（计算机应用技术专业论文）嵌入式Internet应用于信息家电的研究与实现(1).pdf

摘要 随着i n t e r n e t 的普及，i n t e r n e t 的应用已经深入到人们生活中的各个 角落，接入i n t e r n e t 的主体也开始发生变化，除已经普遍接入i n t e r n e t 的 通用计算机以外，大量的嵌入式设备也开始尝试接入i n t e r n e t 。使嵌入式 设备接入i n t e r n e t 的技术被称为嵌入式i n t e r n e t ，其目的就是要解决如何 使设备上网。近几年，嵌入式i n t e r n e t 技术的研究已引起学术界的高度重 视，成为信息科学界的热点研究课题。 普通m c u 由于价格低廉、体积小巧在家电行业中被普遍使用，如果 在它上面实现嵌入式i n t e r n e t 技术，这将现实地推动家电网络化、信息化 进程。但由于普通m c u 尤其是8 b i t 1 6 b i tm c u 在速度和容量上的局限性， 在家电设备上实现i n t e i n e t 有一定的困难。传统的解决嵌入式设备上网 的方法称作e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tt e c h n o l o g y ) ，其基本思想是采 用一个通用设备( 如p c ) 作为嵌入式网关，该网关上运行t c p i p 协议及 服务程序，用户通过嵌入式网关间接访问设备。该方法具有系统总成本 高、设备独立性差等缺陷而不适合家电环境。本文从信息家电的具体实 际出发，对嵌入式i n t e r n e t 应用进行了研究，作者主要做了以下几个方面 的工作： 评述了嵌入式系统的理论基础及其发展趋势。阐述了信息家屯的发 展现状和前景以及其面临的挑战。 论述了嵌入式i n t e r n e t 的实现方法，作者首先剖析了传统的 e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tt e c h n o l o g y ) 实现方法并指出其应用于 信息家电的不足之处。进而提出一种改进的实现方法 e m w c ( e m b e d d e d m i c r ow e bc o n t r o l l e r ) 。 在上述基础上进行一个具体的网络家电微控制器模型规划设计，并 从硬件设计、焊接到软件编写、调试对其予以实现。 对应用模型进行反复试验及结果分析并指出今后的努力方向。 本论文在研究t c p i p 协议裁减、项目规划及程序编写方匿所做的工 作尤为突出。论文的研究意义在于它对嵌入式i n t e r n e t 的应用研究和实 现进行了较深入的探索以及为工程实践提供有意义的参考价值。 关键字：嵌入式i n t e r n e t 信息家电嵌入式协议栈 l a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ei n t e m e tt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fi n t e r n e th a s a l s ob e e ni np e o p l e s d a i l yl i f ed e e p l y t h ep a r t i c i p a n t t oa c c e s st h ei n t e m e th a sa l s ob e e n c h a n g e da c c o r d i n g l y w i t h t h e e x c e p t i o n o fc o m m o nc o m p u t e rt h a th a v e a l r e a d y c o n n e c t e di n t oi n t e r n e t ，ag r e a td e a lo fe l e c t r i ci n s t r u m e n t sb e g a nt oa c c e s si n t e r a c t t h e t e c h n o l o g yw h i c he n a b l ead e v i c ec o n n e c t i n gi n t oi n t e r n e ti sc a l l e de m b e d d e di n t e r n e t t e c h n o l o g y , t h eg o a lo ft h et e c h n o l o g yi t s e l fi s t os o l v et h ep r o b l e mt h a th o wc a l la d e v i c eh a v et h ea b i l i t yt oa c c e s so rt ob ea c c e s s e di ni n t e r a c tn e t w o r k r e c e n t l y , t h es t u d y o ne m b e d d e di n t e r n e th a sa r i s e nc l o s ef o c u so fa c a d e m e ；i th a sb e e nan e ws t u d y i n g h o t s p o t i ni n f o r m a t i o ns c i e n c ea r e