（通信与信息系统专业论文）基于tcpip协议的嵌入式系统的研究与实现.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式系统的广泛应用，将嵌入式系统接入i n t e r n e t 网络已经成为 一种需要，也是嵌入式应用领域的研究热点之一。 本课题用应用最广泛的m c s 一5 1 系列单片机作为嵌入式系统核心，自行设 计和开发了一套适合该类嵌入式系统的精简t c p i p 协议栈，实现了低成本嵌 入式系统的i n t e r n e t 接入。基于该系统，设计了一套完整、灵活、可扩展性 强的机房监控设备。该设备适用于各种无人机房的远程监控，实现了远程监 控的网络化。 本设计的主体部分网络通信模块，以5 l 系列单片机为硬件平台，应 用本文开发的一种精简的嵌入式t c p i p 协议栈，通过r e a l t e k 公司的 r t l 8 0 1 9 a s 网络控制芯片与网络进行接口，使得机房各种设备的数据能够通 过网络得到稳定、可靠的传输。 此外，根据实际机房多种设备并存的情况，前端设计了汇集器模块，采 用的是t i 公司的t l l 6 c 5 5 4 四串口异步通信芯片和w i n b o n d 7 7 e 5 8 单片机配 合工作，通过自定义的通信协议，实现了多种不同设备的告警数据的汇集和 将控制数据准确的分路给各种设备的操作。数据采集模块设计为多路数据的 采集，与汇集器之间采用r s 2 3 2 接口。整套系统运行稳定，传输可靠，有一 定的实际应用价值。 关键词：单片机；r t l 8 0 1 9 a s ；精简t c p i p 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ee m b e d d e ds y s t e m si na p p l i c a t i o n i tb e c o m e s n e c e s s a r yt oc o n n e c tt h ee m b e d d e ds y s t e m si n t ot h ei n t e m e t ，t h a ta l s oo n eo ft h e f o c u si nr e s e a r c ho f e m b e d d e ds y s t e mi na p p l i c a t i o nf i e l d t l l i sp a p e rd e s i g nat i n yt c p i ps t a c k ss u i t a b l ef o re m b e d d e ds y s t e m s 晰t 1 1 t h ew i d e l yu s e dm c s 一51s e r i e sm c ua si t sc p u w h i c hm a k e st h el o w c o s t e m b e d d e ds y s t e m sa c c e s st h ei n t e m e tc o m et r u e m e a n w h i l e ，ar e m o t e s u p e r v i s e d e v i c eh a sb e e nc o m p l e t ed e s i g n e du s i n gt h i sl o w - c o s te m b e d d e ds y s t e m i ti sa i n t e g r a t e d ，f l e x i b l ea n dg o o de x p a n d a b i l i t yd e v i c et h a tc a nb eu s e di nv a r i o u s n o n - p e r s o nm a c h i n er o o m s o r e m o t es u p e r v i s er e a l i z e di t sc o m m u n i c a t i o nb y n e t w o r k t h em a i np a r to ft h i sd e v i c ei st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i t s d e s i g n e d o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f51s e r i e sm c u ，a n dl l l nap r o g r a m i n c l u d i n gat i n yt c p i ps t a c k sw r i t t e nb ya u t h o r t h ef u n c t i o no f t h i sm o d u l ei st o t r a n s m i ta l a r md a t ao ft l l em a c h i n e si nm a c h i n er o o mt h r o u g ht h ei n t e m e tb yt h e n e t w o r kc o n t r o lc h i pr t l 8 0 1 9 a s w h i c hi n t e r f a c e sb e t w e e nt h em c ua n d n e t w o r k m o r e o v e r ，t h ef r o n tp a r to ft h ed e v i c eh a v et w om o d u l e s o n ei st h e c o n v e r g em o d u l e ，i nw h i c ha l la s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n se l e m e n tc a l l e d t l l6 c 5 5 4h a sb e e nu s e dt oc