（通信与信息系统专业论文）基于tcpip协议的嵌入式internet技术的研究与应用(1).pdf

基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 基于t c p ip 协议的嵌入式in t e r n e t 技术的研究与应用 摘要 以单片机为核心的嵌入式设备，已经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领 域得到了日益广泛的应用。为了实现远程数据采集、远程监控等功能，网络化已成为新 一代嵌入式系统发展的一个重要趋势。研究嵌入式系统与i n t e r n e t 的接入方法，具有 重要的现实意义和经济价值。 针对嵌入式系统连入i n t e r n e t 的要求，本文以1 6 位微控制器为出发点，介绍了嵌 入式i n t e r n e t 的设计方案及具体实现。在介绍比较了当前国内外几种主要解决方案的 前提下，通过对标准t c p i p 协议的详细分析，并结合微控制器的特点，给出了一种基 于凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 控制i s a 总线网卡控制器r t l 8 0 1 9 a s 实现上网的方案。 文中描述了整个系统的设计原理，重点分析了以太网接口的软硬件设计，对在1 6 位微控制器上实现的嵌入式t c p i p 协议栈做了研究。最后为了验证设计方案的可行性， 文中以远程数据采集系统为研究对象，证明了系统是可行的，达到了设计的要求。 关键词：嵌入式系统：t c p l p 协议；r t l 8 0 1 9 a s ；单片机 苎堡型! ! 塑鎏堕堂垒些! ! ! 竺! ! ! 垄查塑堕! ! 兰丝旦 一 t h es t u d ya n da p pi ic a tio no fe m b e d d e din t e r n e t t e c h n l a u eb a s e d0 nt c p i p a b s t r a c t t h ee m b e d d e de q u i p m e n t sc e n t e r e do ns i n 9 1 e c h i pc o m p u t e rh a v ea l r e a d yb e e n u s e d1 a r g e l yi n i n d u s t r i 8 1a u t o m a t i o n ，o f f i c i a la u t o m a t i o na n db u i l d i n g a u t o m a t i o ne t c t or e a l i z et h e1 0 n gd i s t a n c ed a t aa c q u i s i t i o n ，c o n t r 0 1a n ds o o n ，t h en e t w o r kh a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n tt r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fn e w g e n e r a t i o ne m b e d d e ds y s t e m s o i th a sac r i t i c a lr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n d e c o n o m i cv a l u e t os t u d yt h ec o n n e c ti o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h ei n t e r n e t t o w a r d st h er e q u i r e m e n to fc o n n e c t i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mt oi n t e r n e t ，t h e p a p e rh a si n t r o d u c e dt h ed e s i g ns c h e ea n ds p e c i a li m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e d i n t e r n e tb a s e do n1 6 一b i tm i c r o c o n t r o l l e r a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h em a i n s o l u t i o no fs e v e r a ll ( = i n d so ft h ee m b e d d e d i n t e r n e tt e c h n 0 1 0 9 yd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lc u r r e n t l y ，乞h r o u g ht h ed e t a i l e da n a l y s i st os t a n d a r dt c p 工p ，a n d c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r o c o n t r o l l e r ，am e t h o dw h i c hr e a l i z e st h e c o n n e c t i o no fn e t w o r ki n t e r f a c ec a r dr t l 8 0 1 9 a so fi s aa n di n t e r n e tb a s e do n s p c e 0 6 1 ai sg i v e ni nt h i sp a p e r t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ew h 0 1 es y s t e m ，a n a l y z i n gt h e d e s i g no ft h en e t w o r ki n t e r f a c ef r o mt h ea s p e c t so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e n i th a ss t u d i e dt h ee m b e d d e dt c p i pi i i l p l e m e n t e do n1 6 一b i tm i c r o c o n t r o l l e r f i n a l l y ，i no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e ，ar e 】。t 8d a t aa c q u s i t i o n s y s t e mi ss t u d i e d t h er e s u l th a sv e r i f i e dt h ed e s i g ni sa c c e s i b l ea n dm e e t st h e r e o u i r e m e n t k e y 牲o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ：t c p j j p r o t o c o l ：r t l 8 0 1 9 a s ：m g u 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 o 前言 0 1 概述 目前，嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中。从家用电器、信息终端、手持通 信设备到航空航天、仪器仪表、汽车船舶、制造工业、过程控制等领域，嵌入式设备已随处可 见。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会 ( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，5 年内仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视 产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场”】。1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式系统会 议上，与会专家一致认为，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展， 实现“p c se v e r y w h e r e ”的生活梦想【”。 另一方面，近几年来i n t e r n e t 技术的发展已使人类实现异地信息共享的愿望成为了现实。 而如何实现无所不在的嵌入式设各与i n t e r n e t 的结合，使信息的存取与获取更快捷、方便则又 成为了人类的第二个生活梦想。这就是嵌入式网络技术得以发展的背景，目前世界上不少国家 的科研机构和各大公司纷纷加入了嵌入式i n t e r n e t 技术的研究行列。可以预言，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来，开展嵌入式i n t e r n e t 技术的研究是 有必要且具备重大应用价值的。正是在这样的背景下，本文试图在这方面开展一些研究。 嵌入式i n t e r n e t 是指电子设备通过嵌入式模块直接接入i n t e r n e t ，以i n t e r n e t 为介质实 现信息交互的技术。嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、 消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过 程，大致经历四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形成的系统，具有与监测、伺服、指示设备相 配合的功能。这类系统大部分应用子一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支 持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相 对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、 价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的 现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性：应用 软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行 于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化 和扩展性：具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大 量的应用程序接口a p 工，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是个正在迅速发展的阶段。