a m a n yc o m m o nm c u h a v eb e e nw i d e l yu s e di nh o m ea p p l i a n c eb yr e a s o no ft h e i r i n h e r e n tc h a r a c t e r , s u c ha s ：l o wp r i c e ，s m a l ls i z ea n de t c i tw i l ld r a s t i c a l l yp r o m o t et h e p r o c e s so fh o m ea p p l i a n c e sa c c e s s i n gi n t e r n e ti fe m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yc a nb e s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e do ni t h o w e v e r , i ti st h es i g n i f i c a n tk e y t h a th o wt oo v e rc o m e t h ea c t u a ld i f f i c u l ts i n c ea l lm c uh a v et h e i rr e s t r i c t i o ni ns t o r a g em e m o r ya n dp e r f o r m s p e e d s oi t h a sb e e no n eo ft h em a i no b s t a c l e sf o ral o n gt i m ei nt h ew a yt ol e a dt h e h o m ea p p l i a n c ei n t oi n t e r n e tn e t w o r k t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o nt h a tc a l l e de m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tt e c h n o l o g y ) f o rt h i s i s s u ei st o a d o p tap ca st r a n s i t i o n a l g a t e w a y t h eb a s i ci m p l e m e n ti d e ai s ：t c p i pa n ds e r v e rp r o g r a m r u no nt h eg a t e w a y , c l i e n tu s e ra c c e s st h ei n t e r n e t t 1 1 r o u g ht h eg a t e w a y t h em e t h o d h a si t si n h e r e n td e f e c tf o r t h e i rh i g ha d d i t i o n a lc o s ta n dh a r dt om a n i p u l a t ew h e nu s e di nh o m ea p p l i a n c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ee m b e d d e di n t e r a c t si m p l e m e n ti nh o m ea p p l i a n c eh a sb e e ns t u d i e d b a s e do nt h ea c t u a lf a c t s t h em a i nw o r ki nt h et h e s i si sa sf o l l o w i n g ： t h et h e o r e t i cf o u n d a t i o na n dt r e n do fe m b e d d e ds y s t e mh a sb e e ns u m m a r i z e d t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t f o r e g r o u n do ft h ei n f o r m a t i o n a p p l i a n c e h a sb e e nd i s c u s s e d t h ei m p l e m e n tm e t h o do fe m b e d d e di m e r n c th a sb e e ns t u d i e d a tf i r s t t h e a u t h o ra n a l y z e dt h et r a d i t i o n a le m i ta n dp o i n t e do u ti t sd e f e c ti nh o m e a p p l i a n c e ，a n d t h e nas e wm e t h o dn a m e d e m w c ( e m b e d d e d m i c r ow e bc o n t r o l l e r ) w a sp u tf o r w a r dt o s o l v et h ep r o b