嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ常見接入方式的研究

摘要：本文介紹了嵌入式Internet技術的基本概念和原理，綜合分析了嵌入式Internet的幾種常見的接入方式，并指出了其發展趨勢及方向。

關鍵詞：嵌入式Internet；接入方式

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）02-0069-03

隨著國民經濟的持續發展，Internet技術已經深入到人們的生活之中。在工業監控系統、智能儀器、安防系統等很多場合存在的大量電子設備都有接入Internet的需求。通過接入Internet，可以在Internet網絡到達的任何地區實現對設備的遠程控制、遠程維護等操作。Internet技術與嵌入式系統相結合可稱之為嵌入式Internet技術。目前嵌入式Internet的接入方式通常有直接接入和間接接入兩大類。

1 直接接入方式

直接接入采用處理機加TCP/IP協議方式，微控制處理機像PC機一樣直接處理TCP/IP協議，一般需要高檔的處理機，如32位的ARM，SH3，MIPS等微控制處理機和一些單周期指令速度較高的8位微控制處理機，如AVR，SX等。當然，這里TCP/IP協議一般都根據具體應用環境可適當進行刪減。

對TCP/IP協議的具體處理又有兩種方法。在嵌入式操作系統上運行TCP/IP協議和直接在嵌入式處理器上實現TCP/IP協議。

（1）在嵌入式實時操作系統RTOS上運行TCP/IP協議：即用軟件方式直接處理TCP/IP協議。目前實時操作系統的功能越來越強大，大多數嵌入式操作系統都帶有TCP/IP協議棧，還具有對圖像界面的支持能力。采用這種方法最靈活，能按用戶需求實現很多復雜的功能。當然，靈活的同時帶來的是開發復雜度的增加，對開發人員的要求高，必須對操作系統和TCP/IP協議都要有一定的熟悉，開發周期也較長，難度相對較大。同時嵌入式操作系統的運行需要占用大量的處理器資源和存儲器空間，對硬件配置也有較高的要求，因此開發的費用比較高，且高檔微控制處理機和RTOS的價格也很高。可以將這種方案簡單地表述成：高性能CPU+實時操作系統+以太網接口控制芯片。

這種接入方式示意圖如圖1所示。

圖1在RTOS上運行TCP/IP協議示意圖

（2）直接在嵌入式處理器上實現TCP/IP協議：即采用固化了TCP/IP協議的硬件芯片實現，如Seiko Instruments公司的$7600A等，它支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多種協議，通過外部硬件電路處理TCP/IP協議，也可用UBICOM公司(原Scenix公司)的SX單片機加虛擬外設的方式。該方式與前一種相比更方便，不需要操作系統，大大節省了資源，開發難度有所降低，但還是需要熟悉TCP/IP協議和相關接口，技術實現上也比較困難，且對處理器的性能仍然要求較高。這種方案可以簡單地表述成：單片機+硬件協議芯片+以太網接口控制芯片。

這種接入方式示意圖如圖2所示。

圖2 直接在嵌入式處理器上實現TCP/IP協議示意圖

這種技術的典型應用有沈陽東大新業信息技術股份有限公司按該思路研制開發的嵌入式系統接入Internet的一個實用產品——Webit。Webit將微控制處理機和以太網控制器集成到一塊小板卡上，將它裝入到嵌入式系統與Internet連接。Webit有自己的IP地址，與第一種接入方式相似，但它有更高的集成度，將協議處理部分獨立出來，開發人員省去了網絡部分的設計，可將主要精力放在設計應用系統本身。

從以上可以看出，這兩種方式都類似于在微控制處理機上實現PC機加網卡的功能。微控制處理機直接處理TCP/IP協議，復雜度較高，且每個微控制處理機也需要一個IP地址，而IP地址需要付費使用。這種方式需要高檔的微控制處理機和較高的開發及使用成本，因此一般只會在一些高檔產品中使用，使用在低端產品和過去的遺留設備中是不合適的，但它有一個好處是不需要PC機做代理服務器或網關。

應該指出，第一種接入方式我們似乎極為眼熟。確實，它與我們日常用PC上網方案：PC+操作系統+以太網接口控制芯片極為相似。隨著硬件技術的飛速發展，相信不遠的將來，在一塊嵌入式芯片上實現當前臺式PC機的性能將成為現實，所以這種方式必將成為未來嵌入式系統接入Internet的主流方式。但由于當前IPv4時代IP地址的短缺，這種接入方式的大發展將是在IPv6到來的時代。

2 間接接入方式

為了克服直接接入方式的主要缺點（即每一個設備都需要IP地址），出現了利用代理服務器/網關等間接方式來實現嵌入式系統接入Internet。代理服務器/網關可以用桌面計算機PC或高檔的嵌入式處理器來充當，也可以使用專門設計的嵌入式微網關，它們的原理與通常的普通型相似，具體實現方案的不同在于使用PC或高檔的嵌入式處理器還是使用嵌入式專用微網關來實現。

