嵌入式Internet互联网技术应用分析

2011-12-30陈雅茹

中国新技术新产品 2011年4期

陈雅茹

（黑龙江司法警官职业学院，黑龙江哈尔滨 150000）

在Internet的日益普及，信息共享程度的不断提高的今天，人们的工作和生活方式已经有了革命性的改变。虽然人们感受到生活正在悄悄改变，但并不是所有人都知道这与嵌入式系统技术的广泛应用有关。从传统工业领域，到汽车、通信、网络、数字医疗和消费电子等新兴领域，嵌入式系统与软件的应用浪潮席卷了整个电子产业。

1 嵌入式Internet的技术原理

嵌入式Internet技术，也就是将嵌入式系统与Internet结合起来实现系统网络化，涉及的两个关键问题即传送信息的媒质和采用的协议。

1.1 与Internet相联接的途径可以是以太网或者电话线等媒介。而在大多数工作场地都配有以太网，电子装置通过集线器（HUB）可以随时插接。在家庭中，也有电力线和电话线等载体可以利用。如果是与局域网连接，只需要为该装置设置硬的或软的IP地址就可。如果是利用电话线路，可以使用电话用户的ID。现在实现嵌入式电子装置的访问连通，几乎不成问题。所以嵌入式Internet技术的关键问题在于如何在MCU中实现Internet上被广泛使用的TCP/IP通信协议。但是TCP/IP通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，普通单片机无法达到其要求。

1.2 根据各种MCU自身的特性，实现TCP/IP协议的方法可分以下几种。首先，高档MCU芯片。采用ARM内核的系列处理器或者386EX等高档MCU，其运算速度快，性能高，在芯片上可以运行实时操作系统(RTOS)，同时也可以嵌入完整的TCP/IP协议。其次，32位MCU芯片。32位机也有足够的资源和能力运行TCP/IP协议和一些嵌入式操作系统。所以原则上讲，实现思路和高档机一样。第三，8/16位MCU芯片。由于8位和16位MCU的处理能力和存储问题，要实现TCP/IP协议是比较困难的。因此要根据其特点，对TCP/IP协议进行简化，保留其最基本的东西。同时，上层协议可不用或者简单实现。即将原来的TCP/IP协议转变成嵌入式TCP/IP协议，我们随后会具体介绍。

1.3 由TCP/IP协议在MCU中的实现方法和嵌入式系统的要求，一般实现嵌入式Internet的方案有以下几种。首先，把标准网络协议（TCP/IP）一直扩展到嵌入式设备当中，由嵌入式系统自身实现联网功能，每个设备都可与Internet相连。这是解决问题的最佳方案及未来电器、设备的发展方向。其次，通过专用的WEB服务器实现。在现有的嵌入式系统中大量使用的是8位和16位MCU，并不要求每个设备都直接连到Internet上，用户可以通过Internet接近设备，然后再用轻量级网络扩展到多个设备上。如电力线、RS-485、RS-232、I2C等。专用WEB服务器可作为子网设备路由器来转换和实现嵌入式系统与外部网的通信。emWare公司专门为嵌入式微控制器设备设计的网络服务器。

2 嵌入式Internet技术的实现方法

2.1PC机网关方案。嵌入式Internet的实现方案产生于20世纪90年代中期。人们采用PC机+网卡+采集插卡组成以太网网关，进行协议转换，将由现场总线连接现场设备组成的分布式系统接入以太网，将管理PC机放在以太网内，组成一个较大的自控系统。这种组成方式成本很高，只适用于大的自控系统。东北大学CNCI研究所提出的ONDC模型（Open Network Device Connectivity）正是这种形式的典型代表。

2.2 嵌入式系统网关。在20世纪90年代后期，人们采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网网关以实现嵌入式Internet技术。这一阶段的嵌入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的PC机。例如，PC-104结构的单板机实际上就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的PC-486DX计算机，有电子硬盘及各种I/O插口，可装入Windows CE和其他PC机应用软件。所以，实际上它是第一种网关的简化和微型化。它的成本比第一种有所下降，但价格还是较高。

2.3 单片机系统实现的方案。2000年以来，人们利用单片机加上以太网接口芯片组成了嵌入式Internet网关。这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展。它以单片机取代PC机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使整体系统的价格下降到几百元。这就使现场设备能以低廉的费用，以简捷的方式接入以太网，使网络家电变为现实，使以太网分布式控制系统能得到迅速的发展。这种方案中的微处理器所含盖的范围很广，有具备较强的计算处理能力的32位处理器，也有8位或16位的微控制器。通过设计合理的最小系统，能够提供实现Internet网络协议栈所需的资源和性能；在嵌入式操作系统（RTOS）平台上进行软件开发，可以完成TCP/IP协议处理以及其他更多更复杂的功能，实现TCP/IP over PPP（Point-to-Point）或者 TCP/IP over Ethernet的方案、设计应用编程接口为高层协议软件提供访问Internet进行通信的函数并不困难。随着微处理器价格急剧下降，利用RTOS开发嵌入式应用系统已经逐渐成为趋势。根据系统性能的要求，选择合理的微处理器及其开发套件，选取适当的RTOS软件包，可以提高系统开发效率，最终达到系统目标。但是购买优秀的商用RTOS完整软件包需要支付昂贵的版权许可，而且系统的扩展性和灵活行受到限制。现在Linux作为开放源代码的多任务操作系统加到嵌入式系统的开发应用中，但是技术尚未完全成熟，因此在开发嵌入式Internet技术时有诸多要素必须权衡。

2.4 SoC技术实现方案。随着SoC芯片化技术的不断提高，出现了大量相对于模块化、芯片化的协议转换产品，片上系统（System on Chip）的解决方案在具有模块化协议转换产品的优点之外，还能提供更小的体积，更低廉的价格，更好的连接界面，更稳定的产品特性，更好的易用性，是目前协议转换需求解决方案的发展趋势。相对应的产品有Rabbit公司的 Rabbit2000，UbiCom 公司的 IP2022，iReady公司的S7600等。SoC技术利用RISC体系结构技术，在硅片级完全采用硬件逻辑实现TCP/IP协议栈，提供以太网（Ethernet）或串行链路（PPP）介质支持；支持实时操作系统，实现 TCP、UDP、ARP、RARP、ICMP 等网络基础协议，同时提供的Internet高层协议软件，如 HTTP、FTP、SMTP 等的支持。Internet控制器芯片的处理速度非常快，可高达每秒1亿条指令，支持实时多任务操作，能够实现8位嵌入式系统完全接入Internet。此方案具有开发时间短，系统成本低的优点。因此对于开发小型、廉价的信息中间产品是比较好的选择。