嵌入式实时网络通信技术分析

魏瑞兴

摘 要 近几年来，嵌入式系统具备体积小、可靠性强、专用性等优势逐步得以采用。但随着独立的嵌入式系统的功能缺点日趋明显，新一代嵌入计算体系的功能集成和应用模式使之转向网络化嵌入计算的目的发展，嵌入实时网络通信是嵌入计算技术研讨的重点和难点。本文主要简介嵌入式系统和嵌入式实时网路通信的特点以及发展趋势，提供相关参考。

【关键词】嵌入式系统 网络 实时 发展

1 嵌入式体系和其特色

1.1 嵌入式体系

嵌入式体系是“节制、监督或帮助装配、机器和设备运行的设置装备摆设；嵌入式体系综合了软件和硬件，同时包涵机械等隶属装配。目前国普遍认可的定义是：应用作为重点、计算机技术为根本、可裁剪软件硬件、符合应用系统对功效、可靠性、本金、体积、功耗严厉规范的专用计算机系统。

1.2 嵌入式系统的特点

按照嵌入式系统的相关解释，其具备3个基本特征，“嵌入性”、“专用性”和 “计算机”。

（1）嵌入性。嵌入性经由过程操作初期微型机时代的嵌入式计算机而来，专指计算机嵌入到对象体系中，实现对工具系统的智能把控。当嵌入式体系逐渐能够自身应变时，嵌入性是指内部嵌有微处理器或计算机。

（2）计算机。计算机是工具系统智能化节制的根本确保。由于单片机向MCU、SoC成长发展，片内计算机外围电路、接口电路、节制单位逐步增加，“专用计算机系统”转变为“内含微处理器”的当代电子体系。与传统的电子体系进行对比，当代电子系统因为自身具有内含微处理器，能具备对工具系统的计算机智能化控制能力。

（3）专用性。专用性是指符合对象节制标准和有关情况下的软硬件裁剪性。嵌入式体系的软、硬件装备安排必须按照嵌入对象的相关标准尺度，计划成专一的嵌入式应用系统。

2 嵌入式实时网络通信技术

2.1 简介嵌入式实时操作系统

遇到外界事件或数据发生，可以接管同时以足够快的速度进行相关处置，处置结果又在计划的时间之内来节制生产过程或对处理系统作出快速回应，并确保全部及时任务协调一致运行的嵌入式操作体系。

2.2 嵌入式实时网络

2.2.1 嵌入式网络的要求

嵌入式网络通常应用在恶劣多变情况下，因而对其具备以下要求：

（1）及时性：出产装备内部多个分布式子系统信息耦合大体上比较缜密，对及时性提出了高标准，因此所用的网络协议必须具有肯定的实时性能，即最坏情况下的反映时间是肯定的；此外在网络节点数比较多，或者有些节点对及时反应提有高要求，相关的网络协议还应撑持优先级调剂，以增强时间紧急型任务的信息传输可确定性。

（2）可靠性：嵌入式网络自身的可靠性对有用功率造成直接影响还有成品率和生产效率，网络能够动态增添/删除节点；恶劣多变的电磁情况下嵌入式收集本身要具有抗干扰本事、检错和纠错能力和快速恢复的本领。

（3） 通信效力：嵌入式搜集通讯的子系统间具有频繁的通讯，每次的长度很短，因而要求嵌入式收集协议采纳短帧结构，且帧头和帧尾要短，从而提升通信效率和带宽的利用效力。

（4）双重混合撑持：工作环境的差异要求嵌入式网络应具备灵活矫捷的介质访问协议，不但撑持多种介质（双绞线、同轴电缆、光缆），而且撑持夹杂拓扑结构（星型、环型、总线型），有时大概要求同一个嵌入式网络能同时利用多种介质和多种网络拓扑。

（5）实现难度和造价：嵌入式体系一般要按照实际请求举行专门规划和制造，其中的网络体系软硬件要便于运用实施，并和子系统控制部分集成，相关元器件商品化水平高，造价较低。

（6）开放性：嵌入式网络必须具备杰出的开放性，一方面经由过程企业Infranet连接到Intranet中，对企业生产管理的控制实现一体化；另外应具有公然透明的开辟界面，资料完备，系统硬件、软件的能够自立开辟和集成。 此外，嵌入式网络体系必需设置装备摆设矫捷、保护简洁。

一般来讲，根据覆盖范围的区别，嵌入式收集隶属于局域网。按照ISO/OSI的观点，TCP/IP协议簇位于网络层以上。TCP/IP协议簇明显越过了嵌入式网络系统的限定范围。嵌入式收集含有ISO/OSI七层模型中的物理层和数据链路层。数据链路层可详细划分为两个子层：介质访问节制子层（MAC子层）和逻辑链路节制子层（LLC子层）。MAC子层涵有物理层接口硬件和能够对介质访问协议进行通讯的控制器；LLC子层主要是通过软件实现（用户自主开发）。因此，如何选择合适的介质访问协议是嵌入式系统设计中网络通信的研究工作重点。

2.2.2 介质访问协议的选择

CSMA/CA（带冲突避免的载波监听多路访问）CSMA/CD即便在节点数目不多、传输信息量较少时情况下也具备好的效率；因为令牌的相关协议具备较高的及时性和吞吐能力。人们已研发出一种能综合以上两者优势的夹杂协议—CSMA/CA。CSMA/CA的本质是经由过程竞争时间片来节制冲突。其基本原理与CSMA/CD类似，节点必需等到检测到网络呈现出空闲状态，才可以发出信息；如果两个或更多的节点发生辩论，就在收集上开启一个阻塞信号关照全部辩论节点，并同步节点时钟，开启竞争时间片；每一个竞争时候片都遵循给定的特定节点，每个节点在其相对应的时候片内如果显现信息发送便可启动传输；别的节点检测到信息传输后，停止对时间片的推动，等到传输结束全部节点从头重新开启推动时间片；当全部时间片都失掉作用时，网络处在余暇状况。为确保公平性和可确定性，每次传输以后，时间片要进行相关的循环模拟。另外，优先时候片（the priority slots）优先于普通时候片的推动，可以撑持高优先级信息的全局优先传输。CSMA/CA 协议在可主要划分为两种：一是RCSMA（Reservation CSMA），其特色为时间片数和节点数相同。RCSMA在各种传输条件下都可以有效进行工作，明显看出其不适合应用在节点较多的网络；在另一种是，时间片数比节点数少，且依据冲突最少的原则随机调整时间片的分配，依据所预测的网络流量动态地对时间片数进行调整；如Echelon公司推出的普遍利用于智能大厦领域的 Lonwork标准。

另外比如外令牌环、令牌总线也符合于嵌入式网络。但因为令牌环的细致实施复杂、成本较高，首要采取 CSMA/CA。

参考文献

[1]蒲舰舸.基于现场总线的实时网络通信研究与应用[D].电子科技大学，2005.

作者单位

山西省邮电建设工程有限公司 山西省太原市 030012