（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网的嵌入式控制器的设计与实现研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 工业控制技术经历了传统的基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟 仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统( d c s ) 到了现在热门的现 场总线控制系统( f c s ) ，又有了新的发展方向工业以太网。这是因为以太网发 展至今已经具有了应用于工业控制的可行性，同时以太网还具有诸如真正完全开 放、成本低廉、通讯速率高、容易与办公自动化网络无缝连接等优点。 我国经济近年来进入了工业化中期的快速发展阶段，重工业以及与之形成密 切前向后向联系的产业和高科技产业将会有高速的发展，由此可预见先进的工业 控制技术在我国将会有强劲的需求。相对于我国在现场总线技术上的落后现状， 工业以太网是近年来的研究热点，我们不应该在这个领域再次落后。 在这样的背景下，本文探讨了一个基于以太网的嵌入式控制器的设计与实现。 首先，论文介绍了现场总线的现状和以太网的发展现状；主要介绍了以太网 应用于工业控制的可行性和以太网相对于现场总线的优势；对国内外工业以太网 标准的制订情况做了概述。 其次，论文介绍了与课题相关的一些基础知识，包括：嵌入式系统和嵌入式 软件、以太网和t c p i p 协议族。在介绍t c p i p 协议族的时候，针对嵌入式系统 的特点，我们有选择的介绍了课题中应用到的相关协议并探讨了对这些协议该做 如何的简化以使之适合嵌入式系统。 在随后的两个章节中，我们分别介绍了这个嵌入式控制器的硬件实现与软件 实现，给出了部分电路原理和协议软件的测试结果。 然后，对于嵌入式控制器的设计过程中遇到的一些问题做了分析并给出了解 决方案。 最后，论文对本课题进行了总结讨论，说明了作者在哪些方面工作的不足， 指出了后续工作中应努力提高和改善的地方。 关键词：以太网，t c p i p ，嵌入式系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n tg o e st h r o u g hp n e u m a t i c a l l yo p e r a t e d f i e l d m o u n t e di n s t r u m e n tc o n t r o l s y s t e m ，a n a l o gp a c k a g e d e l e c l x o n i ci n s t r u m e n t c o n t r o ls y s t e m ，d i g i t a lc o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mt h e n c o m e st of i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m n o wi n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g yt r e n d st ot a k e t h ea d v a n t a g eo fe t h e m e t , c a u s ee t h e m e t sr a p i d l yd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r sd o e s m a k ei tf e a s i b l ef o r u s i n gi ni n d u s t r yc o n t r o la r e a f u r t h e r m o r e ，c o m p a r e dt of i e l d - b u s ， e t h e m e ti sm o r eo p e n ，h i g h e l c o m m u n i c a t es p e e d ，c h e a p e ra n de a s i e rt oc o m b i n e dt o t h eo 师c ea u t o m a t i o nn e t w o r k i nt h er l e a rf u t u r e ，c h i n aw i l lw i t n e s sar a p i d l yd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n t h a ti nt h es t a g eo f m i d d l e p e r i o d h e a v yi n d u s t r ya n d t h o s ei n o s c u l a t et oi ti nf o r w a r d o rb a c k w a r d ，a n dh i g h t e c hi n d u s t r yw i l lb l o o mo u t ，s o ，a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g y m u s ti ng r e a tn e e ds u r e l y c o m p a r ew i t ht h ew e l ld e v e l o p e df i e l d b u s ，e t h e m e tf o r i n d u s t r