l e mb a s e do nt h ee m b e d d e d s y s t e mt h e o r y a p r a c t i c a le m b e d d e dm i c r ow e b c o n t r o l l e rm o d e lh a sb e e nd e s i g n e db a s e do n t h ea b o v et h e o r y f r o mh a r d w a r ed e s i g n i n gt op r o g r a mc o d i n g , am i c r ow e bc o n t r o l l e r f o rs i m u l a t i n gh o m ea p p l i a n c ec o n d i t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n dt h e ni n t e r o e tn e t w o r k f u n c t i o nh a sb e e nf u l f i l l e do ni t a tt h ee n do ft h i sp a p e r , al o to fr e p e a t e de x p e r i m e n t sa n dt e s t sw e r ed o n et o p r o v e t h ee m w cm e a s u r e t h ea u t h o ra l s o p o i n t e do u t t h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n gs t u d y i n g sa r et h em a i no u t s t a n d i n gw o r k ：t h et c p i p c u t t i n g ，p r o j e c tp l a n n i n ga n dp r o g r a mw r i t i n g t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e rl i e so ni t s e x p l o r i n g o f h a v i n g l u c u b r a t e do nt h e a p p l i c a t i o n o fe m b e d d e di n t e r n e ta n di t s i m p l e m e n t i th a sg r e a tv a l u ef o r i th a sp r o v i d e da g o o dr e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o np r a c t i c e 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e di n t e r n e t ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，e m b e d d e dp r o t o c o ls t a c k 1 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 意识到本声甥的法律后果由本人承担。 名呷 日期：诈7 月f p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密酬 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：弦纬年j 一月，口日 日期： 僻j 月t o 日筑 撂 1 1 引言 第一章绪论 当前我们每个人都生活在一个满是嵌入式的世界里，在手表、电话、手机甚至 电饭锅等，都有嵌入式系统的影子。嵌入式系统小到一个芯片，大到一个标准的p c 板，种类繁多，让人目不暇接，按照计算机的体系结构，运算速度，使用领域等方 面可将其分为大型计算机、中型计算机、小型机和微型计算机。近年来随着微电子 技术的迅速发展，实际应用领域产生了很大的变化。微型计算机占据了全球计算机 工业9 0 的市场，各种各样的应用于工业设备，电子产品中专用的计算机大量涌现。 这些计算机隐藏在各种产品和系统中，嵌入式计算机由此而得名。 微控制器( m c u ) 已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，计算机芯片是嵌入 在有关的设备中的，没有自己独立的外壳，这些通称嵌入式系统( 桑楠，2 0 0 3 ) 。嵌 入式系统工业是专用计算机工业，其日的就是要把一切变得更简单、更方便、更普 遍、更适用；通用计算机的发展交为功能电脑，普遍进入社会，嵌入式计算机发展 的目标是让专用电脑实现“普遍化计算”，因此可以称嵌入式智能芯片是构成未来 世界的“数字基因”。沈绪榜院士预言，“未来十年将会产生针头大小i 具有超过 1 亿次运算能力的嵌入式智能芯片”，这将为我们提供无限的创造宝间。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，这种芯片称之为“片 上系统”s y s t e mo nac h i p ，简称为s o c ( 沈绪榜，2 0 0 1 ) 。