o n v e r g ef o i l l d a t a t o r r e n ti n t oo n eo rr e v e r s e p r o c e s s h e r e ，t h ec p u i sa l s ot h e51s e r i e sm c uc a l l e dw i n b o n d7 7 e 5 8 i t c o n t r o l l e dt h et l l 6 c 5 5 4 ，c a r r i e do u tas e l f - d e f i n e dp r o t o c o la n da c c o m p l i s h e di t s t a s k t h eo t h e rm o d u l ei sc o l l e c t i o nd a t am o d u l e w h i c hh a st h ef u n c f i o no f c o l l e c t i o ns u p e r v i s ed a t a a n di ti n t e r f a c et h ec o n v e r g em o d u l eb yr s - 2 3 2 t h e w h o l ed e v i c ew o r ks t e a d i l y , a n dt r a n s m i td a t ar e l i a b l y , a l lw h i c hm a d ei th a v ea c e r t a i nv a l u ei na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m c u ；r t l 8 0 1 9 a s ；t i n yt c p i p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垄i 兰生 e l 期：狮6 年；月牙日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着国内电信事业的迅速发展，通信机房智能化管理是当代电信人应该 考虑的问题，可是目前在这一方面我们做得甚少，与电信发达国家差距很大。 目6 u 通信机房的状况是：各种交换设备、传输设备、管理设备和监控设 备的数量和种类都在不断的增加；基站数目多，哈市小灵通基站有一万多个， 需本地供电；机房中一般还集中了多个、多种专业网管，如传输网管、交换 网管或信令网管等，这些网管软件一般都是面向互联网的。以上状况非常混 乱，随时都会产生各种告警，但是，由于机房维护人员比较少时、机器设备 多、设备分散、环境杂乱等原因，往往不能及时发现告警或者不能判断告警 的来源，这会造成故障处理的延误，有时候甚至会引发重大通信事故。并且， 通信企业f 在入世，走向国际化的竞争环境，企业正在优化组合，纷纷裁员。 所以，智能化管理是通信机房建设的目标，目前许多运营商正在学习国 外的经营理念，即智能化管理，而且要做到通信机房无人值守。 针对这种现状，通信公司有必要开发一套机房告警监控系统，解决当前 通信机房面临的严峻问题，该系统应具有这样的功能： ( 1 ) 一点对多点。即一点告警，要将告警数据传到多点，利于维护人员 方便、及时发现，还能提高维护人员的工作效率。 ( 2 1 面向互联网。互联网的终端遍及各处，利于监控；与通信软件兼容， 可将许多信息放入该系统；利用互联网，不用重新布线。 f 3 1 可处理的告警点要多。 系统的成本要低。 f 5 1 告警数据的传输要可靠。 这样便能够及时的发现和定位设备机房特别是远程机房中所发生的告警 信号，加快对告警故障处理的反应速度，维护人员可以及时进行处理，避免 或减少通信事故的发生，从而在整体上提高维护质量和维护水平。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 1 2 国内外嵌入式系统的发展现状 近二十年来，从p c 机到局域网、广域网，再到全球互联网i n t e m e t ，p c 发展业己登峰造极，趋于成熟，如今己经占据了全球计算机工业9 0 的市场， 现正步入将p c 机成熟技术向嵌入式产品转化的后p c 时期【1 8 j 。 随着互联网的应用日益普及，信息共享的程度不断提高，通过互联网共 事以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备的信息，成为当今电子界的热 门话题p “。如今，传统的互联网应用正从p c 机转到以嵌入式设备为中心。 i a ( i n t e m e t a p p l i a n c e ) 概念现在甚为流行，这表明互联网应用进入嵌入式互联 网的时代己经来临。据网络专家预测，将来在互联网上传输的信息中，有7 0 来自小型嵌入式系统。所以在i t 行业今后的发展中，嵌入式系统有很大的市 场，并且是寻找经济增长点的主要突破口。 在工业领域主要通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线协议将各个嵌入式设备 连接起来，与i m e m e t 是隔绝的，虽然在某些领域像公话终端也提供了上网 功能，但由于种种原因还没大量投放市场。目前大多数嵌入式系统还处于独 立应用的阶段，要想利用这些嵌入式设备本身现有的资源将它们连入i n t e m e t 是国内外研究和应用的热点，这也就是嵌入式i n t e m e t 前景非常可观的原因。 国外许多大公司包括e m w a r e ，m i c r o c h i p ，p h i l i o 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 m e t 联盟( e t i ) ”，来专门讨论和制定嵌入 式i n t e m e t 领域的标准和开发相关的技术，共同推动这一市场。 目前，嵌入式系统己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。