yi sj u s tab a b y , w e h a v el o s tm a n yo nt h ef o r m e r , w ec o u l d n tl o s em o r eo nt h e l a t e r u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e s i g n i n ga n dc a r r y i n go u to fa n e m b e d d e dc o n t r o l l e rt l l a tb a s eo ne t h e m e t f i r s t l y , w ei n t r o d u c ea c t u a l i t yo f f i e l d - b u s sa n de t h e m e t s ，m a i n l yc o n c e n t r a t eo n t h ef e a s i b l eo f u s i n ge t h e m e ti ni n d u s t r ya n da d v a n t a g e so fe t h e m e tt of i e l d b u s w e a l s ot e l ls o m e t h i n ga b o u tf o u n d i n gc r i t e r i o no f e t h e m e tf o r i n d u s t r y i nt h ew o r l d t h e n ，w ei n t r o d u c es o m e b a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt ot h ew o r k ，m e ya r e ：e m b e d d e d s y s t e ma n de m b e d d e ds o f t w a r e ，e t h e m e ta n dt c p i p w h i l ei n t r o d u c i n gt h et c p i p p r o t o c o lf a m i l y , w es e l e c t i v e l yp r e s e n ts o m ep r o t o c o l su s e di nt h et a s k ，a n dd i s c u s s w h a ts h o u l db ec u tt of i tt h ee m b e d d e d s y s t e m i nt h el a s tt w oc h a p t e r s ，w en a r r a t et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n d s o t h w a r e ，s o m ed i a g r a ma n ds o f tt e s ta r ep r e s e n t e d t h e n ，w ed i s c u s ss o m ep r o b l e m sd u r i n gd e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e ra n dg i v et h e s o l u t i o n f i n a l l y , w es u m m a r i z et h ep a p e r , p o i n to u tt h ed e f i c i e n ta n dw h a ts h o u l db e i m p r o v e d i nt h ef o l l o w i n gw o r k k e y w o r d s ：e t h e m e t ，t c p i p ，e m b e d d e ds y s t e m l i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景1 , 3 , 4 , 8 , 1 0 j 1 1 1 以太网和现场总线的发展现状 近年来，随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖 了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控制 层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的 企业信息化系统。 2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现场总线技术，因为实现了全数字通讯 而大大提高了抗干扰能力和鲁棒性、采用了多种分支结构、现场设备状态可控、 互可操作性、采用全分散式控制以及具备了开放性特点而一度成为自动化领域研 究的重点，现场总线控制系统( v c s ) 大有取代传统的d c s 和p l c 控制系统的 趋势。但是，伴随着现场总线技术诞生是各大利益集团为了抢夺市场经济利益的 标准之争，根据相关资料统计，已经出现的现场总线有一百多种，其中宣称为开 放型总线的就有4 0 多种。在经过激烈的斗争之后，国际电工委员会最终放弃了制 定单一现场总线国际标准的努力，于2 0 0 0 年初发布了包含8 种( 新版本中包含了 1 0 种) 现场总线的i e c 6 1 1 5 8 标准，并由此形成了多总线并存的局面，这种局面 实际上就是“有标准= 无标准! ”。