嵌入式系统原理

1、1 内容 1. 嵌入式网络 2. 几种常用的网络技术 3. 工业网络与现场总线 4. 嵌入式系统的联网 5. 嵌入式internet 6. 蓝牙技术 7. I2C总线 2 1概述 设计嵌入式网络的原因 计算/处理资源的分散性 减少处理的数据量 模块化设计需求 系统可靠性要求 网络技术的应用 物理层联网 通信技术 工业控制领域 internet应用 3 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 4 2 嵌入式网络 contents 1. 分布式嵌入式系统 2. 基于网络的设计过程 3. 几种常

2、用的网络技术简介 5 2.1.1 分布式嵌入式系统 分布式嵌入式系统的组成 6 2.1.2网络的抽象模型 7 2.1.3网络的形式 点对点网络 单工 半双工 双工 总线 多级网络 多种网络 8 点对点网络 需要考虑流量控制 不需要考虑冲突 例如：2台计算机通过RS232通信 9 总线 节点 节点节点 典型消息格式 例如：常用的以太网 10 多级网络 网络设备网络设备 网络设备网络设备 网 关 子网1 子网2 11 多种网络 高速网 低速网 工厂自动化网络与现场总线 12 13 2.1.4报文传递编程 通常的编程方式 1. 请求/应答方式 2. 推移方式 14 2.1.4报文传递编程-请求/应答

3、方式 发送报文 发送一个报文 result=send_packet(address，data，length); 报文尺寸大于发送单位-分拆分拆 for(i=0;imessage.length;i=i+PACKET_SIZE) send_packet(address， 15 利用中断方式发送报文 发送报文的方式 查询方式 中断方式 16 利用中断方式接收报文 中断控制器收到报文，产生中断 中断服务例程执行，读取报文 如果处理时间短，直接处理 如果处理时间长，把报文提交给中断任务进 行处理 17 通信编程的阻塞式与非阻塞式 小结 阻塞式 发送数据，直到完成发送，调用才返回 接收数据，直到收到数据后

4、，调用才返回 非阻塞式 发送数据，调用立即返回；以后在需要的时候查询 发送是否完成-发送的数据放到发送队列中 接收数据，无论是否收到数据，均立即返回。如果 收到数据，则进行处理；如果未收到数据，以后在 需要的时候继续执行接收操作-检查接收队列中是否 有报文 18 例：非阻塞方式 send_packet() /只把报文交给发送“过程/任务/队列” wait() /延时，等待发送完成 if(send_finished) /如果发送完成 Else /如果发送未完成 19 例:阻塞方式 send_packet() /函数返回时，报文已发送 20 2.1.4报文传递编程-推移方式 1. 数据的发送方在不

5、需要等待请求的情况 下主动发送数据。 2. 推移方式适用于数据发送方周期性地产 生数据的系统中， 如工厂中连续过程控制系统的传感器节点， 不断向控制主机发送数据； 广泛应用于汽车上的CAN总线网络系统； 现场总线网络的过程数据的通信机制等。 21 例：汽车网络系统-推移方式 22 2.2基于网络的嵌入式系统设计 contents 通信分析 系统性能分析考虑 网络中的优先级倒置 硬件平台设计、分配与调度 23 2.2.1通信分析 报文传输延迟算法 发送方的开销+网络传输延迟+接收方的开销 网络传输延迟起主要作用 24 2.2.2系统性能分析考虑-网络无干扰 执行延迟时间 21pxp tntt 2

6、5 2.2.2系统性能分析考虑-网络有干扰 1. 由于P1到P2的数据依赖，任何P1执行时间的 不确定将使得P2的开始时间不确定。 2. 由于P2和P3分配到同一个嵌入式设备M2上， 意味着P2的就绪时间和执行时间的变化将会 影响到P3的完成时间。 3. 由于P3到P4的数据依赖，P3完成时间的变化 将影响P4的开始时间。 26 2.2.2系统性能分析考虑-原则 1.对复杂的基于网络应用的嵌入式系统进行精确的性能分析， 要使用CAD工具。有些算法可以有效地确定进程开始和完成 时间的上界和下界。 2.如果没有计算机辅助分析工具来帮助分析性能，那么手工设 计必须满足硬实时要求的嵌入式系统时一定要小