目前大多数 嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电技 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 术的结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 从工业网络控制系统的应用现状和发展方向来研究嵌入式i n t e r n e t 技术的应用也是非常有 必要的。 7 0 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展到集散控制( d c s ) 。现场总线控 制系统是继集散控制系统之后的又一种新型的工业控制系统，它的出现在工业控制领域内引发 了一场新的革命。与传统d c s 相比，现场总线控制系统具有数字化通信、开放的体系结构、分 散的控制结构等一系列优点，它解决了传统d c s 无法监控现场仪表及设备、分散化不足、通信 协议专有等一系列问题。正是由于现场总线控制顺应了工业控制系统分散化、网络化、智能化 的发展趋势，使得它在工业控制领域得以迅速推广应用。 然而，现场总线在控制领域的迅速堀起以及巨大的商机进一步推动其飞速发展的同时，不 可避免又带来了新的问题。目前市场上存在的现场总线产品种类繁多，在相当长的时间内，多 种现场总线标准必将同时存在，一种总线标准一统江湖的局面难以形成。这样必然会带来不同 总线不能实现互操作、通信协议不统一以及不能真正实现全分散控制系统等问题。随着以太网 和t c p i p 技术的目益成熟和普及，应用t c p i p 协议的以太网已经成为最流行的分组交换局 域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。 采用以太网和现场总线混合控制网络，可以解决不同协议标准现场总线系统集成问题，构 建出真正全开放、全分散的控制网络。两层网络之间采用嵌入式网关( e m b e d d e dg a t e w a y ， e m g a t e w a y ) 实现异质网络之间的无缝连接。嵌入式网关实现了高速以太网和相对低速现场总线 网络之间的互联，以及t c p i p 协议到各种现场总线协议的转换。这种混合网络控制方案解决 了不同标准现场总线由于不能互操作而带来的分散性和开放性问题，另外还易于实现基于 i n t e r n e t 的远程控制。 基于e m g a t e w a y 的混合控制网络在一定程度上解决了现场总线控制网络在控制系统上的分 散性和开放性问题，但在具体应用实施时，仍存在系统的开放性具有较大局限性及互联模型难 以实现的困难。以太网和t c p i p 协议的广泛应用促使了i n t e r n e t 的飞速发展，应用t c p i p 技术的以太网可满足控制系统各个层次的要求，各种功能越来越强大的智能控制芯片的出现， 这些技术的发展促使了基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络的出现。在这种网络体系结构中，基于 t c p i p 的以太网贯穿于控制系统的各个层次，将一台孤立的现场设备和设备工程师及企业管理 人员均作为一个网络节点通过以太网有机的连接在一起，实现了现场设备到管理层的直接通信， 最终实现企业控制、管理信息的无缝集成。由此可见，与以往的工业控制网络相比，以太网应 用于工业控制具有以下优势： 更高的通信带宽： 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接； 控制系统的成本降低； 更高的稳定性。 因此，可以说基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络在不久的将来必将具有十分广阔的应用前景， 它代表了新一代控制网络发展的必然趋势口】。 基于t c p i p 悱议的嵌 式i n t e r n e t 技术的研究与应用 o 2 国内外研究现状 嵌入式i n t e r n e t 是近年来发展起来的一项新兴概念和技术，国外许多大公司包括e 唧a r e 、 m i c r o c h i p 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 等在内的数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟( e b e d t h ei n t e r n e tc o n s o r t i 姗，e t i ) ”，来专门讨论和制定嵌入式i n t e r n e t 领域的标准和开发相关 的技术，共同推动这一市场。 砒c r o c h i p 公司在i n t e r n e t 接入应用领域开发出i p i c 系列单片机；同时如s i i 开发的协议 栈芯片、t d k 公司i m 0 d 锄等都为嵌入式i n t e r n e t 的实现和应用系统的开发提供了切实可行的途 径。