同时，现场总线技术也存在自身的其他不足： 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成：协 议和实现技术复杂；传输速率低：成本高；不易实现与上层信息网络的无缝连接。 与此同时，传统上用于办公室和商业领域的以太网却悄悄地进入了控制领域。 近来以太网已经成为目前市场上最受欢迎的通信网络之一，它不仅垄断了办公自动 化领域的网络通信，而且在工业控制领域管理层和控制层等中上层网络通信中也得 到了广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势，并成为近年 来工业控制网络新的研究热点。 以太网采用了c s m a c d ( 带冲突检测的载波侦听多路访问控制协议) 作为介 质访问控制方式，它是一种非确定性或随机通讯方式。对于工业现场控制网络， 这种不确定性会导致控制性能下降，甚至可能导致灾难发生，因此历史上不采用 以太网作为现场总线。但是，随着r r 技术的发展以太网的发展取得了本质的飞 跃。首先：以太网的通讯速率从1 0 m 发展到1 0 0 m ，1 0 0 0 m 技术已经成熟1 0 g 以太 网也在研究之中。在数据吞吐量相同的情况下，这意味着网络负荷的减轻和时延 的减小，碰撞几率下降。其次：出现了交换式以太网，通过使用交换机将网络划 分为多个网段。交换机有数据存储、转发的功能，使各端口之间的数据帧的接收 重庆大学硕士学位论文 1绪论 发送得到缓冲，不会发生碰撞；同时交换机可以对数据进行包过滤，使网段内的 数据不发送到别的网段，降低了各个子网段和主干网的负荷。再次：采用全双工 通讯方式也减少了冲突。另外还可以采用信息优先级等来提高实时性。这些措旌 从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的问题。 更为重要的是，根据美国利诺公司的研究，e t h e m e t 未采用交换技术情况下与 2 5 m 的a r c n e t 总线f 一种曾被广泛用于工业控制网络的令牌总线，数据传输为2 5 m b p s ，数据帧长度最大为5 0 8 字节。) 比较，通信负荷在3 0 以下时，1 0 m 以太网的通 信响应实时性要好于a r c n e t 。而负荷在1 0 以下时，以太网几乎不发生碰撞，或者说， 因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计( 见图1 1 ) 。 另一方面，在工业控制网络中，传输的信息多为周期性测量和控制数据，报文小， 信息量少，信息流向也具有明显的方向性，即由变送器传向控制器；由控制器传向执 行机构，对网络传输的吞吐量要求不高，不像信息网络那样剧烈变化。在拥有6 0 0 0 个i o 的典型工业控制系统中，通信负荷为1 0 m 以太网的5 左右，即使有操作员 信息传输( 如设定值的改变，用户应用程序的下载等) ，1 0 m 以太网的负荷也完全可 以保持在1 0 以下。因此，通过采用适当的系统设计和流量控制技术，以太网完全 能用于工业控制网络。 图1 ia r c n e t 和e t h e m e t 的响应速度比较 f i g1 1c o m p a r i s o no f r e s p o n ds p e e do f a r c n e t a n de t l l e m e t 除解决了通讯不确定性问题外，现有以太网与现场总线相比具有以下特点：应 用广泛、成本低廉、通讯速率商、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、易于与 i n t e m e t 连接，实现办公自动化网络和工业控制网络的信息无缝集成。由于以太网 具有这样的优势，以太网也成为现场总线技术发展的新趋势。现在采用了以太网 2 重庆大学硕士学位论文i 绪论 作为组成部分的现场总线技术标准有：现场总线基金会f f 的h s e ( h i g hs p e e d e t h e m e t ) p r o f i b u s 国际f p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ，p 玎的p r o f i n e t 、c o n t r o l n e t 国际 ( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l c i ) 和开放设备网制造商协会( o p e n d e v i c e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n o d v a ) 的e t h e m e f f p ，m o d b u s 用户集团的m o d b u s t c p 等等。据 美国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o n r e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今后e t h e m e t 不 仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场池必将领导 未来现场总线的发展，e t h e r n e t 葺1 t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础协议。美 国v d c ( v e n t u r ed e v e l o p m e n tc r o p ) 调查报告也指出，e t h e m e t 在工业控制领域中的 应用将越来越广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2 0 0 0 年的1 1 增力玎至u 2 0 0 5 年 的2 3 。 