s o c 的出现将改变并深刻 地影响传统的集成电路产业的现状，使设计和功能定义以及决策者远见变得更为重 要，这一点也证实了“在后工业时代的经济中，发明刨遣的价值超过批量生产，所 有垂直的东西突然变成水平”的经济学现象。 目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以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。在一些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，利用c a n 、r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 等总线将m c u 组阿。但这种网络的有 效半径比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立予i n t e r n e t 以外的。 i n t e r n e t 现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌 入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上 的任何一个地方。其次，随着网络的普及，i n t e r n e t 成为人类历史上最大的信息源。 i n t e r n e t 中的数据在以几何级数的速度增长，如何使嵌入式系统充分利用i n t e r n e t 中的资源的问题也开始成为人们关注的焦点。此外，许多本可以使用8 位或1 6 位的 设备，为了能够通过i n t e r n e t 通信而被迫采用3 2 位处理器，以便得到为管理t c p i p 嵌入式网络服务器所需的处理能力和存储器。为了普及嵌入式设备的i n t e r n e t 化， 必须设法增强8 位和1 6 位控制器的能力，使之可以通过网络来通信和控制。总之 有效解决嵌入式设备尤其是家电设备上网的任务已经追在眉睫。 1 2 研究背景 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难 在于：i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高， 而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量存在的是8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系统资源，要实现嵌入式设备上网具有一定的现实困 难。 国际上对智能嵌入式家庭网络的研究起于2 0 世纪7 0 年代，但是这些研究都是 在各国独立进行，主要集中在发达国家，如美国、日本及欧洲的德国、英国和法国， 并且具有不同的目标和市场战略机制，因而没有形成统一的标准。其中比较重要的有 下述几个系统：x l o 、c e b u s 、l o n w o r k s 、h b s 及e i b 等目前，嵌入式网络常用e m i t 技术实现，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 等轻量级总线与多个嵌入 式设备相连。 国内对智能嵌入式网络在家电设备上应用的研究还刚刚起步但已取得明显进 展，并且正在掀起一个又一个热潮。中国计算机学会( c h i n a c o m p 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，认为下一代网络设 备中嵌入式设备将大大增加，7 0 是嵌入式设备。这将极大地促进嵌入式i n t e r n e t 技术研究及相关行业的迅猛发展。 近年来，嵌入式i n t e r n e t 技术的研究已引起学术界的高度重视，成为信息科 学界的热点研究课题。目前，国内的许多科研单位和高等院校竟相开展嵌入式 i n t e r n e t 及信息家电的基础理论及其应用研究，这些单位包括清华大学、啥尔滨工 业大学、中科院计算技术研究所等，其他如台湾民生科技、富士康企业集团、世纪 经纬数据系统等i t 业公司的相关研究工作也如火如荼。 1 3 论文主要工作 鉴于实现家电网络化、信息化在人们生活中有着至观重要的现实意义，嵌入式 i n t e r n e t 技术就是解决如何使嵌入式设备有效快捷地将信息资源通过网络传送给 2 用户，这种技术有着十分广泛的应用领域、可观的应用前景和巨大的经济价值。本 文主要对如何实现在普通m c u 环境下实现嵌入式设备连接i n t e r n e t 进行了研究。通 过对嵌入式设备的具体特征及嵌入式i n t e r n e t 技术的整合，论文作者设计并实现了 一个用于家电设备的网络控制器原型系统。 论文首先研究了嵌入式系统及i n t e r n e t 的技术体系，随后论文讨论了目前流 行的信息家电的发展前景及面临挑战。对传统的嵌入式网络进行了深入研究分析指 出其不足之处，并提出了一种新的嵌入式设备连网实现方案，论文在最后设计一个 具体的嵌入式网络家电应用模型并在其上进行软硬件开发实现了网络功能。论文作 者在网络协议的剪裁和软件编写方面做了大量的工作和努力。 论文选题的背景来源于嵌入式设备信息化的现实需求，属于应用研究领域。