嵌入式系统课件

1、 嵌入式系统 硕士研究生课程 第 8 章 南京邮电大学计算机学院2第8章 嵌入式网络与协议栈本章主要介绍以下内容：嵌入式网络工业控制网络与现场总线嵌入式系统的联网嵌入式Internet无线网络技术I2C总线38.1嵌入式网络网络技术应用物理层联网 （RS-232、RS-485等）工业控制领域（现场总线技术）通信技术（GSM、CDMA、WiFi、UWB、WiMAX、3G等）Internet应用48.1.1分布式嵌入式系统组成 5网络抽象模型ISO/OSIRM（Open System Interconnect Reference Model ,OSIRM) 七层模型（物理层、数据链路层、网络层、传

2、输层、会话层、表示层、应用层）硬件和软件体系结构网络互联类型主要有点到点通信和通用网络两种：点到点通信单工、半双工、全双工、6总线式网络（如以太网） 一般以分组（包）的形式进行。交叉开关网络 可以有效提高网络的带宽交换式以太网电话交换网 7多级网络 通过互联构成多级网络8报文传递编程请求/应答方式通信双方通过向对方发送请求/应答报文进行通信报文被拆分成分组在网络上传送分组的发送可采用查询方式或中断方式实现分组的接收通常采用中断方式实现网络编程可采用阻塞式或非阻塞式非法推移方式 指数据的发送方在不需要等待请求的情况下主动发送数据。适用于周期性的产生数据的系统中，如过程控制系统的传感器节点等98.

3、1.2 基于网络的设计过程通信分析确定传输报文时所引入的延迟（假设没有竞争，传递可靠）tm=tx+tn+tr 其中:tx=发送方的开销tn=网络传输时间tr=接收方的开销10系统性能分析任务之间无互相干扰 例：2个进程及一个长度为n个分组的数据通信 最坏执行时间是tp1+ntx+tp211任务间的相互干扰P1和P2有数据依赖关系，P1执行时间不确定会影响P2的开始时间不确定P3和P4有数据依赖关系，道理同上P2和P3共享同一个目标资源，也会相互影响12设计基本原则复杂系统可使用性能分析工具进行分析，如德国Braunschweig大学的SymTA/S系统。手工设计硬实时系统时，对于多个关键性任务

4、的同时运行，一定要保证不共享任何处理器和通信链路资源。硬件平台设计、分配和调度硬件平台处理器数量处理器类型网络数目和类型（数据传输率）I/O密集型系统着重考虑I/O设备及关联的处理计算密集型系统着重考虑进程的处理138.1.3 几种常用的通信技术148.2 工业网络与现场总线 工业制造系统和过程控制系统是一个实时应用系统，响应时间从几百微妙到几十毫秒。工业控制过程分为离散过程连续过程混合过程现场总线的特点应用计算机网络技术和数字通信技术将现场设备互联，相互通信、交换过程数据，可实现分布式控制。实时性协议简单传输可靠具有较高的安全性、容错能力158.2.1 FF总线协议（Fielebus Fou

5、ndation）现场总线基金会组织开发参考ISO/OSI参考模型，在此基础上根据自动化系统的特点做了简化和演变。分物理层、数据链路层、应用层、用户层。网络结构（见右图）168.2.2 CAN总线（Control Area Network）CAN总线概述德国BOSCH公司提出是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。CAN协议的体系结构是ISO/OSI RM的子集，包括物理层和数据链路层两个层次。主要应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面17CAN总线特点低成本 远距离传输（长达10Km

6、） 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总 线的功能18CAN总线控制器体系结构协议控制器状态/控制寄存器消息缓冲区（包括发送和接收缓冲区）宿主机接口位定时逻辑CAN总线19CAN总线扩展芯片SJA1000Philips独立CAN控制器，替代82C200，支持CAN2.0AB，同时支持11位和29位ID，位速率可达1M，具有总线仲裁功能，扩展的接收缓冲器（64字节、先进先出FIFO），增强的环境温度范围（-40-+125）。 82C250CAN总线收发器，是

7、CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送能力并对CAN控制器提供差动额接收能力，有很强的抗电磁干扰（EMI）的能力 ，至少可挂110个节点。TJA1050替代82C250产品，电磁辐射更低 ，无待机模式208.3 嵌入式系统的联网选择网络协议栈占用内存大小网络硬件资源协议开销选择网络技术以太网ADSL无线RS-232MODEM等218.4 嵌入式Internet嵌入式设备直接接入Internet设备集成TCP/IP协议栈及相关软件设备可直接连接到因特网上设备硬件需资源较大嵌入式设备通过网关接入Internet设备不需要集成TCP/IP协议可降低嵌入式设备本身的资源要求如嵌

8、入式微型网互联技术EMIT22嵌入式Internet的接入方案32位/64位嵌入式系统使用TCP/IP的全集和标准的socket接口如 公司的NET+ARM芯片，支持TCP、UDP、RARP、ICMP、HTTP、SMTP、FTP等协议8位和16位嵌入式系统需要对协议栈进行裁剪；根据通信要求裁剪掉UDP或TCP模块也可从模块内部裁剪协议栈，但比较复杂嵌入式TCP/IP协议栈可以基于软件实现、也可基于硬件实现238.5 无线网络技术蓝牙技术IEEE802.15.1标准低功率短距离无线连接,通信距离最远10m通信速率最大720Kbps频率2.4GHz蓝牙协议栈分为上层协议和底层协议应用包括蓝牙手机、

9、无线耳机、笔记本电脑等24ZigBee低功耗、低成本、短距离（10m）、低传输速率（250Kbps)基于IEEE802.15.4的无线标准工作频段为2.5GHz和868/928MHz，均为免执照频段支持星型、Mesh网提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法 可应用于工业控制、消费类电子、多网络设备的监测或控制25Wi-Fi 标准802.11a 用途WLAN（Wireless Local Area Networks） 通信速率最大54Mbps 通信距离最远300英尺 频率5GHz26Wi-Fi 标准802.11b 用途WLAN 通信速率最大11Mbps 通信距离最远300英尺

10、 频率2.4GHz27UMB 标准802.15.3a 用途WPAN(Wireless Personal Area Networks） 通信速率110480Mbps 通信距离最大30英尺 频率7.5GHz288.6 I2C总线仅使用两条总线信号线：SDA（数据线）和SCL（串行时钟线）每一个连在此总线的设备是可编址的。采用I2C总线连接的设备处于主从模式，主方既可接受数据，也可发送数据。是一个串行的8位双向数据传送总线。标准模式下的传输速率为100Kbps，快模式下为400Kbps。是一个多主总线，含冲突检测和竞争功能，从而确保当多个主方向同时发送数据时不会造成数据冲突使硬件电路设计更简单，对集成电路控制方便29物理层 30数据链路层每一个I2C总线设备都有自己的地址（标准为