市场上的家电几乎都有嵌入式设备； 美国o p t 0 2 2 公司采用嵌入式i n t e m e t 技术研制开发了“以太网i 0 系统” s n a pi 0 系统【l9 j ，成功用于监控系统、工业控制过程等；我国也成功 研制开发了一些监控系统【4 j 。 但是市场上的监控系统的产品价格太高，而且不太适合我们的需求。在 通信行业，机房告警监控系统的产品很少，将嵌入式系统应用到机房告警监 控系统中的产品还没有，本系统的开发，市场很大，有望在通信系统内、甚 至在全国推广。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 1 3 课题的目的和意义 从技术研究、可行性、性价比等各个方面考虑，用嵌入式技术开发本系 统是明智的，本课题的目的和意义如下： ( 1 ) 在国内，通信机房告警监控系统的产品比较少，很多通信运营商都 面临机房无法智能化管理，都需要一套告警系统。本系统的丌发，有望在通 信系统内进行推广。 ( 2 ) 将嵌入式技术应用在通信机房告警监控系统中，目前还是个空白， 本课题的研究为机房的智能化管理的实现奠定基础，对企业的发展有着重要 的意义。 ( 3 ) 为通信机房设计一个新式的告警监控系统，它不但可以监控机房的 许多种通信设备，还可以在互联网上进行查询，克服了以往监控系统所针对 设备的单一性，同时也克服了对监控人员必须在现场的要求。 ( 4 ) 本课题可以做为设备网管的一部分，因为新代的通信设备的网管 的软件系统都是面向t c p i p 协议的，如i p a s 的n e t m a n2 0 2 0 系统、3 g 的网 管等，都是在i e 的界面下操作的，而本课题也是在互联网的环境下进行查询 的，所以本系统可以放到互联网上，成为网管的一部分，如将其放到网管的 告警系统里。 ( 5 ) 本课题采用精简的t c p i p 协议，即自行开发的精简的t c p i p 协议， 那么在系统升级时，就有很大的优势：只升级软件即可，不须再开发相应的 硬件系统，节省了升级成本。 ( 6 ) 采用嵌入式系统，一般都用嵌入式c p u 和相应的开发软件，这样的 开发成本高：而本课题采用的是精简t c p i p 协议的设计，使成本和开发难 度都大大降低。所以从应用和经济角度看，本课题有很大的应用市场。 总之，本系统的目标是数据传输稳定、可靠性高、使用灵活性强、成本 低、性能高、使用i n t e m e t 来实现管理，完全具备实际使用价值。适用于通 信机房告警监控；也适用于将红处监控、视频监控等系统并入该系统，从而 节省成本、方便管理；还适用于为数目多、分布散、靠当地供电的基站提供 电源或其它的告警；此外还可以根据需要，构造自己的网络服务器，在i n t e m e t 上开发相应的应用管理软件，应用前景非常可观。 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 1 4 主要任务及内容安排 首先要掌握嵌入式t c p i p 技术、单片机的应用技术及相应的编程技术， 其次是整体的设计与实现。在此过程中的乇要任务是： ( 1 ) 了解i n t e m e t 技术、精简t c p i p 技术、采集技术及数据传输技术。 ( 2 ) 完成从数据采集、汇集、网络通信各部分的硬件电路设计。 ( 3 ) 各模块的软件设计，包括芯片的驱动，相应功能的编程实现。 ( 4 ) 以太网卡r t l 8 0 1 9 a s 的设计与驱动。 ( 5 ) 精简t c p i p 协议栈的实现。 本文内容的安排如下： 第l 章为绪论，本章指出课题的目的和意义，也就是为通信机房所设计 的告警系统，从技术到应用都具有很好的前景，并对国内外嵌入式系统的研 究现状及应用给予介绍，最后是本文的主要任务。 第2 章对嵌入式系统和嵌入式i n t e m e t 技术这两个概念及特点做了论述， 同时也讲述了嵌入式系统的发展阶段及连入i n t e m e t 的各个方案的比较，还 有精简t c p i p 协议栈的原理。 第3 章首先介绍了开放系统互连参考模型o s l 的七层框架模型和t c p i p 网络模型的四层结构，接下来是i n t e m e t 协议，讲述的是在后面精简t c p i p 所用到的协议：以太网协议、i e e e8 0 2 协议、i p 协议、a r p 协议、i c m p 协 议、t c p 协议、u d p 协议。 第4 章为系统硬件设计，主要包括三个模块，即数据采集模块、汇集模 块和网络通信模块。数据采集模块完成告警信号的采集，汇集模块能够完成 多路告警数据的汇集和识别，网络通信模块完成将采集到的数据送到i n t e m e t 土二。 第5 章为数据采集模块和汇集模块的软件设计，主要任务是完成数据采 集部分的软件设计，其中包括数据采集器和汇集器中微控器的初始化和完成 其相应功能的程序。 第6 章为网络通信模块的软件设计，重点是网络控制器r t l 8 0 1 9 a s 的 驱动和嵌入式精简t c p i p 协议栈的的实现。 最后为全文总结。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 嵌入式系统 第2 章嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统的概念及特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ：依据英国电机工程师协会的定义，嵌 入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工，一运作的装置。 嵌入式系统是指嵌入到各种产品或工程应用中的以微控制器或微处理器 为核心的软硬件系统。软件部分包括指令系统、实时任务控制系统和一些基 于芯片的应用软件；硬件部分包括电路板的设计、电子元器件的集成等。 其实嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁 减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统j 。