（1）代理服務器/網關接入方式

一般由桌面計算機PC或高檔的嵌入式處理器來充當，一方面運行TCP/IP協議實現Internet接入功能，一方面通過輕型網絡技術(如RS232、RS485、CAN總線)將多個嵌入式設備接入作為代理的PC機，利用PC機與外部Internet通訊。嵌入式系統中只需要有一部分與代理服務器通信的代碼即可。由于和代理服務器的通信方式比較簡單，因此這部分代碼可以非常少，對嵌入式系統處理器速度、資源要求也比較低，可以解決各種嵌入式系統接入Internet的問題。代理服務器的性能一般比較高，可以同時和多個嵌入式系統通信。因此，此方案特別適用于嵌入式系統多且較為集中的場合。其優點是可以很方便的解決設備上網問題，開發難度低；缺點是接入成本比較高，不利于大規模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業設備的上網需求，不適合用于低價格設備。

這種接入方式的典型示意如圖3所示。

圖3代理服務器/網關接入方式典型結構示意圖

（2）輕型網關接入方式

輕型網關即嵌入式微網關系統，網關系統提供了一個嵌入式的構成體系，使得即便是最小的嵌入式微控制器都有網絡功能。建立一個網關，讓它作為輕型設備網絡（RS485、CAN、LonWorks等）和重型設備網絡（包括Intranet和Internet）間的媒介。這樣，嵌入式設備就可以與外界進行通信。網關系統有較多的資源，可以加強嵌入式設備的功能，從而實現更多信息和數據的通信，具體實現技術有以下兩種。

j采用專用嵌入式網絡協議網關。這種接入方式通常被稱為嵌入式微Internet網絡技術(EMIT：Embedded Micro Internet working Technology)。EMIT由嵌入式微網絡（即emNet）和嵌入式微控制器網關（即emGateway）兩部分組成，emNet協議運行在MCU內部，是為嵌入式系統和其他網絡(如RS-485、IR、RF和電力線等)進行聯接的網絡協議。同時，emNet使得集成emMicro的嵌入式系統能夠和emGateway進行有效的通信。嵌入式微控制器網關(即emGateway)運行在計算機、TV機頂盒或專用的家用電器服務器中，它是設備網絡和Internet之間聯接的橋梁。應用系統運行微控制處理機內的emNet，通過emGateway與Internet聯接。

這種接入方式的典型示意圖如圖4所示。

圖4 專用嵌入式網絡協議網關示意圖

這種技術的典型應用有emWare公司開發的一整套嵌入式微Internet網絡技術。

k使用專用嵌入式芯片建立網關。這種接入方式通常由專用嵌入式芯片來建立網關。這種芯片一般是獨立于各種微控制器的專用網絡接口芯片，它通過標準的輸入、輸出口與各種微控制處理單元相連。微控制處理單元通過這種芯片與網關聯接即可接收并執行經由Internet遠程傳來的命令或將數據交給它發送出去。微控制處理單元應用系統通過這種專用嵌入式芯片與網關聯接，再進入Internet網。

這種接入方式結構示意圖如圖5所示。

圖5 使用專用嵌入式芯片建立網關結構示意圖

這種專用嵌入式芯片的典型開發有武漢力源公司開發的 Webchip芯片，該公司同時推出了基于Webchip芯片的嵌入式電子設備和家用電器與網絡方便聯接的實用解決方案。

3 結束語

雖然文中指出了在嵌入式芯片上直接運行RTOS接入Internet將是未來的主流方向。但這對大量需要接入Internet的低價小型設備而言，使用8位和l6位MCU仍將是最經濟最簡便的選擇，而在8位和l6位MCU上實現Internet通信協議是比較困難的，所以上面提出的嵌入式系統間接接入Internet方式仍將長期地運用于嵌入式Internet系統之中。嵌入式Internet的多種接入方式將在很長時間內并存互補地存在著。

隨著嵌入式Internet的發展，還會出現更多更新的嵌入式Internet的實現方案，但基本原理都不外乎以上幾種。大量嵌入式系統需要接入Internet，真正進入尋常百姓家庭，降低接入成本是首要的前提。接入成本包括兩個方面，一是硬件成本，即需要開發出價格更低、性能更高的諸如單芯片式的嵌入式設備，以大幅地降低硬件成本，片上系統（System On Chip）是發展方向；二是軟件成本，又以IP地址的短缺為首選，這是IPv4時代沒有辦法根本解決的問題。所以嵌入式Internet大規模發展并真正進入千家萬戶，需要兩個缺一不可的條件，一是硬件成本的大幅降低，二是IPv6時代的真正到來。

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投稿日期：2006-10-02

作者簡介：羅子林（1965-），男，江西星子人，副教授，研究方向為計算機網絡及現代教育技術等。