在工业测控领域，1 9 9 9 年成立的“工业以太网协会”( i e a ) 正在积极致力于工业以太网现场 总线的研究开发，美国o 哪公司采用嵌入式i n t e r n e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”， 成功应用于工业过程控制、楼宇智能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用i e 髓1 4 5 1 2 标 准，生产的嵌入式以太网控制器具备1 0 b a s e t 接口，运行t c p i p 协议，应用于传感器、驱动器 等现场设备”】。国内外有关嵌入式i n t e r n e t 的开发应用可大致分为以下几类： 1 采用e m i t 技术”1 e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n 0 1 0 9 y ) 是由美国e 唧a r e 公司推出的一套成熟、 完善的实现单片机系统与i n t e r n e t 相连的解决方案，e m i t 技术体系结构如图o 1 所示。e m i t 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为e m g a t e w a y ，支持t c p i p 协议并运行 h 订p 服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。e f g a t e w a y 通过r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、c a n 、红外、射频等总线与多个嵌入式设备相连接，每个嵌入式设备的应用程 序中包含一个被称为e m m i c r o 的独立通信任务。该任务负责监测设各中预先定义的各个变量， 并将结果反馈到e i i i g a t e w a y 中；同时它还可以解释e g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或者 进行某种控制。e m i t 解决方案中还包括e m i t 应用接口服务技术，它提供一系列的开发工具，如 c + + 、j a v a 以及a c t i v ex 等，用户可以根据需要开发客户端的浏览界面。 e m i t 技术经过多年的发展已经在工业设备的网络化中得到了广泛的应用，得到了包括 m o t o r o l a 、a t t 、h i t a c h i 等多家著名i t 公司的支持。松下电工的家庭网络中间件，核心技术 即为e m w a r e 公司的e m i t 构架。但该技术也存在着以下的缺点：e m i t 起步价位很高，e m g a t e w a y 网关的使用需要具有许可证，要缴纳相应的版税：在多个嵌入式设备分散的情况下，网关和设 备间的专用网络布线极为不便，通信的距离、速度都受到一定的限制。 e 埘i c r o9 瞳g a t d n y p c 机 一9 坷 图0 1e m i t 技术体系结构 2 采用w e b c h i p 芯片实现单片机系统网络化【5 l 3 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 w e b c h i p 是我国武汉力源电子股份有限公司推出的可实现单片机系统与i n t e r n e t 连接的接 口芯片。它是独立于各种微控制器的专用网络芯片，在它的片内驻留着网络协议解释和网络协 议编译程序模块，通过标准的s p i 串口与嵌入式系统中的微控案4 器相连接。微控制器可以通过 w e b c h i p 接收并执行经由i n t e r n e t 远程传来的命令，或将一些数据交给w e b c h i p 发送出去。单 片机系统采用w e b c h i p 接入i n t e r n e t 的网络，还必须有一个支持复杂i n t e r n e tt c p i p 的协 议并能提供h t t p 服务的类似于e g a t e w a y 的网关。事实上，w e b c h i p 芯片只是把在e m i t 技术中 由微型网络服务器e 删i c r o 完成的网络功能独立于原来的微控制器，把软件调用变成了硬件多 控制器间的通信。因此它只是实现了e m i t 技术的一小部分功能，距离用单个片上系统完成智能 装置网络化的目标还相差甚远。 3 采用硬件协议栈芯片 硬件协议栈芯片是一个独立于各种微控制器的具有上网功能的专用芯片，通过标准的输入 输出接口，可以和大多数的微控制器相连。这些微控制器可以通过硬件协议栈芯片执行由 i n t e r n e t 远程传来的命令，或是将数据交给硬件协议栈芯片通过i n t e r n e t 发送出去。典型的硬 件协议栈芯片有日本s e i k o 公司以i r e a d y 芯核为基础，开发的s 7 6 0 0 芯片等。硬件协议栈芯片 与w e b c h i p 芯片的最根本的区别在于，嵌入式系统连接i n t e r n e t 不需要再通过额外的网关。图 o 2 显示了一种典型的基于s 7 6 0 0 芯片的嵌入式i n t e r n e t 方案1 4 】i “。 当使用硬件协议栈芯片开发具有网络功能的单片机系统时，只需要增加一段和协议栈芯片通 信的接口程序即可。因此，系统软件设计难度较小，周期也较短。但是由于加入协议栈芯片以 及与之配套的网络连接层设备( 如嵌入式m o d e m 、以太网控制器等) ，增加了系统的硬件成本。 