选 题的意义一方面在于拓宽了i n t e r n e t 的技术的应用领域，将过去传统的通用计算机 网络应用推广至嵌入式环境下的网络应用研究；另一方面，借助嵌入式和智能家电 理论的合理融合，并运用目前比较成熟的i n t e r n e t 技术( 如t c p i p 协议、h t m l 理 论等) ，在应用于信息家电设备等方面做出了有益的尝试并提供有效的参考。 1 4 论文结构 本论文结构安排如下： 第一章绪论简述了论文中的研究对象，研究目的和所完成的工作等基本情况。 第二章概述了嵌入式系统的基本概念、基本理论及发展趋势；综述了信息家电 的特征及现状，展望了信息家电的发展前景和面临的挑战。 第三章在本章中评速了当前嵌入式i n t e r n e t 技术应用于家电设备的研究概况， 总结了家电信息化的实现方案，为进一步研究家电设备接入嵌入式网络 提供了理论基础。最后提出了一种新的实现家电设备按入嵌入式网络方 案并设计了一个嵌入式网络控制器模型。 第四章本章研究了嵌入式网络控制器的硬件架构并实现了硬件设计。为原型系 统的实现奠定了硬件基础。 第五章本章研究了并实现了嵌入式网络家电的软件系统设计。详细阐述了嵌入 式t c p i p 协议栈的设计思想及实现方法，论述了软件系统的数据结构、 数据流向。进一步讨论了缓冲区设计等技术细节。最后以几个重要的软 件模块为例分析了软件流程规划及代码实现。 第六章试验及总结，本章针对前面所提出的家电设备网络控制器加以实现，并 在其上进行了一系列的试验。试验结果表明采用论文提出的方案是可行 的，相比较之下，在成本和可实施性上比传统的方法要好。最后对论文 所做工作进行总结，并对下一步的工作进行了展望。 第二章嵌入式系统与信息家电及其研究现状评述 2 1 嵌入式系统的定义及其特点 嵌入式计算机系统的正式定义为；以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可裁剪，符合应用系统对功能、可靠性、体积、成本、功耗的严格要求的专用 计算机系统。( 何立民，2 0 0 1 ) 事实上，嵌入式计算机在数量上远远超过了各种通用计算机，p c 的各种输入 输出和外部设备均是由嵌入式处理器控制的。每台p c 的外部设备中包含了5 1 0 个 嵌入式微处理器，在工业流水线控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航天航空、 军事装备、消费类产品等领域更是嵌入式计算机的天下。现在，嵌入式系统带来的 工业年产值已经超过l 亿万美元。美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福特 出售的计算能力已超过1 b m ”，由此可以推测嵌入式计算机的应用规模。美国著 名未来学家尼葛洛旁帝1 9 9 9 年访华时预言：4 - 5 年以后，嵌入式智能产品将是继p c 和因特网之后的最伟大的发明。 - 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统( 王勇，2 0 0 1 ) 。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的 芯片设计和面向应用的软件产品开发。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应 用的。如果独立于应用自行发展，则会失去市场。与通用计算机不同，嵌入式系统 是针对具体应用的专用系统。一般具有成本敏感性，他的硬件和软件都得高效率地 设计，量体裁衣去除冗余。力争在同样的硅片面积上实现更多高的性能。好的嵌入 式系统是完成目标功能的最小系统，这样的产品才更县有竞争力。嵌入式处理器的 功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求 的制约。嵌入式系统一般要求高可靠性。在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求 系统仍然能够正常工作。许多嵌入式应用要求实时功能，这就要求嵌入式系统( e o s ) 具有实时处理能力。嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的舞级换代也是 和具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周 期。 嵌入式系统软件是嵌入式系统功能实现的关键，嵌入式系统软件的要求与通用 计算机相比有其独特性( j e r e m yb e n t h a m ，2 0 0 3 ) ： - 软件要求固化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件 一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存储在磁盘等载体中。 一软件代码高质量和高可靠性。尽管半导体技术的发展，使处理器速度不断提 高，芯片上的存储容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵 二4 的，还有实时性的要求。为此，要求程序编写和编译工具的质量要高，以减 少程序二进制代码的长度，提高执行速度。 _ 许多应用要求系统软件( o s ) 具有实时处理能力。在多任务嵌入式系统中， 对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执 行的关键。多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业标准化道路的 基础。 