IP協(xié)議棧需要消耗大量的系統(tǒng)資源，并且在嵌入式系統(tǒng)中只是完成一些簡單的數(shù)

35、據(jù)傳輸任務，沒有必要實現(xiàn)全部的TCP/IP協(xié)議棧，只需實現(xiàn)最精簡的內(nèi)核和用到的協(xié)議就可以了。另外，為了減輕MCU的負擔，底層采用網(wǎng)絡接口芯片，來完成物理幀的形成、接收、發(fā)送、校驗、編碼、解碼等任務，網(wǎng)絡接口芯片都遵循一定的接口標準。這樣MCU就可以集中進行數(shù)據(jù)采集和過程控制了。2.2.3 嵌入式Internet接入底層硬件協(xié)議要實現(xiàn)小型嵌入式設備的Internet接入，TCP/IP首先要解決的是底層硬件問題，即協(xié)議的物理層。以太網(wǎng)協(xié)議已被廣泛地應用到各種計算機網(wǎng)絡中，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)等場合，并且還在不斷的發(fā)展。基于以太網(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設備不斷出現(xiàn)，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實上最常用的網(wǎng)絡標準之

36、一。以太網(wǎng)是基于總線型的廣播式網(wǎng)絡，在已有的局域網(wǎng)標準中，它是最成功的局域網(wǎng)技術(shù)，也是當前應用最廣泛的一種局域網(wǎng)。它是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標準。它采用帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD)，速率為10Mbps，傳輸介質(zhì)為同軸電纜。以太網(wǎng)是在20世紀70年代為解決網(wǎng)絡中零散的和偶然的堵塞而開發(fā)的，而IEEE802.3標準是在最初的以太網(wǎng)技術(shù)基礎上于1980年開發(fā)成功的。現(xiàn)在，以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)2.0版由數(shù)字設備公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合開發(fā)，它與IEEE802.3兼容。在基于廣播的以太網(wǎng)中，所有的工作站都可以收到發(fā)送到網(wǎng)上

37、的信息幀。每個工作站都要確認該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認是發(fā)給自己的，就將它發(fā)送到高一層的協(xié)議層。在采用CSMA/CD傳輸介質(zhì)訪問的以太網(wǎng)中，任何一個CSMA/CD LAN工作站在任何一時刻都可以訪問網(wǎng)絡。發(fā)送數(shù)據(jù)前，工作站要偵聽網(wǎng)絡是否堵塞，只有檢測到網(wǎng)絡空閑時，工作站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。在基于競爭的以太網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡空閑，任一工作站均可發(fā)送數(shù)據(jù)。當兩個工作站發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡空閑而同時發(fā)出數(shù)據(jù)時，就發(fā)生沖突。這時，兩個傳送操作都遭到破壞，工作站必須在一定時間后重發(fā)，何時重發(fā)由延時算法決定。IEEE802.3或Ethernet所用的媒體訪問法為帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)。按照這

38、種方法，一個工作站在發(fā)送前，首先偵聽媒體上是否有活動，即稱為“談前聽”協(xié)議。所謂活動是指媒體上有無傳輸，也就是載波是否存在。如果偵聽到有載波存在，工作站便推遲自己的傳輸。在偵聽的結(jié)果為媒體空閑時，則立即開始進行傳輸。在偵聽到媒體忙而等待傳輸情況下，當傳輸中的幀最后一個數(shù)據(jù)位通過后，應繼續(xù)等待至少9.6us,以提供適當?shù)膸g間隔，隨后便可進行傳輸。如果兩個工作站同時試圖進行傳輸，將會造成廢幀，這種現(xiàn)象稱為碰撞，并認為是一種正常現(xiàn)象，因以媒體上連接的所有工作站的發(fā)送都基于媒體上是否有載波，所以稱為載波偵聽多路訪問(CSMA)。為保證這種操作機制能夠運行,還需要具備檢測有無碰撞的機制,這便是碰撞檢測

