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相關(guān)專(zhuān)題：
（重慶郵電學(xué)院，重慶400065）
摘 要：首先介紹嵌入式Internet技術(shù)的發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景以及嵌入式Internet技術(shù)的基本概念和原理，然后重點(diǎn)闡述了嵌入式系統(tǒng)接入Internet的幾種方式，包括各種接入方式的工作原理，對(duì)TCP／IP的處理方法及所需的其他協(xié)議、軟硬件等，并對(duì)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，指出了新的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；嵌入式Internet；TCP／IP協(xié)議
0 引 言
嵌入式Internet技術(shù)是一種將嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)，利用該技術(shù)可將Internet從PC機(jī)延伸到8位、16位、32位單片機(jī)，并實(shí)現(xiàn)基于Inter－net的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)警、上傳／下載數(shù)據(jù)文件、自動(dòng)發(fā)送E－mail等功能，大大擴(kuò)展In－ternet的應(yīng)用范圍。
嵌入式Internet技術(shù)的出現(xiàn)時(shí)間并不很長(zhǎng)，但是發(fā)展速度卻非常之快，新思想不斷涌現(xiàn)，新概念連續(xù)推出，新技術(shù)層出不窮，新產(chǎn)品不斷產(chǎn)生，從底層硬件技術(shù)所提供的解決方案到頂層軟件所開(kāi)拓的想像空間，都在不斷地推陳出新。隨著PC機(jī)時(shí)代的到來(lái)，21世紀(jì)將是嵌入式Internet的時(shí)代。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁Arun Netravali的一批科學(xué)家對(duì)此做出了預(yù)測(cè)：嵌入式Internet“將會(huì)產(chǎn)生比PC機(jī)時(shí)代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級(jí)嵌入式瘦服務(wù)器。這些瘦服務(wù)器將與我們所能想到的各種物理信息、生物信息相聯(lián)接，通過(guò)Internet網(wǎng)自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地、方便地、簡(jiǎn)單地提供給需要這些信息的對(duì)象”［1］。
網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，將來(lái)在Internet上傳輸?shù)男畔⒅�，將�?0％的信息來(lái)自小型嵌入式系統(tǒng)［2］。嵌入式Internet將有很好的發(fā)展前景和廣闊的市場(chǎng)，未來(lái)的Internet技術(shù)將是嵌入式Internet占主導(dǎo)地位，因此嵌入式系統(tǒng)與Internet的接入方式已成為人們研究的熱點(diǎn)。
1 嵌入式Internet的基礎(chǔ)
嵌入式Internet是嵌入式系統(tǒng)與Internet的結(jié)合。嵌入式系統(tǒng)中包含嵌入式處理機(jī)、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用電路部分，與Internet的接入則必須有對(duì)應(yīng)的接入?yún)f(xié)議，如通用的TCP／IP協(xié)議。因此，實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet的基礎(chǔ)是嵌入式處理機(jī)、嵌入式操作系統(tǒng)和接入Internet的通信協(xié)議。
�。�1）嵌入式處理機(jī)
單片機(jī)就是典型的嵌入式處理機(jī)，如常見(jiàn)的In－tel的8051系列、Atmel的AVR、MicroChip的PIC、Motorola的Dragonball、Cygnal的C8051F等，以及一些高端的單片機(jī)如ARM、SH3、MIPS等，嵌入式處理機(jī)的種類(lèi)有幾百種。處理機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的核心，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能高低，影響接入Internet的方式和成本。
�。�2）嵌入式操作系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)要完成復(fù)雜的功能，已經(jīng)不可能像普通單片機(jī)一樣，直接從底層開(kāi)始編寫(xiě)所有程序，必須采用底層的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上來(lái)完成復(fù)雜的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。但由于嵌入式系統(tǒng)自身資源的限制，嵌入式操作不可能像PC機(jī)的操作系統(tǒng)一樣龐大，Windows98／2000有幾百兆字節(jié)，而嵌入操作系統(tǒng)一般只有100－200半字節(jié)。同時(shí)嵌入操作系統(tǒng)還必須是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，而Windows98／2000不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。另一方面，嵌入式處理機(jī)的種類(lèi)繁多，嵌入操作系統(tǒng)還必須支持多種不同處理器體系結(jié)構(gòu)的眾多處理機(jī)。