2 2 嵌入式系统的发展趋势 通过分析各种文献报导，不难看出嵌入式系统发展趋势如下： 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网 的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服 务于嵌入式产品的内容。 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 将成趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同 时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时 常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产品将 借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将 增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝芽等相关技术会与嵌入式软件相互 促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为 用户服务。 嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。嵌入式系统中的重要角色包括 嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的 发展，才能满足丰富多彩的应用要求。 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准问题也将日渐突出，如 何建立相关标准成为业界关注的问题( 钟锡昌，2 0 0 2 ) 。 2 3 信息家电及其发展现状 信息家电( i a - - i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e ) 最初的提出是在1 9 9 8 年1 1 月2 8 日， 全球著名的软件企业微软公司在中国宣布其基于嵌入式系统的维纳斯计划 ( b i l l ，1 9 9 8 ) 。正是这个计划，在后来不到一个月的时间内在业界引起了轩然大波。 信息家电指的是将微型电脑和通讯技术融入到传统的家用电器中，使之智能化并具 有网络终端的功能。可以随时随地的获取与处理信息，信息家电的重要特征是可以 通过互联网双向传递数字信息，因此它是网络上的家电，而不是p c 的外设。i a 具 5 有一定的智能，并应支持某种统一的、标准的通常协议，能够互相识别。也有报告 将信息家电定义为“廉价易用且基于电脑技术的、上有少量简单互连功能的装置”。 一般可认为，那些低单价、操作简单、可通过因特网发送或获取信息，将逐步分割 或替代p c 的某些功能，并能与其它信息产品交换资料或信息的产品可统称为i a 。 信息家电将带来两方面的好处，一是使用者可通过手机或p c 机上的w e b 浏览器对家 电进行远程控制，二是家电制造商可通过i n t e r n e t 对售出的产品进行监控。 如图2 一l 所示的信息家电网络，在你离开家时家庭的各种防盗和安全监测系统 立刻起作用，一旦有紧急情况将自动呼叫主人或向物业管理中心报警：你在离开办公 室前通过电话或计算机启动空调和热水器：通过网页访问家里的冰箱，发现牛奶没有 了，立刻从网上订购；回到家，先按照预先制定的食谱对微波炉发出指令，煮上晚餐， 这一段时间内可以打开电视看看电视台根据你个人喜好发送的新闻：朋友聚会，他们 通过家庭保安系统的认证进入到你的家中，你们愉快地共享佳肴，随后将家庭数码摄 像机自动拍摄的欢快情景传输到各自的个人i p ，让更多的朋友分享；夜晚，当你起 床、步入另一间屋子，墙上的壁灯会自动为你照明等。 图2 1 信息家电网络 目前，具有代表性的信息家电产品有如下几种： 访问互联网的移动电话：新型多频手机内带有符合w a p ( 无线应用协议) 的微型 浏览器。w a p 是一种新的通信标准，通过使用它可使移动电话能够直接和i n t e r n e t 连接，把网页缩小到在移动电话的显示屏上进行显示，真正实现把互联网装进口袋 里。另外，它可以通过m o d e m 和红外线接口与电脑相互通信。此外还有带个人记事 本功能、基于j a v a 的双频手机，机内的数据可与p c 同步。微软公司推出了一种采 用w i r lc e 操作系统的移动电话原型。这种手机带一个彩色显示屏，还有一个可移动 6 光标的指点装置，可浏览任何用h t m l 语言编写的网页。它能以文字、电话、录制的 语音文件或传真四种方式回复电子邮件。 具有自学习与记忆功能的厨房家：1 9 9 9 年由英国推出的智能冰箱，通过条形码 扫描仪来对储存和消耗食品进行登记，同时一个1 3 ”的彩色显示屏可向主人显示食 品的保质期，还会提醒主人储存的牛奶等食品是否已快吃完，能将需要重新购买的 食品列成购物清单，以方便主人购买。还有在其门上嵌入触摸屏和计算机并连接到 互联网的网络冰箱。网络微波炉可以从网上下载烹调信息自动烹调菜肴，还可在做 饭过程中随时与朋友交流经验，记忆和改进烹调食谱。空调可以在主人回家前半小 时自动启动。装有电脑标签的衣服在放入洗衣机清洗时，标签能够告诉洗衣机应当 用那一档速度进行清洗。各种智能家电除可通过电话线与因特网相连，上网发送电 子邮件，也能用来进行电子购物。