39、(CD)。也就是說，在一個工作站發(fā)送過程中仍要不斷檢測是否出現(xiàn)碰撞。2.3嵌入式TCP/IP協(xié)議2.3.1 TCP/IP協(xié)議子集的構(gòu)成分析網(wǎng)絡協(xié)議通常分不同層次進行開發(fā)，每一層分別負責不同的通信功能。TCP/IP協(xié)議族是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合。TCP/IP協(xié)議通常被認為是一個四層協(xié)議系統(tǒng)9，如圖2-4所示。應用層運輸層網(wǎng)絡層鏈路層設備驅(qū)動程序及接口卡IP、ICMP和IGMPTCP和UDPHttp、FTP和E-mail等圖2-4 TCP/IP協(xié)議族的四個層次下面將詳細介紹每一層的功能及包含的協(xié)議：1、鏈路層有時也稱為數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡接口層，它的作用主要是為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。根據(jù)

40、物理層的不同，鏈路層有多種協(xié)議選擇，主要有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)及RS-232串行線路等。嵌入式設備在實現(xiàn)鏈路層協(xié)議時，應首先根據(jù)網(wǎng)絡所使用的硬件選擇不同的協(xié)議，由于本文采用的是以太網(wǎng)，所以就以以太網(wǎng)接入來加以詳細分析。以太網(wǎng)遵循IEEE802.3標準所規(guī)定的CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)協(xié)議，該協(xié)議使同一個局域網(wǎng)上的多臺計算機共享同一物理傳輸介質(zhì)成為可能16。嵌入式Internet要通過以太網(wǎng)接入就必須實現(xiàn)該協(xié)議的要求，另外，以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)的傳輸是采用網(wǎng)絡的MAC 地址來進行識別的，這就要求系統(tǒng)有實現(xiàn)IP地址到MAC地址的地址轉(zhuǎn)換功能，即ARP(地址解析

41、)協(xié)議。ARP協(xié)議可以細分為ARP請求協(xié)議和ARP響應協(xié)議兩種，系統(tǒng)要同其它計算機通信，就必須要實現(xiàn)ARP響應協(xié)議。ARP請求協(xié)議在本地建立了一個IP地址到MAC地址的映射，保證了對外通信的有的放矢。如果嵌入式系統(tǒng)的資源（CPU速度、RAM存儲容量）有限，可使用以太網(wǎng)廣播幀發(fā)送數(shù)據(jù)分組 ,這樣就可以不用實現(xiàn)ARP請求協(xié)議，同時也不需維護IP地址到MAC地址的映射對。這種通信方式雖然對網(wǎng)絡造成一定的壓力，但可以大大節(jié)約嵌入式系統(tǒng)的寶貴資源，用戶可根據(jù)實際情況考慮使用。RARP（逆地址解析）協(xié)議主要用于解決如何從MAC地址得到IP地址，主要用于無盤工作站中。嵌入式Internet中可以把IP地址存

42、儲于本地存儲器中，從而無需從其它服務器得到IP地址，這樣就無需實現(xiàn)RARP協(xié)議。2、網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層主要負責處理數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的協(xié)議封裝。在TCP/IP協(xié)議族中，網(wǎng)絡層協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議），ICMP協(xié)議（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議），以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）等。IP協(xié)議是TCP/IP族的核心協(xié)議，它使異構(gòu)網(wǎng)絡之間的通信成為可能。因此如果嵌入式Internet需要跨越不同的網(wǎng)絡進行通信就必須要實現(xiàn)IP協(xié)議。ICMP協(xié)議主要用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。我們通常使用的應用程序Ping就是采用ICMP協(xié)議來測試網(wǎng)絡的連通情況，這種測試對一個網(wǎng)絡設備來說是非

43、常重要的。ICMP中規(guī)定了多種協(xié)議類型和代碼，如果完全的實現(xiàn)也要耗費不少的系統(tǒng)資源，對于普通的嵌入式Internet的應用而言，在ICMP協(xié)議中能夠測試網(wǎng)絡的連通情況即可，因此只需實現(xiàn)ICMP中類型號為0、代碼為0的Ping應答協(xié)議即可。網(wǎng)絡層另外一個重要的協(xié)議是IGMP（Internet組管理）協(xié)議，它主要用于支持主機和路由器進行組播，IGMP能夠讓一個物理網(wǎng)絡上的所有系統(tǒng)知道主機當前所在的多播組，多播路由器需要這些信息以便知道多播數(shù)據(jù)報應該向哪些接口轉(zhuǎn)發(fā)。嵌入式Internet作為一種專用系統(tǒng)接入Internet的技術(shù)，很少需要也不必要采用組播的方式進行通信。因此在通常的嵌入式Intern