7、心。系统在 力图达到硬实时的时间确定性要求时，应确保关键性的任务 是活动的，这一点非常重要。 3.例如：设计一个嵌入式硬实时系统，包括通信部分、数据处 理部分、人机界面部分，为了保证系统的时间确定性，通常 用户界面活动和其他非基本任务可以临时关掉。 4.如果需要多个关键性任务能够同时发生或运行，那么系统设 计时一定要保证它们不共享任何处理器资源和通信链接资源。 这是一种保守的设计策略，使用CAD工具有助于放宽某些限 制，以便更充分地发挥硬件效率。 27 2.2.3网络中的优先级倒置 1. 报文的优先级不同 1. 当一个低优先级报文在网络上传输时，网络的使用权 就被分配给该低优先级报文，允许它阻

8、塞任何高优先 级报文，直到把该报文传输完成为止。 2. 因为每个报文的长度都有限，这种现象不会导致死锁， 但是可能会延缓关键性的通信。 3. 对此唯一能做的就是分析网络的行为来确定优先级倒 置是否可能导致一些报文延迟时间过长。 2. 报文的优先级相同 1. 网络的用户（进程）的优先级不同，导致优先级倒置 28 1优先级不同的报文传输 高优先级报文低优先级报文 发送 当一个低优先级报文在网络上传输时，网络的使用权 就被分配给该低优先级报文，允许它阻塞任何高优 先级报文，直到把该报文传输完成为止。 29 2报文优先级相同，进程优先级不同 进程（高） 进程（低） 进程 发送报文 节点1 节点1 30

9、 优先级倒置的后果 网络的传输延迟不确定 系统设计需要考虑 31 2.2.4硬件平台设计、分配与调度 在设计硬件平台时，必须做出以下设计选择： 所需要的处理器数目-影响响应时间 FF总线（32节点 vs.10节点) 所有处理器的类型-现场总线控制系统 上位机 下位机 所需要的网络数目 单级 多级 网络的类型 协议 标准 传输速率 32 嵌入式网络系统的设计考虑 小结 嵌入式网络的概念、组成、分类和用途 网络的延迟分析考虑 基本设计原则-从延时方面考虑（优先级） 网络中的优先级倒置现象及后果 33 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网

10、 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 34 2.3几种常用的通信接口技术简介 PCI CompactPCICPCI PC104/plus IrDA/Fast IrDA USB Ethernet/fast ethernet IEEE1394 PCMCIA 其它 狭义的网络 分布于不同地理位置 的装置进行通信 广义的网络 分布于不同地理位置 的装置进行通信 分布于同一个电路板 的智能器件之间的通 信 35 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 工业网络与现场总线工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 36 工业过程控制系统的发展阶段 1 手动控

11、制系统-人工 2 气动控制和液压控制系统-减轻人的劳动强度 3 电气控制系统-初级自动化 4 计算机集中式控制系统-CCS 5 集散式控制系统-DCS 6 分布式控制系统-DCS 7 基于现场总线的分布式控制系统-FCS 37 工业自动化网络 工厂级 车间级 现场级 网关 网关 大型计算机-管理系统 大型控制装置、计算机 传感器、执行器、施动 器 38 4 工业网络与现场总线 现场总线概念 工业过程 变量读（数据采集）、计算（处理）、写 （控制） 工业自动化 连续过程控制 离散控制 混合控制系统 39 4 工业网络与现场总线 现场总线传输的信息的特点 实时性与时间确定性 协议的简单性 短帧信息

12、传送 信息交换的频繁性和网络负载的均衡性 要求网络有较高的安全性、容错能力 低成本要求 40 4 工业网络与现场总线 bitbus产品 标准的争论（集中式、总线仲裁器、令牌 总线） FF的推出-1997 标准的多样化 多样化的合理性 源于应用的多样性 厂家的利益之争 41 4 工业网络与现场总线 目前的标准化 类型1IEC技术报告（即FF H1） 类型2ControlNet（美国Rockwell公司支持） 类型3Profibus（德国西门子公司支持） 类型4P-Net（丹麦Process Data公司支持） 类型5FF HSE（即原FF H2，美国Fisher Rosemount 公司支持）