1 1 2 国内外工业以太网标准的建立情况【z j 由于以太网应用于工业控制网络具有巨大的优势，国际上已经有组织在着手推 动以太网进入控制领域的工作，女f l i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 正在着手制订 现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。i a o n o ( i i 业自 动化开放网络联盟) 最近与o d v a 和i d a 集团就共同推进e t h e m e t 丰1 t c p i p 达成共 识。o d v a ( d e v i e e n e t 供应商协会) 亏：2 0 0 0 年3 月1 7 日发布了一个为在工厂基层使用 以太网服务的工业标准。f f ( 现场总线基金会) j ：2 0 0 0 年3 8 2 9 日公布了高速以太网 ( 1 0 0 m b s ) 的最终技术规范( f s l l o ) 。工业以太网协会与美国的a r c 、a d v i s o r yg r o u p 等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。 工业以太网标准的建立刚刚开始，获得普遍承认的国际性工业以太网的标准还 没有制订出来。我国近年来进入了高速工业化阶段，工业控制领域得了飞速的发 展，d c s 和各种现场总线技术纷纷进入国内的工厂。但是，由于现场总线技术大 多掌握在外国公司手里，使得我国为此支付了大量的资金，同时使自己处于不利 境地。因此，我国建立自己的工业以太网标准具有重大的社会和经济意义。 为了能够将以太网和无线等主流通信技术在工业控制系统中得到广泛应用，从 而推动现场总线技术的发展，加快我国工业企业的信息化改造，根据科技部和国 家8 6 3 专家组的要求，共同参与实旌2 0 0 1 年国家“8 6 3 ”计戈q c i m s 主题中的“基于高速 以太网技术的现场总线控制设备”、“基于无线局域网的现场总线设备研究与开发”、 “基于蓝牙技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研究”等三个课题将协作 建立基于以太网和无线技术的统一的网络通信平台，把这些课题的技术研究成果 进行有机集成，组成基于以太网和无线技术的网络化控制系统原型，并为未来新 型控制系统的研究打下良好基础。同时，全国工业过程测量与控制标准化技术委 员会t c l 2 4 以及中国机械联合会、国家标准化管理委员会批准的两个标准项目，“适 用于工业自动化系统与仪器仪表的以太网络通信标准和“工业自动化用无线现场 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 设备通信协议”，认为这两个标准化项目存在许多共同之处，经项目多次讨论与协 商，一致同意由浙江大学、中国科学院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、浙大 中控、清华大学、大连理工大学等单位共同组建标准化工作组，共同制定“用于工 业测量与控制系统的e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准”( 简 称“e p a 标准”) 。科技部已将该标准列为重要国家标准加以制订，明确要求该标准 作为国家标准尽快颁布实施，并提交i e ct c 6 5 ，争取成为国际标准，以实现我国 在自动控制领域国际标准零的实破。该国家标准“用于工业测量与控制系统的 e p a 系统结构和通信标准”( 草案) 已于2 0 0 2 年1 2 月由全国工业过程测量与控制标 准化技术委员会t c l 2 4 组织的专家评审，并得到了国内该领域著名专家的高度评 价。同时，重庆邮电学院与浙江大学、浙江浙大中控、中国科学院沈阳自动化所、 大连理工大学、清华大学等单位联合开发的“基于e p a 的分布式网络控制系统原理 样机”也于2 0 0 3 年8 月1 0 日通过了国家8 6 3 ，c d 订s 专家组组织的验收和重庆市科委、 浙江省科技厅、辽宁省科技厅组织的专家鉴定。 2 0 0 3 年5 月1 9 日，德国西门子公司和美国罗克韦尔公司联合向i e c i s c 6 5 c 提交 了新工作项目6 5 c 3 0 6 n p “测量和控制数字数据通信实时应用中基于 i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信网络行规( 以下简称r t e ) ”，该n p 属于6 5 c w g l ，其标准 范围为扩展i s o i e c 8 8 0 2 3 以太网的实时要求，定义网桥网络要求等。2 0 0 3 年7 月， 课题领导小组通过中国i e c 国家委员会向i e c s c 6 5 c 推荐两名e p a 专家组专家参加 6 5 c 3 0 6 n p 项目。2 0 0 3 年8 月2 8 日至8 月2 9 日，i e c s c 6 5 c w g l 工作组会议( r t e 第1 次会议) 在西班牙马德里召开，中国代表团的三名专家参加了本次会议。在本 次会议上，我国专家向工作组介绍了e p a 协议的结构框架，并联合了法国、加拿大、 日本、澳大利亚、意大利等国的专家们提出了扩大r t e 标准范围的请求( 旨在将 e p a 纳入到标准范围之内) ，经过艰苦努力，几经反复，最终使项目发起公司做出 了让步，从而使e p a 协议加入国际标准成为可能。