44、et的設計中可以不考慮實現(xiàn)IGMP協(xié)議。3、傳輸層傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸層有兩種不同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。TCP為兩臺主機提供面向連接的、可靠的、無重復的雙向數(shù)據(jù)流傳輸服務。TCP協(xié)議設計了嚴格的3次建立連接握手過程、4次關(guān)閉連接握手過程以及捎帶確認信息并進行滑動窗口流控的數(shù)據(jù)傳輸過程。這些過程的實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的耗費非常大，為了減少系統(tǒng)資源的消耗，我們采用了兩種方法，一種是系統(tǒng)不采用TCP協(xié)議來保證可靠傳輸，采用基于ICMP協(xié)議擴展的專用控制協(xié)議。另一種方法是TCP協(xié)議進行一定的簡化處理，TCP協(xié)議的簡化應該遵循兩個原則，

45、一是不能改變其面向連接的特性，二是其簡化必須能配合其應用層所采用的協(xié)議。完整的TCP協(xié)議可以配合應用層所采用的不同協(xié)議，我們的簡化方法是：針對特定的應用協(xié)議，制定特定的TCP簡化協(xié)議。應用層的協(xié)議有多種多樣，與TCP協(xié)議相關(guān)的主要有HTTP、Telnet、Rlogin、FTP和SMTP等，通常的嵌入式Internet只需要實現(xiàn)一種或兩種應用層協(xié)議，因此 ,我們就可以根據(jù)特定的應用層協(xié)議來設計專用的TCP協(xié)議，例如大多數(shù)的嵌入式Internet只需提供基于Web方式的訪問控制即可，TCP協(xié)議就可以只針對HTTP協(xié)議進行設計。UDP協(xié)議是用來提供不面向連接的，盡最大努力傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流傳輸服務，它只是

46、簡單地把數(shù)據(jù)報從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達另一端。任何必需的可靠性必須由應用層來提供。UDP的實現(xiàn)比較簡單，它在某些嵌入式Internet的應用場合可以很好地應用，例如在基于網(wǎng)絡的風速測量中，我們可以把采集到的風速值封裝為UDP報并且不斷地向遠端計算機發(fā)送，當系統(tǒng)實時性要求不高的情況下，可以采用這種簡單的方式來減少UDP不可靠性帶來的弊端。4、應用層應用層協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最大的一個子集，其種類非常繁多。最常用的有Telnet(遠程登錄協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡單郵件傳送協(xié)議)、SNMP(簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議)、HTTP(超文本傳輸協(xié)議)等。不同嵌

47、入式系統(tǒng)對嵌入式Internet所采用的應用層協(xié)議的要求都不同，例如系統(tǒng)如果要求采用E_mail來發(fā)送自己的信息，那么就需要針對SMTP協(xié)議來實現(xiàn)，如果系統(tǒng)要求可以通過瀏覽器的方式來訪問，那么系統(tǒng)就應該實現(xiàn)嵌入式WebServer的相應協(xié)議。另外，由于我們對鏈路層的協(xié)議也進行了子集劃分，因此應用層的協(xié)議也必須和鏈路層所實現(xiàn)的協(xié)議相配套。如果鏈路層只實現(xiàn)了UDP協(xié)議，沒有實現(xiàn)TCP協(xié)議，那么在應用層就無法實現(xiàn)與TCP有關(guān)的協(xié)議種類，例如HTTP、FTP、SMTP等。應用層的協(xié)議繽紛復雜，系統(tǒng)必須根據(jù)自己的需要和鏈路層的協(xié)議實現(xiàn)來選擇這些協(xié)議。2.3.2 嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的特殊性由于