13、类型6Swiff Net（美国波音公司支持） 类型7WorldFIP（法国Alsthom公司支持） 类型8Interbus（德国Phoenix Contact公司支持） 其它 lonworks, TCN, CAN等 42 4 工业网络与现场总线 FF总线 用户应用 用户数据 FMS 总线报文规范 FAS 总线访问子层 DLL 数据链路层 物理层 现场总线 用户数据编码FMS协议控制 FAS协议控制FMS协议数据 DLL协议控制FAS协议数据帧校验 前导码帧前定界码DLL协议数据帧结束码 40到251 14到255 5到15 5到2562 1118至273 43 4 工业网络与现场总线 FF总线

14、的优点 FF仪表实现了模拟仪表到数字仪表的飞跃，具有高抗干 扰性； 可以节约大量的导线，从而降低成本； 可以在控制室进行现场仪表的调试和维护； 仪表的精度得到普遍提高，变送器类仪表的精度均能达 到0.1级以上； 可以方便地实现仪表的温度补偿、故障检测及保护等功 能； FF仪表可以装入PID等多种算法，直接构成控制回路； FF仪表具有互操作性，同一系统甚至是同一条总线上可 以使用多个厂家的FF仪表，不同厂家功能相同的FF仪表 还可以直接互换。 44 FF现场总线控制系统 45 4 工业网络与现场总线 HART HART是Highway Addressable Remote Transducer（

15、高速 可寻址的远程变送器）的简称，最早由Rosemount公司开 发，并得到八十多家著名仪表公司的支持。目前世界上 已有上百家公司宣布支持、使用这一协议，成立了 HART用户集团（Hart User Group），1993年成立了 HART通信基金会。HART，属于模拟系统向数字系统转 化的产品，它的最主要的特点是在420mA模拟信号的传 输线上传输数字信号，使模拟信号和数字信号共同使用 同一种传输介质，主要功能是方便了对现场设备的组态 和管理。 HART协议也分为三层结构，分别是物理层、数据链路 层和应用层。 46 Sample: HART产品 47 4 工业网络与现场总线 profibus

16、 48 profibus体系结构 49 profibus的MAC机制 50 4 工业网络与现场总线 CAN CAN是控制局域网络（Control Area Network）的简称， 最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行 部件之间的通信。随着CAN技术的发展，现在的应用已 经不局限于汽车行业，而且面向过程工业方向发展，如 机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、 医疗器械及传感器等领域。 1991年9月，Philips Semiconductors制订并发布了CAN技 术规范（2.0版本）。该技术规范包括A、B两部分，其中 2.0A给出了CAN报文标准格式，2.0B给出了

17、标准和扩展 的两种格式，此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通 运输工具-数据信息交换-高速通信控制器局域网（CAN） 国际标准ISO 11898。 51 CAN体系结构 52 4 工业网络与现场总线 CAN的典型应用 53 例子：工业应用的CAN控制系统 54 工业网络与现场总线 小结 概念 由来与发展 常用的现场总线技术和标准 现场总线控制装置是基于网络技术的嵌 入式系统（每个智能仪表嵌入了嵌入式 处理器/控制器） 55 56 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 57 5

18、嵌入式系统的联网 contents 选择协议栈 选择网络技术 选择现成的实现方案 使用标准的应用协议 流行的网络体系结构 58 5.1选择协议栈 考虑 适应产品的应用 网络打印机的开发-TCP/IP协议，netware协议等 网络协议所占用的内存的考虑 硬件资源 通信控制器 物理层收发器接口 成本因素 协议开销 59 5.2选择网络技术 例如：根据应用选择 internet接入 工业自动化领域 军用 其它 60 5.3选择现成的实现方案 1.选择现成的实现方案原因（现成的协议）： 1.一方面可以节省开发的时间， 2.另一方面现成的方案具有很高的可靠性。 2.关于自主开发 1.利用开发的剩余资源

19、从事这一工作，如在没有紧急 的开发项目的情况下，进行这一工作。 2.自主开发的协议栈不要马上投入使用，因为可能存 在的bug会造成维护成本的升高。 3.需要进行标准的一致性测试。 4.进行长期的可靠性测试。 5.经过测试过的协议栈才可以用在实际的项目中。 61 5.4例：使用标准的应用协议 例如，通过使用HTML和HTTP（超文本标 记语言和超文本传输协议）这类标准的应 用数据格式和协议，就不需要为桌面系统 写自己的应用程序。 对于客户端：应用可以使用标准的浏览器软件 对于服务器端的软件：可以使用标准的WEB server，这些软件很多可以找到开放源码的， 可以节省不少时间，可靠性也可以得到保