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以 及用户应用软件等部分组成。用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功 能，通常嵌入在主要设备中运行。 嵌入式系统是一种软体与硬体的综合体，监且特别强调“量身定做”的 原则，也就是基於某一种特殊用途，我们就会针对这项用途开发出截然不同 的一项系统出来，也就是所谓的客制化。对于嵌入式系统的特点表现在口j ： ( 1 ) 体积小，在智能设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产 品的体积、成本等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部， 并且要求所占用的空间尽可能的小。 f 2 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的，其发展离不开应用，应用的共 同要求是系统资源开销小，要求开发周期短，性能优越，良好的性价比是在 市场上取得优势的关键。这也是嵌入式系统设计的目标之一。 ( 3 ) 存储容量小。嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以r o m ，f l a s h 存储器作为存储介质，由于f l a s h 存储器的价格一般比较贵，并且嵌入式 哈尔滨工程大学硕士学能论文 应用要求其体积尽可能小。故其容量一。般不能很大。另外，慢速的硬盘设备 小能满足一些实时嵌入式应用的要求。 ( 4 ) 实时性比较强。嵌入式系统，一般作为应用的关键部分，时间特性 要求非常严格。在一些应用系统中，超过了一定的时限，即使得出了所需的 结果，但效果和没有得出结果是一样的，对应用系统没有作用甚至是有害的。 ( 5 ) 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。它是一个精简 的系统，不需要系统特别大、功能特别全，只要求有能完成特定功能所需的 基本部分即可。软件除操作系统外，还需要应用软件；硬件需要微处理器、 微控制器、d s p 等构成嵌入式系统硬件的基础。 ( 6 ) 嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统。它是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具 体应用相结合后的产物。 2 1 2 嵌入式系统发展过程 嵌入式系统的出现至今己经有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，嵌入式技术己成为一个研究热点。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式的系统，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于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 ，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，但是己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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 i ， 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 m e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m 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、工业控制技术结合同益密切，嵌入式设备与 i n t e m e t 的结合将代表嵌入式系统的未来【4 】。 2 2 嵌入式in t e r n e t 技术 2 2 1 嵌入式in t e r n e t 的概念 嵌入式i m e m e t ( e m b e d d e di n t e m e t ) 起源于把嵌入式系统与i n t e m e t 结合起 来的这种想法。嵌入式i n t e m 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 m e t 为介质实现信息交互的技术。在嵌入式系统应用领域， 以i n t e r n e t 技术为基础，使嵌入式系统与i n t e r n e t 相互连接，实现嵌入式系统 与i n t e m e t 之间的资源共享、信息通信和状态控制等功能【5 | 。 随着越来越多的嵌入式系统需要接入i n t e m e t 以进行全球性的信息通信， 嵌入式系统的i n t e r n e t 接入面临两方面的问题：首先是大多数的嵌入式系统 网络为了减少系统资源的消耗，在实现时都采用特定的网络协议，导致网络 协议的特殊化；另外，用户与嵌入式系统网络之间的交互非常困难。 嵌入式i n t e m e t 在嵌入式系统应用领域的革命性举措是它有效地解决了 嵌入式系统不统一的网络协议标准和人机接口的矛盾。可以预言，嵌入式设 备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。随着i p v 6 的 应用，设备都可能获得一个全球唯一的i p 地址，通过i p 地址和互联网相连 成为一个网络设备。但是传统的t c p i p 协议在实现实时性方面做得不够好， 它把大量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控制上，而在实 时性要求比较高的嵌入式领域中，传统的t c p i p 协议不能满足其实时要求。 