嵌入式系统网络接入的设计思路分析

摘 要：目前，嵌入式系统的设计方案，并无统一标准，并且在嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、控制器等方面有众多选择。本文从网络接入的角度，在接口及驱动设计、通讯协议、网络平台设计等方面展开论述，分析嵌入式系统的设计思路，以期更加有效的设计、开发相应嵌入式系统。

关键词：嵌入式；网络接入；思路分析；总结

一、嵌入式系统的概念及其网络接入的意义

嵌入式系统本身是外延极广的名词，凡是结合在一起的具有嵌入式特点的应用或控制系统都可以叫嵌入式系统。本文讲的嵌入式系统，是以计算机技术作为支持，在此基础上进行相关应用，同时在嵌入式系统的功能、性能、体积、功耗等方面具有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统在功能组成上，通常包括嵌入式处理器、存储器、输入输出设备和相应软件系统。与非嵌入式系统相比，嵌入式系统的硬件结构更为精简且针对性强，这也是嵌入式系统和其它系统的最大区别。

随着信息技术的高速发展，嵌入式系统的应用领域逐步扩宽，特别是和网络技术的融合，通过网络接入实现数据传输、信息通讯，为信息系统的发展带来新的活力。嵌入式系统目前主要应用于信息家电、智能家居、航天工程、环境工程、医疗卫生等行业领域，同时在物联网中扮演重要角色。嵌入式系统的发展意义，以其专用性、高效性、节能性等特点来说，将渗入到人们生活的更多方面，更多领域当中，发挥更加重要的作用。

二、嵌入式系统网络接入的设计思路分析

（一）接口及驱动设计思路分析

为了适应网络发展的要求，在硬件上要求配备所需网络通信接口，以及相应驱动程序。嵌入式系涉及接口多，不同处理器具有不同接口功能，外围器件和接口更是繁多。目前具有嵌入式功能特点的处理器成百上千种，它与普通非嵌入式系统处理器的主要原理相似。较为流行的如ARM架构微处理器，支持ARM指令集和Thumb指令集两种指令集，寻址方式灵活，效率高，广泛应用于嵌入式系统。或者DSP芯片，能够提供特殊DSP指令，快速实现多种数字信号处理算法，在各种仪器上大规模适用。

涉及嵌入式系统网络接入的接口，主要有串行、并行、SPI、IIC、以太网、蓝牙接口等。目前常用的以太网接口，通常采用带有以太网接口的处理器，或者嵌入式处理器加网卡芯片的组合方式来具体实现。因此，在接口及驱动设计中，要把握好每种接口的基本概念、基本工作原理，以及了解嵌入式系统实现网络中数据传输的具体要求。例如以ARM嵌入式处理器做为硬件核心，利用其丰富的用户接口功能和自带相应驱动软件，采用API函数接口做为接口及驱动设计支持，在媒体数据传输上具有优势，适用于视频图像的嵌入式系统。

（二）通讯协议设计思路分析

通讯协议是为了实现不同操作系统、硬件设备之间互联，进行数据传输的一种约定或者定义。主要包括数据格式、同步方式、传输控制、纠错方式等方面，进行统一规定。TCP/IP协议栈独立于厂家硬件，在全世界范围内已经成为开放系统互联的协议，它提供了很好的交互操作能力，因而在嵌入式系统当中，做为通讯协议的首选。嵌入式系统的设计与开发在功能性、时效性、数据的可靠性和流量控制上均有着严格要求，并区别于其它计算机系统。

开发适合嵌入式系统的TCP/IP协议栈，在设计思路上以实现的功能和协议精简为准则，在原来TCP/IP协议栈的基础上进行修剪更新，或者套用开源TCP/IP协议栈。例如瑞典计算机科学学院Adam Dunkels开发的轻型开源TCP/IP协议栈，能够实现多网络接口下IP转发，同时支持ICMP、PPP、IP fragment。采用tcpip_input（）函数来处理，流程延迟接收造成的频繁丢包问题。传输层则采用扩展性UDP与快速恢复和转发的TCP，此基础只需要10KB左右RAM，40KB左右ROM就可以运行，因此非常适合嵌入式系统使用。

（三）网络平台设计思路分析

由于嵌入式系统在众多领域的广泛应用，在终端设计方面的要求也越来越高。特别是网络平台设计，需要考虑众多因素，如嵌入式处理器、接口及驱动、通讯协议、操作系统、应用程序等。嵌入式网络平台通常基于嵌入式WindowsCE操作系统、嵌入式Linux系统、μC/OS-II实时操作系统、VxWorks实时操作系统，或者自主及二次开发的适合嵌入式环境的操作系统，同时采用加上嵌入式网络控制器，及相应支持软件组成。

在嵌入式网络平台具体设计思路中，可分别考虑硬件与软件设计，根据基本硬件结构及操作系统进行网络环境下的分析。主要考虑：接口及接口驱动、通讯协议、网络控制器的I/O功能、软件开发平台的建立、人机图形界面的设计等方面。例如：采用ARM芯片并在此基础上实现精简TCP/IP协议栈，以Web Server为网络技术核心，能够实现远程浏览器的动态交互，利用Web浏览器进行访问或控制。

三、嵌入式系统网络接入的思路总结

嵌入式系统的具有非常广阔的应用前景，目前在信息家电、智能家居、航天工程、环境工程、医疗卫生等方面，得到有效应用，并展现出强大的活力。随着网络化、信息化的要求，嵌入式系统网络互联成为必然趋势。为了适应网络发展的要求，嵌入式系统将更加注重网络化应用，具体方面远不止本文所列举。此外，在接口及驱动、通讯协议、网络平台等方面的设计并非独立，应从体系结构与功能把握，作为嵌入式系统网络接入的设计思路考虑。

参考文献：

[1] 周莹，张伟，崔三俊.嵌入式系统网络通信軟件设计[J].微计算机信息，2010.

[2] 龚永明.基于LPC2210微处理器嵌入式网络通信系统终端设计与实现[J].计算机测量与控制，2014.

[3] 王旭，王中杰.基于TCP/IP协议栈的嵌入式网络控制系统设计[J].系统仿真技术，2011.

[4] 孙玉芳，梁彬等译，[美]waynewolf著.嵌入式计算系统设计原理[M].机械工业出版社，2004.

作者简介：

兰皓（1986-），男，畲族，江西赣州人，本科，网络工程师、助理讲师，研究方向：现代教育技术、网络技术。