7 踟0 c h i p 图 图0 2 一种基于s 7 6 0 0 的方案 4 采用支持i n t e r n e t 的嵌入式操作系统：嵌入式操作系统是指运行在嵌入式平台上，内核 小，具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、图形窗口以及用 户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，能够适应系统对功能、可靠性、成本、体积和 功耗严格要求的系统软件。由于i n t e r n e t 技术的发展，嵌入式操作系统已逐渐向网络化的方向 发展。目前市场上已有许多这样的嵌入式操作系统如u c l i n u x 、r t l i n u x 、v x w o r k s 、n u c l e u sp 1 u s 以及v r t x s a 等等【7 1 l ”，它们通过内核自身或是附加的网络组件提供对t c p i p 协议的支持。基 4 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 于这些操作系统的嵌入式设备，由于操作系统自身的要求大都采用高档的3 2 位处理器如x 8 6 、 p p c 、a r m 、c o l d f i r e 等，同时拥有较大容量的r o m 和r a m ，因此设备能实现多种复杂的网络功 能。但这种方案存在如下缺点：高档的3 2 位处理器价格较贵、开发周期较长；需要购买昂贵的 嵌入式操作系统、网络组件以及配套的开发软件，对开发人员的开发能力、经验要求较高。 5 采用内嵌以太网的微控制器【9 】 m a x i m d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 的网络微控制器简化了嵌入式系统与多层网络的连接，可以 通过以太网从远端控制、监视设备。d s 8 0 c 4 0 0 是崭新的网络微控制器家族的第一个成员，它集 成了媒体存取控制( m a c ) 、三个串口、一个卜w i r e 主控制器和具有高速8 0 5 1 核的c a n 控制器。 借助其以太网m a c 和工业标准的m i i 端口，系统可以与各种物理层控制器( p h l ) 连接，其中包括： l o 1 0 0 b a s e t 、h o m e p n a 和光纤设备等。此外，以太网凇c 包括8 k b 的缓冲r 删，大大减轻了 d s 8 0 c 4 0 0 内核的网络负荷。该网络微控制器6 4 k br o m 中集成了完整的t c p i pv 4 6 网络协议栈、 多线程操作系统和存储器管理器。除r o m 固件外，d a l l a s 还为编写j a v 、c 或8 0 5 1 汇编程序 提供了一套完善的开发包，所提供的库文件适用于大多数通用i o 接口的通信，如：1 一w i r e 、 c a n 、串口、s p i 以及并行接口等。研发人员只需编写应用程序，大大加快了嵌入式以太网的设 计。 6 w e b i t 方式 w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入i n t e r n e t 的一个 实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将它装入到嵌入系统中就可以完成 嵌入系统与i n t e r n e t 网的联接。w e b i t 有自己的i p 地址，它将协议处理部分独立出来，开发人 员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系统本身。w e b i t 总体上是一个基于a v r 单片 机的系统，在单片机内有用来存储系统服务程序的8 k 字节的f l a s h 空间、5 1 2 字节的r a m 空间 以及用来存放系统参数( i p 地址、m a c 地址、串口波特率等) 的e e p r o m 。在单片机的外围，有用 来存放w e b 页面的e e p r o m 。系统中包含一个1 0 m 以太网控制器，用来提供网络的联接。系统提 供的应用系统接口为t t l 电平的u a r t 口及1 4 位i 0 口，通过它与应用系统相连，其应用方式 见图o 3 。 图0 3w e b i t 应用方式 7 采用8 位或1 6 位高性能的微处理器+ 精简t c p i p 协议栈：根据嵌入式网络产品应用的 特点，将标准的t c p i p 协议栈做较大幅度的简化，根据需要保留其中基本的部分，这样就可 以大幅度减少对于系统资源的需求，从而可以在低成本、小内存的系统中实现i n t e r n e t 连接的 功能，这样的方案的优点是廉价，便于广泛应用n 0 】【1 ”。该方案的重点和难点是实现精简的t c p i p 协议栈。以往人们认为基于8 位或1 6 位微处理器的单片机系统由于在处理能力、r o m 和r a m 空 s 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 问上的限制，不能实现t c p i p 网络协议栈等这样复杂的功能。但是，近年来随着市场对超微型 嵌入式应用技术的不断增长，以及半导体技术和系统设计方法的进步，在一个硅片上实现一个 过去以为复杂的系统的时代已经来临，并深刻地影响着传统的集成电路产业”】。不断发展的具 有高速处理能力的智能化嵌入式芯片，使得单片机系统支持t c p i p 协议成为可能。 