另外，传统t c p i p 的实现过于复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式应用 的系统资源往往都很有限。因此，需要把传统t c p i p 在不违背协议标准的 前提下加以改进实现，使其实时性得到提高，占用的存储空间尽可能少，以 满足嵌入式应用的要求。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 2 单片机系统连接in t e r n e t 的方案 单片机系统实现连接i m e m e t 方案的技术难点在于：如何利用单片机系 统自身的资源对信息数据进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在i n t e m e t 上 传输的i p 数据包。从解决这一技术问题出发，目前出现了以下几种方案： ( 1 ) e m i t 技术”j ：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 o l o g y ) 是 由美国e m w 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 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 ，上面支持t c p i p 协议并运行h t t 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 m g a t e w a y 通过r s 一2 3 2 、红 外、射频等总线与多个嵌入式设各相连接，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。该任务负责监测设备中预先定义的 各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时它还可以解释e m 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，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。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。 ( 2 1 采用w e b c h i p 芯片实现单片机系统网络化【8 j ：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 m 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制器 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 m e m e t 的网络，还必须有一个支持复杂i m e m e t t c p i p 的协议并能提供h t t p 服务的类似于e m 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 m m 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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一小部分功能，距离用单片机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：它是 能的芯片，通过标准的输入输出接口 个独立于各种微控制器的具有上网功 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 m 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 公司开发的$ 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【7 j 。 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，系统软件升级难度较小，周 期也较短。但是由于加入协议栈：占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。 ( 4 ) 采用支持i n t e m 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， 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v x w o r k s 、r t l i n u x 等【9 - l 们，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。由于操作系 统自身的要求大都采用高档的3 2 位处理器，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。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8 位或1 6 位高性能的微处理器十精简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 m e t 连接的功能，这样的方案 的优点是廉价，便于广泛应用【“。12 。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 空间上的限制，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 9 哈尔滨t 程大学硕l 学位论文 长，以及半导体技术和系统设计方法的进步，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6 1 。 在综合考虑了以上的方案后，本课题采用最后一种方案：通过增加嵌入 式t c p i p 协议栈实现嵌入式i n t e r a c t 的方案。 