20、证。 而且，如果使用一个有广泛应用基础的标准应 用协议，开发者不需要向最终用户提供工具软 件。 62 5.5流行的网络体系结构 NetBIOS IPX/SPX AppleTalk TCP/IP 63 小结 使用标准化 使用成熟的技术 自主开发的成熟化-再使用 64 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 65 6 嵌入式internet 嵌入式internet概述 嵌入式internet的应用-目前最方便的联网方式 智能公路：包括交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测和汽车服务。 植物工厂

21、：特种植物工厂，如实现野生名贵药材的远程监控培养和种植、 无土栽培技术应用、智能种子工程等。 虚拟现实（VR）机器人：包括交通警察、门卫、家用机器人等。 工业制冷：冷库、中央空调和超级市场冰柜。 VR精品店：客户可以在Internet上实时地查看到存货状况。 VR家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火和防盗系统等。 工业自动化：目前已经有大量的8位、16位和32位嵌入式微控制器在实 际工作中得到广泛应用，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力 资源消耗的主要途径。如制药工业的过程控制、电力系统、电网安全、 电网设备监测和石油化工系统等。 POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡（Co

22、ntactless Smartcard， CSC）发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机等。 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测，堤坝 安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测等。 66 67 6 嵌入式internet 原理（2种方式） 1 直接接入internet 设备可以直接连接到Internet上，对Internet进行透明的 访问。 不需要专用的接入设备。 设备的协议标准化，便于实现。 需要的嵌入式处理器的资源比较高，如更快的处理器， 更大的存储器容量，导致系统的成本高。 需要IP地址资源，目前Internet的IPV4的IP资源有限， 因此这种方

23、案在IPV6版本中可能比较现实，但是可以 应用于Intranet中。 2 通过网关接入internet go to next 68 网关 RS-232、RS-485、CAN、红外、 电力线、射频等 需要接入internet的各种设备 internet 69 6 嵌入式internet 接入方案案例-32/64位网络处理器 32/64位的嵌入式系统因为有足够的能力和资源， 所以可以使用TCP/IP协议的全集和标准的socket 接口。 集成以太网控制器接口 例子： Netsilicon公司的Net+ARM motorola的PowerPC, Coldfire samsung的KS32C50100

24、系列，S3C4510等 70 6 嵌入式internet 接入方案案例-8/16位嵌入式处理器 对协议栈进行简化和裁减 从模块层次上进行 基本模块IP，TCP，UDP 从模块内部进行 例如：路由功能的裁剪 需要专业的网络知识和技能 71 6 嵌入式internet 嵌入式TCP/IP概述 嵌入式协议栈的API可能与普通的协议栈不同 Winsock, BSD socket, -为了开发的标准化 嵌入式协议栈的可裁剪性 嵌入式TCP/IP协议栈的平台兼容性 嵌入式协议栈的效率较高 （1）占用的代码小； （2）需要的数据存储器小； （3）代码的效率高，可以减少对处理器的处理速度的要 求。 72 6

25、嵌入式internet 嵌入式TCP/IP实现的形式 基于硬件实现的协议栈 日本Seiko公司以iReady芯核为基础，开发的S7600芯片， 大量购买时价格约为7美元。 应用于DSP的协议栈 如eDevice公司提供的SmartStack协议栈，就是在Analog Devices公司的AD1218x DSP芯片的基础上实现的。 普通的协议栈-软件TCP/IP 代理协议栈-continued 73 6 嵌入式internet -代理协议栈 74 6 嵌入式internet 嵌入式internet的方案选择-考虑的问题 与Internet连接的方式（直接、通过网关） 需要发送和接收信息的种类 在

26、系统中使用软件协议栈和硬件协议栈的 难度评估 增加一个协议栈，不同的方案对原来的设 计的改动大小 成本比较：软件成本、硬件成本、总体增 加的成本 75 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 76 7 蓝牙技术 特点 适用的设备多 工作频段全球通用 ISM-Industry, Science, Medicine 使用方便 安全加密、抗干扰能力强 兼容性好 尺寸小、功耗低 多路、多方向连接 77 蓝牙系统模块 78 7 蓝牙技术 产品 蓝牙芯片 蓝牙芯片是蓝牙系统的关键技术。 1999年底，