在产品开发方面，北京英贝多公司已经具备和掌握了嵌入式i n t e r n e t 核心技术，并在中国 单片机实验室的支持下，研发出了具有自主知识产权的基于芯片的超微型i n t e r n e t 网管和瘦服 务器。 中国计算机学会( c h i n ac 唧u t e rf e d e r a t i o n ) 于1 9 9 9 年6 月举行了“嵌入式系统及产 业化在中国的发展前景”研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计算机工业中的地位及其网 络化问题，认为下一代网络化设备中嵌入式i n t e r n e t 技术的研究才刚刚起步，且大多停留在理 论阶段。对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络上，对建立因特网控制网络 还未进入到实质研究阶段。 o 3 本文研究内容 本论文对嵌入式i n t e r n e t 的功能和构成进行了详细研究，针对目前各种工业现场应用越来 越快的数据传输要求，应用凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 1 6 位单片机和r e a l t e k 公司的1 0 m 自适应网络 接口构建嵌入式网络平台。在详细描述了整个系统的设计原理之后，重点研究分析了以太网接 口的软硬件设计和嵌入式t c p i p 协议栈。归纳起来主要进行了以下研究工作： 1 从硬件和软件两个方面提出基于1 6 位微控制器的嵌入式i n t e r n e t 的实现方案。 2 i 网络接口控制器( r t l 8 0 1 9 a s ) 接口电路的设计和驱动程序的编写。 3 设计并实现了嵌入式i n t e r n e t 技术的关键嵌入式t c p i p 扔议栈。据据1 6 位微处理 器的特点设计了一套专用的t c p i p 协议栈，实现了一些基本的功能。具体的包括a r p 协议、i p 协议、u d p 协议等。最后在嵌入式平台的基础上对远程数据采集系统进行了分析。 6 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e 】n e t 技术的研究与应用 1 基于16 位微控制器的嵌入式ln t e r n e t 实现方案 1 1 网络接入问题 接入i n t e r n e t 有很多种接入方式，例如电话拨号接入、i s d n 、a d s l 、以太网等。其中以太 网作为一种廉价、高效的i n t e r n e t 接入方式，已经得到了非常广泛的应用，不作特殊说明时， 本文的i n t e r n e t 接入均指以太网方式的接入。 目前，以太网也成为局域网公认的标准。比如在目前较热的智能小区，每个家庭不能布很 多线，而以太网的8 芯双绞线是定有的。例如宽带上网，是直接通过以太网的，如果你制造 的设备，比如安全产品，远程抄表产品，家居智能产品能够走以太网的话，可以利用现成的以 太网络。但如果走其它网络，比如r s 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 等，那么需要另外布线。布线是复杂 的，还涉及到消防安全等。从成本看，用以太网实现联网要比c a n 、l o n w o r k s 等更为便宜，集 线器、交换机现在都非常便宜，而且将来有三网合一的趋势，电话、电视、计算机三网合一。 将来的趋势可能是高速的以太网的天下，电话信号、电视信号、互联网都在以太网上跑。尽管 目前还未能实现，但是这种趋势是不可避免的。 以太网在办公自动化领域和企业管理网络内，由于技术成熟、性能稳定，可靠性高而得到 了广泛应用，占据国内现有局域网的8 0 ；在测控领域它以速度快，协议通用，可扩展性好， 易于和i n t e r n e t 集成等特点而被视为继d c s ( 集散控制系统，如r s 4 8 5 总线) 、f c s ( 基于现场总 线的控制系统，如c a n ) 之后控制网络中最热门的研究领域之一。 与其它接入方式相比，以太网有如下一些优点： 1 可靠性高。它使用的是一种很简单又很可靠的传输机制，这种机制每天在世界范围的各 个站点之间可靠地传输数据。 2 通信速度快，从最初的1 0 m 已经发展到现在的1 0 g 。 3 近期以太网技木的发展使其可以作为工业控制网络已开始得到应用，它可以满足控制系 统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统。 4 技术成熟，受支持度最好，可直接利用大量现有产品组网。由于以太网是应用最广泛的 计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。例如j a v a 、v i s u a l c + + 、 v i s u a lb a s i c 等。它也受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产 品可供选择并且价格相对低廉。 5 互联性、开放性好，直接与p c 等设备相连，节点数量基本上无限制。 6 设备成本低。因为有了广泛的应用和相关标准的制定，使得以太网产品的成本得到大幅 度的下降。 7 用户拥有成本下降。由于以太网已被使用多年，因此具有大量的软件资源，人们对以太 网设计、应用有很多经验，对其技术十分熟悉。几乎每家企业都有具备以太网维护能力的人员， 无需再专门培训。 8 可支持的传输介质多，有光纤、双绞线、同轴电缆等。 