会议还通过了r t e 的工作进度安 排：2 0 0 3 年1 2 月第2 次工作组会议( 法国) ：2 0 0 4 年5 月第3 次工作组会议( 中国) ； 2 0 0 4 年1 0 月形成c d 文件。 1 2 本课题的意义 尽管将以太网应用于底层工业控制网络具有美好的前景，但是f 乍为传统上的 面向商业应用的局域网络技术，以太网技术仍然受到各方面的质疑。以太网要想 成为底层工业控制网络标准仍然需要解决：通信实时性：总线供电：网络生存性 ( 可靠性、可恢复性、可维护性) 网络安全性：本质安全与安全防爆技术：远距 离传输；实时通信服务质量支持策略：满足通信一致性和互可操作性的应用层、 用户层协议规范等关键的问题。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 工业以太网的研究刚刚开始，我国虽然比起国外公司开始的较晚，但是国际 上还没有形成统一的工业以太网标准。经过努力，我国正在研制的e p a ( 工厂自动 化用工业以太网) 标准已经进入了i e c s c 6 5 c 的新工作项目6 5 c 3 0 6 n p ( “测量和 控制数字数据通信实时应用中基于i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信网络行规”) 标准范围之 内，有望成为国际标准。 因此，我们尝试建立小型的基于以太网的控制器，对以太网用于工业控制进 行有益的探索，期望能推动将以太网用于工业控制。 1 3 本文的结构 本文的结构安排如下： 第一章介绍了课题的背景：以太网进入工业控制网络的趋势和工业以太网标 准的现状，制订工业以太网标准和采用工业以太网对我国的重大意义。 第二章介绍了嵌入式系统的特点和以太网的一些基本概念以及t c p i p 协议。 针对嵌入式系统的特点，对在嵌入式系统上实现t c p i p 协议栈所应进行的缩减进 行了探讨。 第三章介绍了系统的硬件实现。 第四章介绍了系统的软件实现，按照t c p i p 协议的四层结构依次介绍各个协 议的实现并介绍了上位机的软件实现。 第五章介绍了调试中遇到的问题和解决的办法。 重庆大学硕士学位论文 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 2 1 嵌入式技术3 7 , 3 8 1 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由微电子芯片( 包 括微处理器、定时器、序列发生器、控制器、储存器、传感器等一系列微电子芯 片与器件) 和嵌入在r o m 、r a m 和f l a s h 储存器中的微型操作系统、控制与 应用软件开发来实现各种自动化处理任务的电子设备或装置组成。 嵌入式系统的主要作用是实时控制、监视、管理移动计算机数据处理等等， 或辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务。 嵌入式系统的特点是：面向特定应用，为特定用户设计；以半导体技术、控 制技术、计算机技术和通讯技术为基础；强调硬件软件的协同性和整合性，软件 与硬件必须高效率设计，以满足系统对功能、成本、体积和功耗的要求。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，一般而言它具备4 个特点：对实时和 多任务有很强的支持能力，能完成多任务并有较短的中断响应时间，从而使内部 的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；具有很强的储存区保护功能； 可扩展的处理器结构；低功耗。嵌入式处理器的应用十分广泛，产品很多，目前 全世界嵌入式处理器的品种已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有3 0 多个，它们 可以分为如下几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) e m p u 采用增强型通用微处理器。通常工作于比较恶劣的环境，因此在工作 温度、电磁兼容、可靠性方面要求较通用的标准微处理器高，具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高等特点，主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 、p o w e r p c 、6 8 0 0 、 m i p s 、a r m 系列等。 ( z ) 嵌入式微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。一般它以某种微处理 器内核为核心，根据典型应用，在芯片内集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、 看门狗、定时计数器、串行口、a 仍、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等必要的功 能部件和外设。使单片机最大限度的和应用需求相匹配，降低整个系统的成本- 常见的m c u 有8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、c 5 4 1 、6 8 3 0 0 、c 1 6 6 1 6 7 、8 x c 9 3 0 9 3 1 、 m c s 一9 6 19 6 2 9 6 等等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i l 西t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) e d s p 由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其特别适合数字信号 处理。