48、嵌入式系統(tǒng)在硬件資源的占有量以及處理器的處理能力等方面的限制，使得TCP/IP協(xié)議的嵌入式實現(xiàn)與其在通用操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有了很大的不同。首先,由于嵌入式處理器的時鐘頻率低，地址、數(shù)據(jù)總線窄，導致嵌入式系統(tǒng)對一個通用IP包的處理要花費更多的處理機時間，從而影響其他任務的執(zhí)行。因此就需要對原本龐大復雜的TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪，使之具有簡單、高效的特點。同時在設計嵌入式TCP/IP協(xié)議棧時要合理的控制中斷處理程序的大小，使得中斷處理程序的運行時間盡可能的縮短；同時要把那些無實時性要求和費時的工作移到主程序中去執(zhí)行，從而保證協(xié)議的正確執(zhí)行。具體來說就是把TCP/IP協(xié)議的處理工作放到主程序中；對網(wǎng)

49、絡接口的控制芯片采用循環(huán)查詢的方式，在其他中斷任務的執(zhí)行間隙來處理TCP/IP協(xié)議，以犧牲系統(tǒng)的響應時間來換取系統(tǒng)的可靠性。再者由于嵌入式系統(tǒng)的存儲空間有限，一般情況下只能開辟幾K字節(jié)的緩存區(qū)來接收數(shù)據(jù)包，并且其存儲空間是固定的，而不是動態(tài)分配的。如此一來在遇到大數(shù)據(jù)包的時候就會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的錯誤。不過幸運的是在大多數(shù)情況下，嵌入式系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)包的類型僅為系統(tǒng)狀態(tài)配置包、控制動作命令包、通信控制包等，包容量較小；而那些實時數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁向網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)包就可能比較長，但卻可以通過設計格式來加以控制。綜合來說，單片機實現(xiàn)與UNIX實現(xiàn)TCP/IP有如下區(qū)別：1、操作系統(tǒng)不論是WINDOWS、UN

50、IX、LINUX，它們都有一個多任務操作系統(tǒng)，這使得代碼編寫簡單化。嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP是直接面對硬件，沒有一個多任務操系統(tǒng)平臺，MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷配合的方式，與高級操作系統(tǒng)中的多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同。對程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，單片機要考慮更多。 2、內(nèi)存分配UNIX操作系統(tǒng)的存儲管理策略能有效進行內(nèi)存管理與分配，TCP/IP在實現(xiàn)時可以不考慮內(nèi)存大小的問題，比如緩沖的處理上，MBUF、TCB等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個存儲鏈，這個鏈可以動態(tài)地增加和減小，根據(jù)需要隨時分配，隨時撤消。而在嵌入式統(tǒng)中存儲空間一般只有幾十KB。所以在設計時不但要考慮程序代碼本身大小，還要仔細考慮緩沖區(qū)的

51、設置。一個最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包有1500多個字節(jié)，而嵌入式系統(tǒng)只能提供幾十K字節(jié)的空間，并要被各個協(xié)議所用，所以只能開辟1536個字節(jié)的緩沖區(qū)來存放接收到的數(shù)據(jù)，收到一包就處理一包，其存儲地址是固定的，而不是動態(tài)分配的。 3、參數(shù)傳遞在UNIX實現(xiàn)的TCP/IP源代碼中，一般有很多的參數(shù)傳遞，而在單片機里允許傳遞的參數(shù)是有限的（因為受到內(nèi)部RAM的限制），同時參數(shù)傳遞的過程要浪費程序代碼空間，也降低單片機執(zhí)行速度。所以在單片機的實現(xiàn)里，一般不要做太多的參數(shù)傳遞，而多使用公共的全局變量來實現(xiàn)調(diào)用的過程。4、硬件接口在UNIX里，對網(wǎng)卡驅(qū)動無一例外都是采用中斷方式。而在單片機的應用中，大部分的方案都

52、是查詢式的。因為電腦的處理速度快，一次中斷的處理時間也很短，不會影響系統(tǒng)內(nèi)的其它中斷。但在單片機里就不行了，處理一次中斷，收取一個數(shù)據(jù)包一般要幾毫秒的時間，這將封鎖其它中斷的產(chǎn)生。另外電腦往往采用即插即用方式來驅(qū)動網(wǎng)卡，從而有良好的兼容性。在單片機中，為了節(jié)省代碼和I/O接口資源，網(wǎng)絡接口控制芯片一般使用跳線方式，數(shù)據(jù)總線也采用8位DMA方式。2.3.3 嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方案根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧的特殊性，對目前安裝在桌面系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議棧進行簡化，即去掉在嵌入式系統(tǒng)中不需要的部分，并在具體實現(xiàn)時進行合理的簡化，降低對程序和數(shù)據(jù)存儲器容量以及運行速度的要求，這樣

