嵌入式Internet互聯網技術應用分析

陳雅茹

（黑龍江司法警官職業學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

在Internet的日益普及，信息共享程度的不斷提高的今天，人們的工作和生活方式已經有了革命性的改變。雖然人們感受到生活正在悄悄改變，但并不是所有人都知道這與嵌入式系統技術的廣泛應用有關。從傳統工業領域，到汽車、通信、網絡、數字醫療和消費電子等新興領域，嵌入式系統與軟件的應用浪潮席卷了整個電子產業。

1 嵌入式Internet的技術原理

嵌入式Internet技術，也就是將嵌入式系統與Internet結合起來實現系統網絡化，涉及的兩個關鍵問題即傳送信息的媒質和采用的協議。

1.1 與Internet相聯接的途徑可以是以太網或者電話線等媒介。而在大多數工作場地都配有以太網，電子裝置通過集線器（HUB）可以隨時插接。在家庭中，也有電力線和電話線等載體可以利用。如果是與局域網連接，只需要為該裝置設置硬的或軟的IP地址就可。如果是利用電話線路，可以使用電話用戶的ID。現在實現嵌入式電子裝置的訪問連通，幾乎不成問題。所以嵌入式Internet技術的關鍵問題在于如何在MCU中實現Internet上被廣泛使用的TCP/IP通信協議。但是TCP/IP通信協議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，普通單片機無法達到其要求。

1.2 根據各種MCU自身的特性，實現TCP/IP協議的方法可分以下幾種。首先，高檔MCU芯片。采用ARM內核的系列處理器或者386EX等高檔MCU，其運算速度快，性能高，在芯片上可以運行實時操作系統(RTOS)，同時也可以嵌入完整的TCP/IP協議。其次，32位MCU芯片。32位機也有足夠的資源和能力運行TCP/IP協議和一些嵌入式操作系統。所以原則上講，實現思路和高檔機一樣。第三，8/16位MCU芯片。由于8位和16位MCU的處理能力和存儲問題，要實現TCP/IP協議是比較困難的。因此要根據其特點，對TCP/IP協議進行簡化，保留其最基本的東西。同時，上層協議可不用或者簡單實現。即將原來的TCP/IP協議轉變成嵌入式TCP/IP協議，我們隨后會具體介紹。

1.3 由TCP/IP協議在MCU中的實現方法和嵌入式系統的要求，一般實現嵌入式Internet的方案有以下幾種。首先，把標準網絡協議（TCP/IP）一直擴展到嵌入式設備當中，由嵌入式系統自身實現聯網功能，每個設備都可與Internet相連。這是解決問題的最佳方案及未來電器、設備的發展方向。其次，通過專用的WEB服務器實現。在現有的嵌入式系統中大量使用的是8位和16位MCU，并不要求每個設備都直接連到Internet上，用戶可以通過Internet接近設備，然后再用輕量級網絡擴展到多個設備上。如電力線、RS-485、RS-232、I2C等 。專用WEB服務器可作為子網設備路由器來轉換和實現嵌入式系統與外部網的通信。emWare公司專門為嵌入式微控制器設備設計的網絡服務器。

2 嵌入式Internet技術的實現方法

2.1PC機網關方案。嵌入式Internet的實現方案產生于20世紀90年代中期。人們采用PC機+網卡+采集插卡組成以太網網關，進行協議轉換，將由現場總線連接現場設備組成的分布式系統接入以太網，將管理PC機放在以太網內，組成一個較大的自控系統。這種組成方式成本很高，只適用于大的自控系統。東北大學CNCI研究所提出的ONDC模型（Open Network Device Connectivity）正是這種形式的典型代表。