在数字旅佯、f f t 、谱分析方面，d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 6 重庆大学硕士学位论文 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能过渡到采用嵌入式d s p 处理 器。它主要有两类：d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为e d s p ； 在通用单片机或者s o c 中增加d s p 协处理器。 ( 4 ) 嵌入式片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，可以在 一块硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内 核降作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 、v e r t o g 等硬件语言描述，存储在器件 库中。用户只需定义出整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工 厂制作。这样除了某些无法集成的器件外，整个嵌入式系统大部分可以集成到一 块或者几块芯片中，对于减少整个应用系统体积和功耗，提高可靠性非常有利。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统的重要组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动 接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。与通用操作系统相比，嵌入式操 作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性方 面有很突出的特点。一般情况下嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和非实时 操作系统，前者主要是面向控制、通信等领域的，后者主要是面向消费电子产品 的。 由于嵌入式系统具有这样的特点，在嵌入式系统上实现t c p i p 就必须小心的 选择和规划。本课题所用的m c u 是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，指 令执行速度最快可以达到2 5 m i p s ，而且还集成了f l a s h 、j t a g 接口、5 个定时 器、p c a 捕捉模块、s m b u s 、s p i 总线、两个u a r t 串口、8 个数字f o 口、2 个d a c 和a d c 转换器、电压比较器、温度传感器等等，中断源多达2 2 个，非 常适合作为控制器使用。但是要在上面实现复杂的t c p i p 还显得困难，必须对 t c p i p 协议进行适当的删减，去除不需要的功能，以确保控制器的正常工作和顺 利允许。 2 2 以太网简介7 , 2 7 , 2 8 , 2 9 , 4 7 , 5 2 以太网是一种基于总线的广播式网络，它符合i e e e 8 0 2 3 标准，是目前使用 最广泛的局域网技术。按照国际标准化组织开放系统互连参考模型( i s o o s i ) 的 7 层结构，以太网仅仅定义了数据链路层和物理层。以太网主要针对网上只传输 数据的特点，网上所有节点有相等的访问网络的机会，所以采用了c s m a c d 介 质访问机制。c s m a c d 的优势在于站点无需依靠中心控制就可以进行数据发送， 网络负荷低的时候，碰撞的几率小，负荷大的时候，容易冲突，通讯的延迟是不 重庆大学硕士学位论文2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 确定的。因此，历史上不采用以太网作为现场总线，但是通过提高以太网通讯速 率和采用交换技术，通讯延迟已经得到解决。 以太网的基本概念 ( 1 )以太网物理传输帧 p rs dd as at y p ed a t ap a df c sl l 5 6 f z8 位4 8 位4 8 位1 6 位不超过1 5 0 0 字节町选3 2 位l 图2 1 以太网物理传输帧格式 f i g 2 1e t h e m e t p a c k e tf o r m a t 1 p r 同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率( 1 0 m 和 1 0 0 m 的时钟频率不一样) ，是5 6 位的二进制数1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 2 s d 分隔位，表示下面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8 位的二进制 数1 0 1 0 1 0 1 1 ，跟同步位不同的是最后2 位是1 1 而不是1 0 。 3 d a 目的地址，以太网的地址为4 8 位( 6 个字节) 二进制地址，表明该帧传输给哪 个网卡，如果为f f f f f f f f f f f f 则是广播地址，广播地址的数据可以被任何 网卡接收到。 4 s a 源地址，4 8 位，表明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的物理地址，同 样是6 个字节。 