9 扩展性好、发展潜力大，以太网的传输速度有1 0 p s 、l o 洲b p s 和l g b p s ，甚至i o g b p s 。 对于大部分应用来说，1 0 m b p s 己算是足够快了，当1 0 m b p s 有必要提高至更高速系统时，可以方 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 便地进行升级，扩展非常容易且可以选择多个制造商的产品。 以单片机或微控制器( m c u ) 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能，通 称嵌入式系统。这种将m c u 嵌入有关的设备中的技术已经工业的各个领域得到了应用。目前大 多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的主要的困难在于将t c p i p 通信协议根据工业应用的特 点，加以适当的选择和剪裁，并嵌入到工业系统大量应用的以m c u 为核心的智能节点( 测控单元、 传感器和执行器等) 中，进而实现嵌入式设备的i n t e r n e t 网络化。 本论文采用的是通过在1 6 位微控制器增加嵌入式t c p i p 软件协议栈实现嵌入式i n t e r n e t 的方案。 1 2 单片机控制网络接口控制器进行数据传输实现分析 1 2 1 网络接口问题的考虑 以1 0 b a s e t 以太网为例，嵌入式系统接入i n t e r n e t 需要解决的主要问题有：发送数据时系 统首先实现t c p i p 协议，解决数据的封装、编码及发送等问题。对需要发送的数据进行曼彻 斯特编码，然后对编码后的数据进行预扭曲处理，使其发送的数据适合在1 0 b a s e t 的以太网络 上传输，最后把处理好的数据以1 0 m b p s 的速度发送到以太网络上。同时，为了保证数据的有效 发送，系统还应具有冲突检测和重发的功能。 从以上的数据发送过程可以看出，以上问题的解决对于微控制器的要求很高，直接用普通 的低速微控制器来实现上述功能非常困难。解决这个问题的方法是采用专门的网络接口芯片n i c 来协同解决，这样对微控制器的要求就会降低。 网络接口控制器( n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ，简称n i c ) 是网卡上的一个核心控制芯 片，它负责完成开放系统互联参考模型( o s i 跚) 中数据链路层的功能。通常所使用的网卡就是 n i c 与其它外围芯片与电路构成的。而网卡性能的好坏主要取决于n i c 的结构功能和控制n i c 的驱动程序。另外，它也是基于网卡进行网络编程的主要控制对象，程序通过对n i c 的直接控 制，就可以实现特定目的的网络软件。这类芯片遵循i e e e 8 0 2 3 所规定的c s m a c d 载波监听多 路访问及冲突检测协议，除了提供物理链路所需要的电气性能外，还提供曼彻斯特编码和冲突 检测，并且可以与很少的外围电路一起完成数据的发送和接收，处理器只需为n i c 芯片提供初 始配置和数据接口即可。 1 2 2 网络通信协议问题的考虑 解决网络接口问题之后，还要考虑的是如何实现众多的网络通信协议，我们可以把不同协 议层的数据统一理解为长短不一的二进制数据流。数据的发送可以看成按照一定格式生成不同 长度的数据流。数据的接收可以看成按照一定的规则从不同长度的数据流中得到需要的数据。 由此看来，处理器实现t c p i p 协议就是实现数据流的生成及解析工作，下文将从数据发送和 数据接收两方面来论述采用普通处理器来实现t c p i p 协议的可能性。 发送数据的封装问题： 把一组数据发送到基于t c p i p 协议的网络上，首先是产生符合t c p i p 协议要求的数据 基于t c p i p 西议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 便地进行升级，扩展非常容易且町以选择多个制造商的产品。 咀单片机或微控制器( m c u ) 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能，通 称嵌入式系统。这种将u 嵌入有关的设备中的技术已经工业的各个领域得到了应用。目前大 多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的主要的困难在于将t c p i p 通信协议根据工业应用的特 点，加以适当的选择和剪裁，并嵌入到工业系统大量应用的以m c u 为核心的智能节点( 测控单元、 传感器和执行器等) 中，进而实现嵌入式设备的i n t e r n e t 网络化。 本论文采用的是通过在1 6 位微控制器增加嵌入式t c p i p 软件协议栈实现嵌入式i n t e r n e t 的方案。 1 2 单片机控制网络接口控制器进行数据传输实现分析 1 2 1 网络接口问题的考虑 以1 0 b a s e t 以太网为例，嵌入式系统接入i n t e r n e t 需要解决的主要问题有：发送数据时系 统首先实现t c p i p 协议，解决数据的封装、编码及发送等问题。对需要发送的数据进行曼彻 斯特编码，然后对编码后的数据进行预扭曲处理，使其发送的数据适合在1 0 b a s e t 的匕l 太网络 上传输，最后把处理好的数据以1 0 m b p s 的速度发送到以太网络上。同时，为了保证数据的有效 发送，系统述应具有冲突检测和重发的功能。 从以上的数据发送过程可以看出，以上问题的解决对于微控制器的要求很高，直接用普通 的低速微控制器来实现上述功能非常困难。