目前國(guó)際上嵌入式系統(tǒng)的主流是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS：Real－Time Operating System）。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶(hù)的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS還是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，將CPU時(shí)間、中斷、I／O、定時(shí)器等資源都包裝起來(lái)，留給用戶(hù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時(shí)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。這樣一來(lái)，基于RTOS上的C語(yǔ)言程序具有極大的可移植性。同時(shí)，在RTOS基礎(chǔ)上可以編寫(xiě)出各種硬件驅(qū)動(dòng)程序、專(zhuān)家?guī)旌瘮?shù)、行業(yè)庫(kù)函數(shù)、產(chǎn)品庫(kù)函數(shù)和通用性的應(yīng)用程序一起，可以作為產(chǎn)品銷(xiāo)售，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)交流。
雖然商品化的嵌入式操作系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代后期才出現(xiàn)，但到20世紀(jì)末，成熟的商品化操作系統(tǒng)已經(jīng)十分豐富了，如Palm OS，VxWorks，pSOS，Nuclear，VelOSity，QNX，VRTX，WindowsCE（現(xiàn)改名為Windows Powered）以及目前炒得很熱的嵌入式Linux等。
（3）接入Internet的通信協(xié)議
嵌入式系統(tǒng)接入Internet同PC機(jī)接入Internet一樣，必須通過(guò)相應(yīng)的通信協(xié)議。目前的Internet采用TCP／IP協(xié)議，因此嵌入式系統(tǒng)接入Internet最終必須通過(guò)TCP／IP接入，嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行TCP／IP協(xié)議處理，使其變成可以在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。若采用網(wǎng)關(guān)方式，在網(wǎng)關(guān)前端可以采用適合嵌入處理機(jī)和起控制作用的新協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換后變成標(biāo)準(zhǔn)IP包接入Internet。
由于嵌入式系統(tǒng)自身資源的限制，處理能力不如臺(tái)式機(jī)強(qiáng)，以及從PC機(jī)上來(lái)的TCP／IP的復(fù)雜性，使得處理通信協(xié)議成為嵌入式系統(tǒng)接入Internet的關(guān)鍵，也是嵌入式系統(tǒng)接入Internet的難點(diǎn)之一。因此下面著重分析當(dāng)前的幾種接入方式以及對(duì)協(xié)議的不同處理方法。
2 嵌入Internet的幾種接入方式
2．1 處理機(jī)加TCP／IP協(xié)議方式
采用處理機(jī)加TCP／IP協(xié)議方式，MCU處理機(jī)像PC機(jī)一樣直接處理TCP／IP協(xié)議，一般需要高檔的處理機(jī)，如32位的ARM，SH3，MIPS等MCU和一些單周期指令速度較高的8位MCU，如AVR、SX等，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
對(duì)TCP/IP協(xié)議的具體處理又有2種方法。一種方法是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，用軟件方式直接處理TCP／IP協(xié)議。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，許多都具有對(duì)圖像界面和TCP／IP的支持能力。采用這種方式最靈活，能按用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能，當(dāng)然靈活的同時(shí)帶來(lái)的是開(kāi)發(fā)復(fù)雜度的增加，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求高，對(duì)操作系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議都要有一定的熟悉程度，因此開(kāi)發(fā)周期也較長(zhǎng)，高檔MCU和RTOS的價(jià)格也很高。
另一種是采用固化了TCP／IP協(xié)議的硬件芯片，如Seiko Instruments公司的S7600A等，它支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多種協(xié)議，通過(guò)外部硬件電路處理TCP／IP協(xié)議。也可用UBICOM公司（原Scenix公司）的SX單片機(jī)加虛擬外設(shè)的方式。SX單片機(jī)采用CPU并行流水線(xiàn)和單時(shí)鐘周期指令，其極限運(yùn)行速度系數(shù)等于1，達(dá)到最大值，支持的晶振最大到100 MHz，因此執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS。SX單片機(jī)的最大特點(diǎn)是支持虛擬外設(shè)，將許多功能模塊（如DTMF接收與發(fā)送、TCP／IP協(xié)議等）設(shè)計(jì)成軟件功能模塊，需要使用某功能時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)模塊，其效果等同于安裝對(duì)應(yīng)硬件外設(shè)電路，但虛擬外設(shè)方式更靈活更方便，且硬件電路簡(jiǎn)單。該方式與前一種相比更方便，開(kāi)發(fā)難度有所降低，但還是需要熟悉TCP／IP協(xié)議和相關(guān)接口。