5 t y p e 类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同的协议的类型字段不同。 如：0 8 0 0 h 表示数据为i p 包，0 8 0 6 h 表示数据为a r p 包，8 1 4 c h 是s n m p 包，8 1 3 7 h 为i p x s p x 包，( 小于0 6 0 0 h 的值是用于i e e e 8 0 2 的，表示数据 包的长度。) 6 d 蛆a 数据段，该段数据不能超过1 5 0 0 字节。因为以太网规定整个传输包的最大长 度不能超过1 5 1 4 字节。( 1 4 字节为d a ，s a ，t y p e ) 。 7 p a d 填充位，由于以太网帧传输的数据包最小不能小于6 0 字节，除去d a ，s a ， 重盎查兰堡主兰垡堡苎 ! 坠查塑堇查翌壁垒塞! ! ! 坐! 塑望 t y p e 的1 4 字节，还必须传输4 6 字节的数据，当数据段的数据不足4 6 字节 时，后面补0 。 8 f c s 3 2 位数据校验位，为3 2 位的c r c 校验。 ( 2 )c s k w c d 协议 c s m a c d 是以太网采用的介质访问控制协议，其基本原理描述如下：当一 个节点要发送数据时，它首先监听网络的信道状态。如果信道空闲，就开始发送； 如果信道正在使用，就持续监听，直到信道空闲时送出数据。在发送过程中如果 检测到冲突，将停止发送。每个节点有1 个计数器，用来记录连续冲突的次数。 节点根据连续冲突次数产生一个随机的等待时隙数进行等待。一般地，对策i 次 冲突，等待时隙数在2 i - - 1 中随机产生。1 0 次冲突后，等待时除数被固定在1 0 2 3 。 1 6 次冲突后，节点将丢弃数据并向上层报告发送失败。 ( 3 ) 共享型以太网( s h a r e de t h e r n e t ) 早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网( s h a r e d e t h e m e t ) ，节点间通讯采用广播方式，容易发生冲突。共享以太网用c s m a c d 技术来规避冲突，由于c s m a c d 技术本身的特点，导致以太网的时间响应具有 不确定性。 ( 4 ) 交换型以太网( s w i t c h e d e t h e m e t ) 最初的以太网采用共享式的总线拓扑结构，在任一时刻，只允许一个用户进 行数据发送，当用户多时，很容易引起冲突，交换以太网( s w i t c h e de t h e m e t ) 的 出现解决了这个问题。交换型以太网采用网络交换机把共享型网络进行网段划分， 改变冲突域，降低冲突发生几率。现在普遍采用的交换方式是存储一转发( s t o r e a n df o r w a r d ) 、直接转发( c u tt h r o u g h ) 、快速转发( f a s tf o r w a r d ) ，交换技术对应于 网络七层模型有第二层交换、第三层交换和第四层交换。以第二层交换技术为例 子，以太网交换机( s w i t c h ) 是数据链路层的多端口网桥，也可以说是智能分配 器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上 互相联系的节点，每一个节点单独与交换机建立物理连接。初始化的时候，交换机 接收到的数据帧被转发到交换机的每一个端口。当交换机建立了完整的转发数据 库后，它在发送端口和接收端口之间建立一个独占的全双工通道，仅仅把数据帧 转发到和数据帧的目的地址相对应的端口，这样，通讯双方可以使用以太网的全 部带宽并避免冲突。 第二层交换提供了在不给网络添加不必要的复杂性的前提下而增加带宽的能 力。通过在交换机端口的设置，可以限制使用交换机的主机硬件地址( m a c 地址) ， 以防止非授权用户对：【业网络设备的访问和减少不必要的网络流量，从而节省了 重庆大学硕士学位论文 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 带宽，保证工业网络的安全。 第三层交换是基于硬件的选路，交换机通过硬件执行数据包交换。因为该设 计用来高性能地处理局域网数据流量，第三层交换机可以放在网络中的任何地方 经济有效地取代传统路由器。第三层交换机可以通过标准访问控制列表来管理物 理设备，完成网络数据流量控制。第三层交换机在接口应用标准访问控制列表，允许 或限制特定的源i p 地址数据通过该接口，从而为网络提供安全性，对网络的数据流 量进行控制，也可以节省带宽。 第四层交换是指考虑了应用基于硬件的第三层选路。第四层交换不仅基于硬 件地址( m a c 地址) 或源目的i p 地址，同时也基于第四层参数( 如t c p 端口或u d p 端口) 来作出转发决定。第4 层交换机在接口应用扩展访问控制列表，允许或限制 特定的源目的i p 地址、协议类型和端口号的数据信息通过该接口，从而实施对网 络的控制策略。 2 3t c p i p 协议和嵌入式t c p i p 介绍2 5 , 4 4 , 4 6 , 4 7 , 4 9 】 2 _ 3 1t c p i p 协议 由于以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统， 它需要高层协议的支持。a p a r n e t 在制定了t c p i p 通信协议，并且把以太网作 为其数据链路层和物理层协议后，以太网和t c p i p 就紧密联系在一起了。