2.2 嵌入式系統網關。在20世紀90年代后期，人們采用嵌入式系統+以太網卡+采集卡來組成以太網網關以實現嵌入式Internet技術。這一階段的嵌入式系統實際上是在硬件和軟件上均可按用戶需要進行剪裁的PC機。例如，PC-104結構的單板機實際上就是一臺沒有顯示器、鍵盤、硬盤、軟盤的PC-486DX計算機，有電子硬盤及各種I/O插口，可裝入Windows CE和其他PC機應用軟件。所以，實際上它是第一種網關的簡化和微型化。它的成本比第一種有所下降，但價格還是較高。

2.3 單片機系統實現的方案。2000年以來，人們利用單片機加上以太網接口芯片組成了嵌入式Internet網關。這實際上是嵌入式網關向大眾化、普及化的進一步發展。它以單片機取代PC機，用以太網接口芯片取代以太網卡，使整體系統的價格下降到幾百元。這就使現場設備能以低廉的費用，以簡捷的方式接入以太網，使網絡家電變為現實，使以太網分布式控制系統能得到迅速的發展。這種方案中的微處理器所含蓋的范圍很廣，有具備較強的計算處理能力的32位處理器，也有8位或16位的微控制器。通過設計合理的最小系統，能夠提供實現Internet網絡協議棧所需的資源和性能；在嵌入式操作系統（RTOS）平臺上進行軟件開發，可以完成TCP/IP協議處理以及其他更多更復雜的功能，實現TCP/IP over PPP（Point-to-Point） 或者 TCP/IP over Ethernet的方案、設計應用編程接口為高層協議軟件提供訪問Internet進行通信的函數并不困難。隨著微處理器價格急劇下降，利用RTOS開發嵌入式應用系統已經逐漸成為趨勢。根據系統性能的要求，選擇合理的微處理器及其開發套件，選取適當的RTOS軟件包，可以提高系統開發效率，最終達到系統目標。但是購買優秀的商用RTOS完整軟件包需要支付昂貴的版權許可，而且系統的擴展性和靈活行受到限制。現在Linux作為開放源代碼的多任務操作系統加到嵌入式系統的開發應用中，但是技術尚未完全成熟，因此在開發嵌入式Internet技術時有諸多要素必須權衡。

2.4 SoC技術實現方案。隨著SoC芯片化技術的不斷提高，出現了大量相對于模塊化、芯片化的協議轉換產品，片上系統（System on Chip）的解決方案在具有模塊化協議轉換產品的優點之外，還能提供更小的體積，更低廉的價格，更好的連接界面，更穩定的產品特性，更好的易用性，是目前協議轉換需求解決方案的發展趨勢。相對應的產品有Rabbit公司 的 Rabbit2000，UbiCom 公 司 的 IP2022，iReady公司的S7600等。SoC技術利用RISC體系結構技術，在硅片級完全采用硬件邏輯實現TCP/IP協議棧，提供以太網（Ethernet）或串行鏈路（PPP）介質支持；支持實時操作系統，實現 TCP、UDP、ARP、RARP、ICMP 等網絡基礎協議，同時提供的Internet高層協議軟件，如 HTTP、FTP、SMTP 等的支持。Internet控制器芯片的處理速度非常快，可高達每秒1億條指令，支持實時多任務操作，能夠實現8位嵌入式系統完全接入Internet。此方案具有開發時間短，系統成本低的優點。因此對于開發小型、廉價的信息中間產品是比較好的選擇。

結束語

隨著城市信息化和行業信息化的持續深入，嵌入式技術已成為信息產業中發展最快、應用最廣的計算機技術之一，并被廣泛應用。因此，嵌入式Internet技術系統正在改變人們的生活，成為中國電子產業不斷創新發展的熱點。

[1]李明，康靜秋.嵌入式TCP/IP協議棧的研究與開發.計算機工程與應用 2002.16

[2]Kenneth D.Reed.《TCP/IP基礎》3com公司譯 北京：電子工業出版社

[3]陶波,丁漢等.基于嵌入式Internet的工業控制.測控技術,2002.20.（8）