這兩種方式類(lèi)似于在MCU上實(shí)現(xiàn)PC機(jī)加網(wǎng)卡的功能，MCU直接處理TCP／IP協(xié)議，復(fù)雜度較高，且每個(gè)MCU也需要一個(gè)IP地址，而IP地址需要付費(fèi)使用。它需要高檔的MCU處理機(jī)和較高的開(kāi)發(fā)成本，因此一般只會(huì)在一些高檔產(chǎn)品（如汽車(chē)）中使用。它有一個(gè)好處是不需要PC機(jī)做網(wǎng)關(guān)。
2．2 Webit方式
Webit是沈陽(yáng)東大新業(yè)信息技術(shù)股份有限公司研制開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的一個(gè)實(shí)用產(chǎn)品，它將MCU和以太網(wǎng)控制器集成到一塊小板卡上，將它裝入到嵌入系統(tǒng)中就可以完成嵌入系統(tǒng)與Internet網(wǎng)的聯(lián)接。Webit有自己的IP地址，與前面提到的第一種方式相似，但它有更高的集成度，將協(xié)議處理部分獨(dú)立出來(lái)，開(kāi)發(fā)人員省去了網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計(jì)，可將主要精力放在應(yīng)用系統(tǒng)本身。
Webit總體上是一個(gè)基于AVR單片機(jī)的系統(tǒng)，在單片機(jī)內(nèi)有用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)程序的8千字節(jié)的FLASH空間、512字節(jié)的RAM空間以及用來(lái)存放
系統(tǒng)參數(shù)（IP地址、MAC地址、串口波特率等）的EEPROM。在單片機(jī)的外圍，有用來(lái)存放Web頁(yè)面的EEPROM。系統(tǒng)中包含一個(gè)10 M以太網(wǎng)控制器，用來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接。系統(tǒng)提供的應(yīng)用系統(tǒng)接口為T(mén)TL電平的UART口及14位I／O口，通過(guò)它與應(yīng)用系統(tǒng)相連，其應(yīng)用方式見(jiàn)圖2。
Webit方式實(shí)際上與第一種方式類(lèi)似，只是將協(xié)議處理部分分離出來(lái)由Webit單獨(dú)完成，開(kāi)發(fā)人員可以不必考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和相關(guān)接口，但也需要獨(dú)立的IP地址。該方式也不需要網(wǎng)關(guān)，無(wú)需PC機(jī)，軟、硬件結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，其開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低。
2．3 采用專(zhuān)用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
利用emWare公司開(kāi)發(fā)的嵌入式微Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（EMIT：Embedded Micro InternetworkingTechnology）。EMIT由emNet和emGateway兩部分組成，emNet協(xié)議運(yùn)行在MCU內(nèi)部，是為嵌入式系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)（如RS485、IR、RF和電力線(xiàn)等）進(jìn)行聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時(shí)，emNet使得集成emMicro的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)emGate－way進(jìn)行有效的通信。嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)（即em－Gateway）運(yùn)行在計(jì)算機(jī)、TV機(jī)頂盒或?qū)Ｓ玫募矣秒娖鞣⻊?wù)器中，它是設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和Internet之間聯(lián)接的橋梁。應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行MCU內(nèi)的emNet，通過(guò)em－Gateway與Internet聯(lián)接，見(jiàn)圖3。
具體來(lái)講，EMIT采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)emGateway，支持TCP／IP協(xié)議并運(yùn)行Internet服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)器，emGateway通過(guò)RS232、RS485、CAN、紅外、射頻等總線(xiàn)將多個(gè)嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序中包含一個(gè)獨(dú)立的通信任務(wù)，稱(chēng)為emMicro，監(jiān)測(cè)嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中；同時(shí)emMicro還可以解釋emGate－way的命令，修改設(shè)備中的變量，或進(jìn)行某種控制。
這種方式要求設(shè)計(jì)工程師必須熟悉emNet協(xié)議和相關(guān)的接口，并且軟硬件設(shè)計(jì)的工作量仍然較大。應(yīng)用系統(tǒng)的MCU處理emNet協(xié)議要占用一定的系統(tǒng)資源，對(duì)MCU的要求也較高，同時(shí)需要微機(jī)做網(wǎng)關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)關(guān)中的一個(gè)IP地址可以聯(lián)接多個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