53、才能使大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)接入Internet成為可能。可以從下面兩個方面來實現(xiàn)協(xié)議的簡化： 1、協(xié)議的選擇對各種不同的可用協(xié)議和應用進行仔細評估，以決定哪些需要、哪些可以省略。通過選擇合適的協(xié)議，可以大大降低對MCU硬件資源的需求，而不會對系統(tǒng)的功能造成影響。例如，如果對可靠性的要求不太高，可以只選擇使用UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，避免采用TCP協(xié)議那樣的復雜程序，也就不必承擔TCP協(xié)議所帶來的時間和空間上的沉重負擔，可以選擇數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器更小的MCU芯片。如果對可靠性有一定的要求，還可以通過在應用層增加提高UDP可靠性的代碼，來更正UDP的“不可靠”。 2、協(xié)議實現(xiàn)的簡化對于已選擇使用的

54、協(xié)議，在實現(xiàn)時也可以進行簡化，去掉在應用系統(tǒng)中不需要的選項，保留協(xié)議中必須具備的部分。要求嵌入式聯(lián)網(wǎng)設備越小、越經(jīng)濟，則將協(xié)議精簡到只保留基本部分的任務就越艱巨。例如，可以考慮完全放棄對拆分功能的支持，因為實現(xiàn)拆分和重組將浪費MCU寶貴的程序空間和執(zhí)行時間，而訪問該嵌入式網(wǎng)絡設備的應用程序完全可以將數(shù)據(jù)包限制在1500字節(jié)以下。在TCP/IP協(xié)議中，大多數(shù)協(xié)議都可以進行一定程度的簡化。嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)又有硬件固化和軟件固化兩種方式8。1、硬件固化硬件固化是指TCP/IP協(xié)議棧用硬件的方式實現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)直接與TCP/IP協(xié)議棧硬件芯片連接，由它實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而使之與互聯(lián)網(wǎng)相連接

55、。這種方式無疑增加了硬件成本，對一些功能單一的嵌入式設備來說，連接一個完整的TCP/IP協(xié)議棧，是一個極大的浪費，而且所增加的成本費用也是難以接受的。比較有代表性的產(chǎn)品是W3100A，它是WIZnet公司專門為以太網(wǎng)互聯(lián)和嵌入式設備推出的硬件TCPIP協(xié)議棧芯片，其硬件TCPIP協(xié)議棧包含了TCP、UDP、IP、ARP和ICMP協(xié)議。W3100A具有傳輸速度快、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。2、軟件固化采用這種方式實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議具有更大的優(yōu)勢。用軟件設計的TCP/IP協(xié)議棧，是一次投入多次使用，而且比較靈活，可以根據(jù)應用的需求對協(xié)議進行精簡，在大批量生產(chǎn)時，具有成本低的優(yōu)點。但這種方案開發(fā)周

56、期比較長，對開發(fā)人員的要求高，要求對操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議都要有一定程度的熟悉。比較有代表性的產(chǎn)品有Treck TCP/IP棧。Treck Incorporated公司專門為嵌入式系統(tǒng)設計和開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議軟件。該協(xié)議棧在有或沒有操作系統(tǒng)的情況下都可使用，具有零復制發(fā)送與接收特性，可提供最大的吞吐率。而且Treck的TCP/IP協(xié)議棧設計完全兼容RFC，具備互操作性。中國石油大學（華東）碩士論文 第3章 系統(tǒng)總體設計及硬件平臺第3章 系統(tǒng)總體設計及硬件平臺3.1系統(tǒng)總體設計方案3.1.1 總體方案的設計原則目前，石油化工行業(yè)中的測控現(xiàn)場大量存在的是以8/16位MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點是成本低，系統(tǒng)硬件資源緊張，所以設計方案中必須考慮成本因素。嵌入式設備接入以太網(wǎng)時要考慮各種不同的情況，有可能將基于不同種類的微控制器的設備一起或獨立接入以太網(wǎng)，在設計時，要將以太網(wǎng)接入部分和測控部