解决这个问题的方法是采用专门的网络接口芯片n i c 来协同解决，这样对微控制罂的要求就会降低。 网络接口控制器( n e t w o r ki n t e r f a c ec 。n t r o l l e r ，简称n i c ) 是网卡上的一个核心控制芯 片，它负责完成开放系统互联参考模型( 0 s i 姗) 中数据链路层的功能。通常所使用的网卡就是 n i c 与其它外围芯片与电路构成的。而网卡性能的好坏主要取决于n i c 的结构功能和控制n i c 的驱动程序。另外，它也是基于网卡进行网络编程的主要控制对象，程序通过对n i c 的直接控 制，就可以实现特定目的的网络软件。这类芯片遵循i e e e 8 0 2 3 所规定的c s m a c d 载波监听多 路访问及冲突检测协议，除了提供物理链路所需要的电气性能外，还提供曼彻斯特编码和冲突 检测并且可以与很少的外围电路一起完成数据的发送和接收，处理器只需为n i c 芯片提供初 始配置和数据接口即可。 1 2 2 网络通信协议问题的考虑 解决网络接口问题之后，还要考虑的是如何实现众多的网络通信协议，我们可以把不同协 议层的数据统一理解为长短不一的二进制数据流。数据的发送可以看成按照一定格式生成不同 长度的数据流。数据的接收可以看成按照一定的规则从不同长度的数据流中得到需要的数据。 由此看来，处理器实现t c p i p 协议就是实现数据流的生成及解析工作，下文将从数据发送和 数据接收两方面来论述采用普通处理器来实现t c p i p 协议的可能性。 发送数据的封装问题： 把一组数据发送到基于t c p i p 协议的网络上，首先是产生符合t c p i p 协议要求的数据 把一组数据发送到基于t c p i p 协议的网络上，首先是产生符合t c p i p 坍议要求的数据 8 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 便地进行升级，扩展非常容易且可以选择多个制造商的产品。 以单片机或微控制器( m c u ) 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能，通 称嵌入式系统。这种将m c u 嵌入有关的设备中的技术已经工业的各个领域得到了应用。目前大 多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的主要的困难在于将t c p i p 通信协议根据工业应用的特 点，加以适当的选择和剪裁，并嵌入到工业系统大量应用的以m c u 为核心的智能节点( 测控单元、 传感器和执行器等) 中，进而实现嵌入式设备的i n t e r n e t 网络化。 本论文采用的是通过在1 6 位微控制器增加嵌入式t c p i p 软件协议栈实现嵌入式i n t e r n e t 的方案。 1 2 单片机控制网络接口控制器进行数据传输实现分析 1 2 1 网络接口问题的考虑 以1 0 b a s e t 以太网为例，嵌入式系统接入i n t e r n e t 需要解决的主要问题有：发送数据时系 统首先实现t c p i p 协议，解决数据的封装、编码及发送等问题。对需要发送的数据进行曼彻 斯特编码，然后对编码后的数据进行预扭曲处理，使其发送的数据适合在1 0 b a s e t 的以太网络 上传输，最后把处理好的数据以1 0 m b p s 的速度发送到以太网络上。同时，为了保证数据的有效 发送，系统还应具有冲突检测和重发的功能。 从以上的数据发送过程可以看出，以上问题的解决对于微控制器的要求很高，直接用普通 的低速微控制器来实现上述功能非常困难。解决这个问题的方法是采用专门的网络接口芯片n i c 来协同解决，这样对微控制器的要求就会降低。 网络接口控制器( n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ，简称n i c ) 是网卡上的一个核心控制芯 片，它负责完成开放系统互联参考模型( o s i 跚) 中数据链路层的功能。通常所使用的网卡就是 n i c 与其它外围芯片与电路构成的。而网卡性能的好坏主要取决于n i c 的结构功能和控制n i c 的驱动程序。另外，它也是基于网卡进行网络编程的主要控制对象，程序通过对n i c 的直接控 制，就可以实现特定目的的网络软件。这类芯片遵循i e e e 8 0 2 3 所规定的c s m a c d 载波监听多 路访问及冲突检测协议，除了提供物理链路所需要的电气性能外，还提供曼彻斯特编码和冲突 检测，并且可以与很少的外围电路一起完成数据的发送和接收，处理器只需为n i c 芯片提供初 始配置和数据接口即可。 1 2 2 网络通信协议问题的考虑 解决网络接口问题之后，还要考虑的是如何实现众多的网络通信协议，我们可以把不同协 议层的数据统一理解为长短不一的二进制数据流。数据的发送可以看成按照一定格式生成不同 长度的数据流。数据的接收可以看成按照一定的规则从不同长度的数据流中得到需要的数据。 由此看来，处理器实现t c p i p 协议就是实现数据流的生成及解析工作，下文将从数据发送和 数据接收两方面来论述采用普通处理器来实现t c p i p 协议的可能性。 发送数据的封装问题： 把一组数据发送到基于t c p i p 协议的网络上，首先是产生符合t c p i p 协议要求的数据 基于t c p i p 协议的嵌入式i n t e r n e t 技术的研究与应用 格式，然后把它按照一定的规定发送到网络上去。处理器只要能够产生符合t c p i p 协议的数据