2 3 嵌入式t c p ip 协议栈 2 3 1 嵌入式t o p i p 协议栈的概念及特点 嵌入式t c p i p 协议即是从以满足嵌入式系统的实际需求为目这一指导 思想出发，建立在嵌入式i n t e m e t 理论的基础上，通过对庞大、功能齐全的 t c p i p 协议的仔细研究，对标准的t c p i p 协议进行了一定的取舍，从而制 定出了一套简单的、适用于嵌入式系统的并且能完成相应网络功能的协议， 称为嵌入式t c p i p 协议【3 “。 由单片机系统、嵌入式网络的应用环境决定了嵌入式t c p i p 协议栈通 常应用于特殊的、专用的领域，不可能像标准的t c p i p 协议栈一样提供完 整的协议体系，往往是根据具体的应用提供不同的协议模块【1 3 】。因此，嵌入 式t c p i p 协议栈区别于标准的t c p i p 协议的最突出的特点就是： ( 1 ) 很好的可裁剪性。由于嵌入式应用的要求千差万别，各种嵌入式应 用对系统的要求不尽相同，并且在嵌入式应用中对产品的成本、价格比较敏 感，存储器的容量往往都是比较有限的，因此必须根据嵌入式网络产品的具 体功能，对完整的t c p i p 协议栈功能进行裁剪，特别是对应用协议提供可 裁剪性，以满足用户的需求。 ( 2 ) 很强的可移植性。由嵌入式应用的多样性决定了嵌入式应用平台也 是变化多端的。因此，在开发网络协议栈软件的过程中，保证软件的可移植 性是非常重要的。这样，在对嵌入式产品进行软、硬件升级的过程中除了与 硬件直接相关的部分代码需要重新编写外，不必再对上层协议进行大的修改。 ( 3 ) 代码精简。嵌入式t c p i p 协议栈是标准t c p i p 协议栈的子集，只 需要实现基本的、必要的功能，使生成的二进制代码尽量精简，这对嵌入式 网络产品降低开发难度、提高系统处理能力、节省有限的r o m 和r a m 空 问足有着重要的意义的。 哈自；滨t 程大学硕十学位论文 2 3 2 嵌入式t c p i p 协议栈的实现方案 嵌入式系统与t c p i p 网络的互联，这一技术在许多领域得以广泛的应 用。但由于网络协议的复杂性与嵌入式系统的m c u 相对简单之间的矛盾， 极大的制约了嵌入式系统实现网络化的进程。要解决这对矛盾可以从两方面 进行考虑，一是应用更高性能的m c u ，或者简化t c p i p 协议族。考虑现有 芯片水平和价格，系统m c u 的性能提高的受制因素比较明显，那么解决矛 盾的重点就应放在对t c p d p 协议的研究上。传统的t c p i p 协议是以p c 机、 服务器为平台，协议复杂，功能强大，没有实时的概念，这种情况不能满足 嵌入式系统的要求，嵌入式系统要求应用简单，以满足应用为目的1 3 。 如何实现嵌入式t c p i p 协议? 可以从两个方面来加以考虑1 35 j ： 第，协议的适当选择。对各种不同的可用协议和应用进行仔细评估， 以决定哪些需要、哪些可以省略。通过选择合适的协议，可以大大降低对 m c u 硬件资源的需求，而不会对系统的功能造成影响。例如，如果对可靠 性的要求不高，可以只选择使用u d p 协议，避免采用t c p 协议那样的复杂 程序，也就不必承担t c p 协议所带来的时间和空间上的沉重负担，可以选择 数据存储器和程序存储器更小的m c u 芯片。如果对可靠性有一定的要求， 还可以通过在应用层增加提高u d p 可靠性的代码，来更正u d p 的“不可靠”。 第二，协议实现适当的简化。对于已经选择使用的协议，在实现时也可 以进行简化，去掉在应用系统中不需要的选项，保留协议中必须具备的部分。 要求嵌入式联网设备越小、越经济，则将协议精简到只保留基本部分的任务 就越艰巨。例如，可以考虑完全放弃对拆分功能的支持，因为实现拆分和重 组将浪费m c u 宝贵的程序空间和执行时间。在t c p i p 协议中，大多数协议 都可以进行一定程度的简化。 2 4 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的概念及其特点，在嵌入式系统的发展过程中， 嵌入式i n t e m e t 已成为当今嵌入式系统发展的主流，本论文正是从这一角度 出发的，同时介绍了嵌入式t c p i p 的概念及其如何去实现。 哈尔滨f ：程大学硕上学位论文 第3 章t c p i p 协议 本章主要讲述有关于本论文的一些协议，这些协议也是互联网的基础， 在本系统中，设计精简t c p i p 协议是很熏要的一部分，所以先从这些协议 入手，掌握协议的基本功能，然后再抽出能为本设计服务的那一部分内容。 3 1 开放系统互连参考模型0 sl 国际标准化组织i s o 于1 9 7 9 年公布了开放系统互连参考模型o s l ( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 。这一标准定义了网络互连的七层框架模型，并在此 框架下进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性、 互操作性和应用的可移植性 1 4 - 1 6 】。 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：此层负责在物理连接上数据的，它会按照传 输介质的电气及机械选特性的不同而有不同的格式。传输的单位是比特，它 涉及通信方式( 单工、半双工、全双工) 。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：此层的功能是建立、维持和释放网络 实体之间的数据链路。这种数据链路应该是一条无差错的信道，并且要把数 据封装成帧( f r a m e ) ，各帧按顺序传输。为了保证传输的正确性，要进行应答、 差错控制、流量控制及顺序控制。 ( 3 ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) ：此层是通信子网中的最高层。