嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)計(jì)思路分析

摘 要：目前，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并且在嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、控制器等方面有眾多選擇。本文從網(wǎng)絡(luò)接入的角度，在接口及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)等方面展開論述，分析嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以期更加有效的設(shè)計(jì)、開發(fā)相應(yīng)嵌入式系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；網(wǎng)絡(luò)接入；思路分析；總結(jié)

一、嵌入式系統(tǒng)的概念及其網(wǎng)絡(luò)接入的意義

嵌入式系統(tǒng)本身是外延極廣的名詞，凡是結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的應(yīng)用或控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)。本文講的嵌入式系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為支持，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，同時(shí)在嵌入式系統(tǒng)的功能、性能、體積、功耗等方面具有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)在功能組成上，通常包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備和相應(yīng)軟件系統(tǒng)。與非嵌入式系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更為精簡且針對(duì)性強(qiáng)，這也是嵌入式系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的最大區(qū)別。

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)寬，特別是和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，通過網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、信息通訊，為信息系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的活力。嵌入式系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于信息家電、智能家居、航天工程、環(huán)境工程、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演重要角色。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展意義，以其專用性、高效性、節(jié)能性等特點(diǎn)來說，將滲入到人們生活的更多方面，更多領(lǐng)域當(dāng)中，發(fā)揮更加重要的作用。

二、嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)計(jì)思路分析

（一）接口及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思路分析

為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，在硬件上要求配備所需網(wǎng)絡(luò)通信接口，以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式系涉及接口多，不同處理器具有不同接口功能，外圍器件和接口更是繁多。目前具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器成百上千種，它與普通非嵌入式系統(tǒng)處理器的主要原理相似。較為流行的如ARM架構(gòu)微處理器，支持ARM指令集和Thumb指令集兩種指令集，尋址方式靈活，效率高，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。或者DSP芯片，能夠提供特殊DSP指令，快速實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字信號(hào)處理算法，在各種儀器上大規(guī)模適用。

涉及嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的接口，主要有串行、并行、SPI、IIC、以太網(wǎng)、藍(lán)牙接口等。目前常用的以太網(wǎng)接口，通常采用帶有以太網(wǎng)接口的處理器，或者嵌入式處理器加網(wǎng)卡芯片的組合方式來具體實(shí)現(xiàn)。因此，在接口及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，要把握好每種接口的基本概念、基本工作原理，以及了解嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w要求。例如以ARM嵌入式處理器做為硬件核心，利用其豐富的用戶接口功能和自帶相應(yīng)驅(qū)動(dòng)軟件，采用API函數(shù)接口做為接口及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)支持，在媒體數(shù)據(jù)傳輸上具有優(yōu)勢(shì)，適用于視頻圖像的嵌入式系統(tǒng)。

（二）通訊協(xié)議設(shè)計(jì)思路分析

通訊協(xié)議是為了實(shí)現(xiàn)不同操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備之間互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N約定或者定義。主要包括數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳輸控制、糾錯(cuò)方式等方面，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。TCP/IP協(xié)議棧獨(dú)立于廠家硬件，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為開放系統(tǒng)互聯(lián)的協(xié)議，它提供了很好的交互操作能力，因而在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，做為通訊協(xié)議的首選。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)在功能性、時(shí)效性、數(shù)據(jù)的可靠性和流量控制上均有著嚴(yán)格要求，并區(qū)別于其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

開發(fā)適合嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，在設(shè)計(jì)思路上以實(shí)現(xiàn)的功能和協(xié)議精簡為準(zhǔn)則，在原來TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行修剪更新，或者套用開源TCP/IP協(xié)議棧。例如瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院Adam Dunkels開發(fā)的輕型開源TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)接口下IP轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)支持ICMP、PPP、IP fragment。采用tcpip_input（）函數(shù)來處理，流程延遲接收造成的頻繁丟包問題。傳輸層則采用擴(kuò)展性UDP與快速恢復(fù)和轉(zhuǎn)發(fā)的TCP，此基礎(chǔ)只需要10KB左右RAM，40KB左右ROM就可以運(yùn)行，因此非常適合嵌入式系統(tǒng)使用。

（三）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路分析

由于嵌入式系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在終端設(shè)計(jì)方面的要求也越來越高。特別是網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)，需要考慮眾多因素，如嵌入式處理器、接口及驅(qū)動(dòng)、通訊協(xié)議、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通常基于嵌入式WindowsCE操作系統(tǒng)、嵌入式Linux系統(tǒng)、μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，或者自主及二次開發(fā)的適合嵌入式環(huán)境的操作系統(tǒng)，同時(shí)采用加上嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器，及相應(yīng)支持軟件組成。

在嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具體設(shè)計(jì)思路中，可分別考慮硬件與軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)基本硬件結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分析。主要考慮：接口及接口驅(qū)動(dòng)、通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制器的I/O功能、軟件開發(fā)平臺(tái)的建立、人機(jī)圖形界面的設(shè)計(jì)等方面。例如：采用ARM芯片并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精簡TCP/IP協(xié)議棧，以Web Server為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽器的動(dòng)態(tài)交互，利用Web瀏覽器進(jìn)行訪問或控制。

三、嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的思路總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)的具有非常廣闊的應(yīng)用前景，目前在信息家電、智能家居、航天工程、環(huán)境工程、醫(yī)療衛(wèi)生等方面，得到有效應(yīng)用，并展現(xiàn)出強(qiáng)大的活力。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求，嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢(shì)。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，嵌入式系統(tǒng)將更加注重網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，具體方面遠(yuǎn)不止本文所列舉。此外，在接口及驅(qū)動(dòng)、通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等方面的設(shè)計(jì)并非獨(dú)立，應(yīng)從體系結(jié)構(gòu)與功能把握，作為嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)計(jì)思路考慮。

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作者簡介：

蘭皓（1986-），男，畬族，江西贛州人，本科，網(wǎng)絡(luò)工程師、助理講師，研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。