网络家电可以方便地从网站下载颓的程序、菜谱 和其它新的功能，或根据自己的爱好编制新的程序。“厨房电脑”( 李三，2 0 0 3 ) 正 在逐步形成。 机顶盒：机顶盒s t b ( s e tt o p b o x ) 是一种简化的没有硬盘的计算机，利用用户 的电视机作为显示设备，通过拨号连接互联网，进行网页浏览和电子邮件功能。同 时配备有红外无线键盘和遥控器，形成交互式电视系统，向用户提供集互联网接入， 交互式电视影像和声音、数字视频录像为一体的多媒体服务技术。因机顶盒使用 e p r o m 或f l a s h 这两种存储器来记忆数据，因此能实现电源关掉后保存数据，而且 可以反复擦写。机顶盒与p c 在结构上没有很大的区别，二者都是以微处理机c p u 为核心的应用系统。但机顶盒只需要完成上网、播放v c d 、玩光碟游戏这些特定的 功能。机顶盒的数据及电视节目通常可通过电话线、有线电视电缆( c a t v ) 、v c d d v d 播放机、直播卫星d b s ( d i r e c tb r o a d c a s ts a t e l l i t e ) 这4 种通遵来接收。低 价位型机顶盒可以奔腾2 6 6 e z 处理器、声卡、5 6 k b p sm o d e m 、u s b 接口、1 g b 硬盘 配置构成，它没有显示器、软驱及光驱，可用于文字处理、上网、收发电子邮件， 不带w i n d o w s 。新一代电视顶暨盒，则可是运行速度达1 7 5 m h zm i p s 的6 4 位处理器， 联网速度为5 6 k b p s ，支持最新的互联网技术标准。同时，高档s t b 将会促使p c 与 t v 相结合。 2 4 信息家电的前景及挑战 随着人们对生活要求水平的不断提高及信息技术的飞速发展，随之而来的是给 信息家电事业带来了前所未有的发展机遇。据计算枫与微电子发展研究中心市场信 息中心( c c i d - - m i c ) 分析和预测，到2 0 0 5 年我国有8 7 2 3 万人需要不通过计算机而 实现联网，嵌入式操作系统作为信息家电的核心，仅机顶盒一种产品的市场容量就 达2 0 0 0 万台，市场估值达到4 0 亿元。其它家电如v c d 、电冰箱、洗衣机、微波炉 7 等，如果都实现信息化，嵌入式操作系统每年将带来上百亿元的收入。机顶盒 ( s e t t o pb o x ) 是目前最接近家电的i a 产品，从增加电视遥控选台功能，到配备 m p e g 解压缩功能、数字加密功能，未来可能整合在数码电视中，很可能成为家庭信 息、娱乐中枢。目前，最有量产效益和时代特征的信息产品应是与i n t e r n e t 上有关 的信息家电( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) ，如w e b 可视电话、w e b 游戏机、w e bp d a 、 w a p 手机、s t b ( 机顶盒) 、d v d 播放机、电子阅读机等。国内有很多i a 的开发厂商正 加大投入、开发和研制新产品，特别是一些外资大公司积极和国内电器方面的大公 司合作推出很具竞争力的i a 产品。 和任何事物一样，当今信息家电在有美好机遇的同时也正面临严峻的挑战。随 着网络技术和通信技术的突飞猛进，人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越 来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出了更高的 要求。综合市场上对于i a 产品的认知条件与需求要素来看，最受青睐的i a 产品应 具下列4 点特性：( 1 ) 处理器发展趋向低成本、高整合性与低耗能。( 2 ) 整合数字 与模拟处理的技术。( 3 ) 较p c 更强调通讯能力。( 4 ) 利用软件增加产品的差异性( 高 附加价值的关键) 。此外，由于信息家电网络快速发展道路缺乏统一的规范，这直接 关系到用户的实际使用和安装，进而影响家电领域的发展。信息家电的实现也离不 开家电网络的发展，只有建立智能家电网络才能真正满足家庭自动化和信息化的要 求，有效地提高家庭的生活质量求。因此对信息家电网络的研究也具有十分重要的意 义。 2 5 小结 本章首先分析和评述了嵌入式系统的基本理论及信息家电的研究现状、发展趋 势，最后指出了信息家电面临的挑战，为对家电设备接入i n t e r n e t 的解决方案的研 究作好铺垫。 8 第三章家电设备接入i n t e r n e t 的解决方案研究 3 1 嵌入式in t e r n o t 技术的发展历程 i n t e r n e t 带来了一个新时代。回顾i n t e r n e t 的发展和应用历史，预测i n t e r n e t 的明天对i t 企业的战略设计的意义重大( 吕京建，2 0 0 1 ) 。第一阶段：1 9 8 0 年 一1 9 9 0 年i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。解决异种计算机的联网和信息交换，采用 t c p i p 协议交换文件和信息，主要解决专业领域如银行、军用系统采用不同操作系 统的大、中、小型计算机的联网问题，这时并不称之为i n t e r n e t ，t c p i p 网络仅是 少数计算机专家的概念，这是i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。第二阶段：1 9 9 0 年2 0 0 0 年，p c 作为客户机，i n t e r n e t 席卷全球。