而后， 由于国际互联网采用了以太网和t c p i p 协议并获得了迅速的发展，促使t c p i p 协议成了市场标准，人们把t c p i p 和以太网通称为以太网技术。 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o e o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 全称是传输控制协议 n 际协议，它是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发的网络体系 结构和协议标准。t c p i p 提供了面向数据报的虚电路服务，即保证数据的可靠传 输，具有差错控制( 检测任何数据丢失、错序或重复的信息) 、流控制( 发送方、 接收方同步处理数据) 、连接控制( 端到端的连接建立、终止和中断) 等功能。 它其实是一个完整的协议家族，包含了许多不同的协议。 t c p i p 参考模型与o s i 参考模型一样采用了分层结构，但是它更侧重于互联 设各间的数据传送，而不是严格的功能层次划分，两者的对比如图2 2 所示，对其 说明如下： ( 1 ) 链路层 链路层管理网络的连接并提供网络上的报文输入输出，它一般包括设备的驱 动程序和计算机对应的网络接口卡。 ( 2 ) 网络层 网络层处理报文的路由管理，根据接收报文的信息决定报文的去向。它包含 重庆大学硕士学位论文 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 了t c p i p 协议族里的口协议、i c m p 协议、i g m p 协议。 ( 3 ) 传输层 传输层的作用是管理源和目的之间的报文传输。这一层包含了两个协议，一 个是有连接的t c p 协议，一个是无连接的u d p 协议。 ( 4 ) 应用层 应用层包括一些服务，这些服务是和端用户相关的认证、数据处理、压缩等 等。它主要包括f t p 协议、s m t p 协议、s n m p 协议、t e l n e t 协议等等。 o s l 参考模型层描述o s i 层t c p f i p 层描述 县 应用层7 表示层6应用层 会话层 5 传输层 4传输层 网络层 网络层 3 数据链路层 2链路层 物理层l 图2 2 ：t c p i p 模型和o s i 模型比较 f i g 2 2c o m p a r i s o no f t c p i pm o d e la n do s im o d e l 2 3 2 嵌入式t c p i p 以下概括介绍t c p i p 协议族的一些协议，并根据课题的实际需要和嵌入式系 统的特点对它们进行取舍和删减。 ( 1 ) 口协议( 网际协议) i p 协议是t c p i p 的核心，它被用于管理客户端和服务器端之间的报文传送。所 有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数据都要经过i p 封装，以口数据报格式传递给链路 层。i p 提供的是不可靠的无连接传送服务，它不能保证p 数据报一定到达目的地， 任何可靠性都要靠上层比如t c p 来提供：i p 不维护任何关于后续数据报的状态信 息，i p 数据报可以不按发送顺序接收，对它们的处理是独立的。 i p 的最重要的功能是寻址和路由，如果源和目的在同一个共享网络上，i p 数据 报就直接送达目的主机，否则发送到一个默认的路由器上，连接源和目的地网络 重庆大学硕士学位论文 2 以太网技术和嵌入式t c p i p 协议 的路由器与交换机利用目的碑地址来决定经过网络的最优路径。i p 还具有分组和重 组的功能，当应用数据不能用一个口数据报传送完毕时，它们必须被分割为两个或 者更多的报文，在接收端，i p 负责把这些报文重组。i p 的最后一个主要功能是检测 和补偿在传输过程中遭到破坏或丢失的报文，在传输过程中，干扰或者网络拥挤 可能导致坤数据报受损或者被丢弃，当报文不可能转发或者不可用时，路由器通知 源机，源机可以选择重传。i p 数据报的头部结构如图2 3 所示： 4 位版本号4 位头长度8 位服务类型( t o s )1 6 位总长度 1 6 位标识3 位标志1 3 位片偏移 生存时间( 丁r l )协议首部验和 3 2 位源地址 3 2 位目的地址 选项和填充 图2 3 ：i p 数据报格式 f i g 2 3i pp a c k e tf o r m a t 1 版本号 指出此报文使用的i p 协议的版本号，为i p v 4 或者i p v 6 。目前的协议版本号 大多是i p v 4 。 2 头长度 指的是头部的长度，以3 2 b i t 为单位，一般的i p 报文头部长度为5 。服务类型： 包含3 位优先子字段( 现已被忽略) 和4 位t o s 字段分别表示：最小延时、最 大吞吐量、最高可靠性、最小费用。不同的应用应采用不同的t o s 值。还有 1 、4 x 7 保留。 3 总长度 以字节为单位表示的报文总长。理论上口报文的长度可以达n 6 5 5 3 5 字节， 但是大多数的链路层会将其分片。由于t c p 把用户数据分成若干片，因此一 般来说这个限制不会影响t c p 。u d p 的应用一般限制用户数据报长度为5 1 2 字节，小于5 7 6 字节。但是，事实上现在大多数的实现( 特别是那些支持网 络文件系统n f s 的实现) 允许超过8 1 9 2 字节的i p 数据报。对于嵌入式系统， i p 报文长度不适合太长，导致存储空间紧张和m c u 处理困难。 4 标识 每个i p 报文被赋予唯一的1 6 位标识用来标识数据报的分段。通常每发送一份 报文它的值就加l 。 重庆大学硕士学位论文2 以太网技术