2．4 使用專(zhuān)用芯片Webchip
Webchip是武漢力源公司于2000年4月開(kāi)發(fā)出使嵌入式電子設(shè)備和家用電器與網(wǎng)絡(luò)方便聯(lián)接的實(shí)用解決方案。Webchip是獨(dú)立于各種微控制器的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出口與各種MCU相連。MCU通過(guò)Webchip與網(wǎng)關(guān)聯(lián)接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠(yuǎn)程傳來(lái)的命令或?qū)?shù)據(jù)交給Webchip發(fā)送出去。MCU應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)Webchip網(wǎng)絡(luò)芯片與Gateway聯(lián)接，再進(jìn)入Internet網(wǎng)，如圖4所示。
Webchip內(nèi)部固化了MCUNet協(xié)議，它與em－Gateway和OSGi協(xié)議兼容，是MCU電子設(shè)備與計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的Gateway建立聯(lián)系的一種軟件協(xié)議，可以處理MCU與Gateway之間的通信。MCUNet協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功能很強(qiáng)。Webchip作用就是解釋通信協(xié)議，控制數(shù)據(jù)傳輸，使MCU應(yīng)用系統(tǒng)不用去管理協(xié)議的具體內(nèi)容，只需要解釋和執(zhí)行Webchip送來(lái)的命令（Webchip與MCU之間共有17條命令）。Webchip將來(lái)自MCU的數(shù)據(jù)編譯成符合協(xié)議規(guī)定的格式，然后傳給Gateway，而由Gateway下傳的命令和數(shù)據(jù)由Webchip負(fù)責(zé)解釋?zhuān)缓笸ㄟ^(guò)命令方式送給MCU。圖4中的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器用于協(xié)議的解釋、轉(zhuǎn)換、執(zhí)行等，通常由一臺(tái)普通PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
Webchip的簡(jiǎn)要工作過(guò)程是：Webchip通過(guò)SPI三線(xiàn)串行接口與MCU應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)接。它與MCU應(yīng)用系統(tǒng)交換信息是由17條簡(jiǎn)單的指令進(jìn)行控制。Webchip的另一端以RS－232、RS－485或Modem等接口電路與基于PC機(jī)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)接口。Webchip在MCU應(yīng)用系統(tǒng)接入Internet的過(guò)程中實(shí)際上是起
了底層協(xié)議的編譯、解釋和轉(zhuǎn)換作用，將MCU應(yīng)用系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)再與Internet聯(lián)接起來(lái)。這是由于PC機(jī)網(wǎng)關(guān)能提供HTTP服務(wù)，又可與網(wǎng)絡(luò)瀏覽器接口。
這種方案相對(duì)更簡(jiǎn)單，對(duì)MCU要求較低，無(wú)論是運(yùn)行速度、硬件配置和存儲(chǔ)器容量等方面均無(wú)特殊要求；軟件設(shè)計(jì)也只需在原應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一小段接口程序，其它無(wú)需作大的改動(dòng)。對(duì)設(shè)計(jì)工程師，不需要熟悉復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和相關(guān)接口，完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行We－bchip傳送過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。其開(kāi)發(fā)周期更短，也較靈活。同采用專(zhuān)用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方案一樣，需要微機(jī)做網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)中的一個(gè)IP地址可以聯(lián)接多個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
目前還買(mǎi)不到PS2000的芯片，只是最近在力源網(wǎng)站上有了PS2000的詳細(xì)芯片資料。其開(kāi)發(fā)套件也較便宜，包含帶有通信接口的PSM2000模塊板和PSE2000 EVKIT演示套件等。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，嵌入Internet還會(huì)有更多更新的接入方式出現(xiàn)。針對(duì)目前的情況，最主要的問(wèn)題是需要解決成本問(wèn)題，以上幾種接入方式雖然有成本較低的方案，但與眾多嵌入系統(tǒng)中便宜的MCU系統(tǒng)相比，其接入成本在整個(gè)系統(tǒng)中還是占有相當(dāng)大的比重。只有接入成本進(jìn)一步降低才能使嵌入式Internet真正進(jìn)入尋常百姓家庭，真正在嵌入系統(tǒng)和智能家庭的大市場(chǎng)中發(fā)揮重要作用，因此還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)單芯片的最低成本的解決方案，以適應(yīng)市場(chǎng)的需要。
參考文獻(xiàn)
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摘自 北極星技術(shù)網(wǎng)