在t c p i p 协议网络之上发明的e m a i l 和 州普遍应用，i n t e r n e t 国际互联网被大众接受，这时一个重要的条件是p c 普及的 非常广泛，即形成了c 1 i e n t s e r v e r 体系结构( 客户机服务器) ，进而发展为 b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器服务器) ，这时的客户机是已广泛普及的p c ，而服务 器是相对复杂的，价格昂贵的超级计算机，即我们所谓的“胖服务器”。i n t e r n e t 的发展使i t 界的老牌公司也没有料想到会产生路由器的巨大需求，c i s c o 的成功在 于此。另一方面，w 啊的应用又造就了一大批以y a h o o 为代表的商业公司，以及电 子商务公司，这时候所有的人不得不承认i n t e r n e t 像一场革命改变了世界。第三 阶段：2 0 0 0 年- - 2 0 1 0 年嵌入式i n t e r n e t 时代将给地球披上“电子皮肤”，嵌入式 片上系统成为瘦服务器。预测i n t e r n e t 的未来，这是全世界科学家关心的问题，包 括美国贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 等一批科学家对此做出了预测：在这阶段 “将会产生比p c 时代多成百上千的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务 器将与我们这个世界上你能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 网自动、实时、方便、简捷地提供给需要这些信息的对象”。由此可见，如何设计 和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已成为嵌入式i n t e r n e t 时代的关键和核心技术( 余永权，2 0 0 1 ) 。嵌入式i n t e r n e t 技术的广泛应用将使我们 这个世界变得更加自动化、智能化和人性化。i a t e r n e t 的伟大之处就在于可以无 限地膨胀。数字化生存的作者尼古拉庞帝来中国讲演时，曾预言未来p c 的市 场份额将减少，可能会出现许多非常便宜的因特网接入设备，他建议的价格只有l 美元单片机或微控制器( m c u ) ，通称嵌入式系统，已经在家庭和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，以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。i n t e r n e t 现己成为社会重要的基础信息 设施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面， 9 则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。 3 2 嵌入式in t e r n e t 的应用前景 嵌入式i n t e r n e t 技术具有广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 智能公路：交通管理，车辆导航，流量控制、信息检测与汽车服务i _ 电子家政：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统： 虚拟现实：交通警察、门卫、家用机器人等： _ 信息家电：冰箱、空调等的网络化； _ 工业自动化：网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径； _ p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡、公共电话卡发行系统，自动 售货机。 3 3 传统的嵌入式ln t e r n e t 解决方案 众所周知，i n t e r n e t 的胖服务器、瘦客户机技术对于在i n t e r n e t 上存储和访 问大数据量是有用的，但是对于控制嵌入式器件来说有点不合规模，就好象用喷气 式客机来送小孩到学校一样。为了实现普遍的嵌入式设备i n t e r n e t 互连，传统的 i n t e r n e t 理论以及嵌入式设备的实践都必须被颠倒过来。要想将i n t e r n e t 上的t c p i p 通信协议移植到以8 位和1 6 位m c u 为核心的嵌入式系统上实现信息家电是比 较困难的，如果将现有嵌入式系统中的m c u ，都更换成3 2 使或6 4 位的高性能处理 器，从经济性和现实性上来说都不太可能。直到前不久，在大多数设备中增加 i n t e r n e t 网络接入能力还是很困难的。许多本可以使用8 位或1 6 位的设备，为了 能够通过i n t e r n e t 通信而被迫采用3 2 位处理器。以使得到为管理t c p i p 嵌入式网 络服务器所需的处理能力和存储器。为了普及嵌入式设备的i n t e r n e t 化，必须设 法增强8 位和1 6 位控制器的能力，使之可以通过网络来通信和控制。 传统的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 ) 技术从另一个 角度出发，对这个问题进行了有效的处理。e m i t 利