它把上层传来 的数据转换成报文分组，在通信予网的节点之间交换传输，并且负责由一个 节点到另一个节点的路径选择。 f 4 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：传输层负责两点之间的连接，建立一条无差 错的点到点通信信道，管理数据传输服务，它使用多路复用或分流的方式优 化网络的传输性能。当传输层出现故障时，它还能对故障进行恢复。 ( 5 ) 会话层( s e s s i o nl a y e r ) ：会话层又称会晤层。会话就是两个用户之间 建立的一次链接，会话层能把会话地址转换成对应的传输站地址。会话层对 会话连接进行管理，如会话连接的恢复和释放，会话的同步和活动的管理等。 ( 6 ) 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ：它的作用是处理有关被传输数据的表示 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 问题。为提高系统之间的通信效率要对数据进行压缩号恢复，为提供保密通 信，它要对数据进行加密与解密。实际终端之问可能存在某些方面的差异， 这些都要通过表示层来转换。 ( 7 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：应用层又称用户层，它是o s i 参考模型的 最高层。它负责两个应用进程之间的通信，为网络和用户之间的通信提供专 用的程序，为用户提供各种服务，是直接面向用户的。 3 2t c p i p n 络模型 因为t c p f i p 是国防部( d o d ) 开发的，所以t c p i p 网络模型也称为d o d 模型。该模型分为四层t t s - t 7 1 ： ( 1 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：应用层位于传输层之上，提供了许多通用 的应用程序协议。 t e l n e t 提供远程登录服务，允许用户登录到远程机器上工作。 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输协议，提供异型系统之间的传输。 h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 超文本传输协议，用于万维网。 s m t p ( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 简单邮件传输协议。 d n s ( d o m a i n n a m es e r v i c e ) 域名服务，用于把主机名映射到i p 地址。 ( 2 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：传输层位于网络层之上，它的功能是使源端 和耳的端主机上的对等实体可以进行会话，为互联网络提供流量控制、错误 检测和数据确认。这里定义了两个端到端的协议：一个是传输控制协议t c p ， 它是一个面向连接的协议，提供基于连接的、可靠的字节流传输服务。允许 从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。t c p 还要处理 流量控制，以避免快速发送端向低速的接收端发送过多报文而使收端无法处 理。另一个协议是用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，它是一个 不可靠的、无连接的协议，提供数据报服务，它没有t c p 的排序和流量控制 功能，排序和流量控制由享受其服务的应用程序来完成。 ( 3 ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) ：网络层是整个t c p f i p 体系结构的关键部分， 对应于o s i 的网络层。负责进行硬件的逻辑寻址和路由选择，使主机可以把 分组发往任何网络，并使分组独立地传向目标，这些分组到达的顺序和发送 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的顺序可能不同。因此，高层必须对分组排序。该层包含的主要协议有： i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网间协议，它有一个寻址方案以识别网络上的主 机，i p 包含在路由功能中，为传输层提供网际传输服务。 i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 网间控制报文协议，它负责 通过i p 报头在网络中发送报文。 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 地址解析协议，它动态地将i p 地址 转换成物理地址( 即硬件接口卡地址，如网卡地址) 。 ( 4 ) 链路层( l i n kl a y e r ) 链路层位于t c p i p 网络模型的最下层，它提供 了与物理层的接口，负责对数据进行格式化，以便在网络和计算机之间进行 数据的传输与错误检查。该层包含的网络类烈信息有：以太网f 协议标准为 i e e e 8 0 2 3 ) 、f d d i ( 光纤分布数据接口) 、x 2 5 ( 公用数据网p d n ) 、快速以太 网( 1 0 0 b a s e t 为代表1 、a r p a n e t 网、帧中继、s n a 等。图3 1 为o s i 模型 与d o d 模型的结构对照： d o d 模型t c p h p 协议 困 困 曰 卫 卫 j 互叵亘亟田 卫 固 二二 巫 图3 1o s i 模型与d o d 模型的结构对照 虽然d o d 模型与o s i 模型各有自己的结构，但是大体上两者仍能互相 对照。o s i 模型从学习的角度来看，是一个优良的范本，在解释互联网络通 信机制上比较适合，在整个网络界有着不可忽视的地位。与o s l 模型不同， t c p i p 模型更重于互联设备