27、朗讯公司宣布了它的第一个蓝牙集成芯片W7020，该产 品由一个单芯片无线发送子系统、一个基带控制器和蓝牙协议软件 组成。 2000年6月，Mitel宣布推出MT1020，称这是世界上第一种蓝牙基频 宽控制器，可进行语音和数据处理。 2000年6月下旬，英国初创公司（CSR）宣布推出第一个支持短距射 频（RF）技术的单芯片RF及基频IC，该芯片采取了低价策略，每颗 售价8美元，并计划2001年底降为5美元。CSR芯片组可支持的蓝牙 操作频宽达2.4GHz，并支持蓝牙软件层的快闪内存，能够传送语音 数据等多种数据。该公司2000年将有超过100万个组件出货，主要客 户是电信巨人阿尔卡特（Alcat

28、el）和日本的Tochigi Mitsumi。CSR芯 片组将采用0.35微米工艺在亚洲及欧洲地区生产。 2000年7月，日本冲电气工业公司开始出厂蓝牙芯片组及中间软件的 工业样品，并将设计蓝牙接口所必需的硬软件一并出售给设备厂家。 目前-查阅文献 79 7 蓝牙技术 产品 蓝牙耳机 1999年11月，爱立信公司展示了采用蓝牙技术的实用电 话耳机，这是第一个采用蓝牙技术使手得以解放的部件。 蓝牙耳机轻巧、无线，通过内建蓝牙无线发送芯片同插 入移动电话上的蓝牙相连，与人通电话十分方便。该耳 机可以放在任一只耳朵上，同爱立信T28，T28 WORLD 和R320蜂窝电话配合使用。 80 7 蓝牙技

29、术 产品 蓝牙适配器 81 7 蓝牙技术 产品 蓝牙手机 2000年6月上旬在新加坡举办的“通信技术亚洲展览会” 上，爱立信公司展示了内置蓝牙芯片的GPRS手机R520m 和T36。爱立信公司认为R520m是世界首例蓝牙GPRS手 机。 82 7 蓝牙技术 产品 笔记本电脑 作为蓝牙技术的倡导者，IBM公司宣布出台一系列新的 无线增强技术，以与IBM成功的ThinkPad笔记本电脑的 线路设计相配套，同时推出应用蓝牙技术的全新 ThinkPad笔记本电脑，该电脑带有Portofino端口，能方 便地连接到无线调制解调器、照相机和其它设备上。通 过蓝牙技术，笔记本电脑将不再需要无线调制解调器或

30、是单独的无线ISP账号，而是将来自笔记本电脑的数据通 过无线电设备发送到蜂窝电话，然后再由蜂窝电话进行 传输。 83 7 蓝牙技术 产品 无线操作的便携硬盘 在一次展览会上，一款叫做NetDrive的便携式硬盘给人 留下极其深刻的印象，它可利用蓝牙技术无线接收数据， 加以存储（总容量可达200兆）。有了这种设备后，电脑 用户可在电脑主机与硬盘间可进行无线操作。当他离开 时，可将硬盘带走，防止他人非法操作；回来后重新连 上硬盘便可继续工作。 84 7 蓝牙技术 产品 个人电脑附件 东芝公司于2000年8月上市对应蓝牙技术面向电脑的周边 设备。推出的产品为具备蓝牙通信功能的PC卡 “PABTC001”和可以安装该PC卡的模拟 Modem“PABTS001”。使用PC卡“PABTC001”可以在笔 记本电脑之间通过无线方式传输文件。 摩托罗拉公司也公布了其第一批蓝牙产品，包括一个 PCMCIA卡，一个USB附件。PCMCIA卡和USB附件这两 个新产品都是个人电脑的附加设备，可以允许个人电脑 用无线方式交换信息和整理数据。 85 内容 嵌入式网络 几种常用的网络技术 家庭网络-最后100米 工业网络与现场总线 嵌入式系统的联网 嵌入式internet 蓝牙技术 I2C总线 86 8 I2C总线-简介 概述 I2C总线是一种广为人知的常用于将微控制 器链接到系统的总线。目前大多数的