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相關(guān)專題：
（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TCP／IP的處理方法及所需的其他協(xié)議、軟硬件等，并對它們各自的優(yōu)缺點進行了比較，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機延伸到8位、16位、32位單片機，并實現(xiàn)基于Inter－net的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、自動報警、上傳／下載數(shù)據(jù)文件、自動發(fā)送E－mail等功能，大大擴展In－ternet的應(yīng)用范圍。
嵌入式Internet技術(shù)的出現(xiàn)時間并不很長，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拓的想像空間，都在不斷地推陳出新。隨著PC機時代的到來，21世紀(jì)將是嵌入式Internet的時代。美國貝爾實驗室總裁Arun Netravali的一批科學(xué)家對此做出了預(yù)測：嵌入式Internet“將會產(chǎn)生比PC機時代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級嵌入式瘦服務(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Internet網(wǎng)自動地、實時地、方便地、簡單地提供給需要這些信息的對象”［1］。
網(wǎng)絡(luò)專家預(yù)測，將來在Internet上傳輸?shù)男畔⒅�，將�?0％的信息來自小型嵌入式系統(tǒng)［2］。嵌入式Internet將有很好的發(fā)展前景和廣闊的市場，未來的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。
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、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用電路部分，與Internet的接入則必須有對應(yīng)的接入?yún)f(xié)議，如通用的TCP／IP協(xié)議。因此，實現(xiàn)嵌入式Internet的基礎(chǔ)是嵌入式處理機、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
單片機就是典型的嵌入式處理機，如常見的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如ARM、SH3、MIPS等，嵌入式處理機的種類有幾百種。處理機是嵌入式系統(tǒng)的核心，其性能直接影響整個系統(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一樣，直接從底層開始編寫所有程序，必須采用底層的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上來完成復(fù)雜的應(yīng)用軟件設(shè)計。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)。同時嵌入操作系統(tǒng)還必須是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，而Windows98／2000不是實時操作系統(tǒng)。另一方面，嵌入式處理機的種類繁多，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。
目前國際上嵌入式系統(tǒng)的主流是實時多任務(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)和開發(fā)平臺，是一段嵌入在目標(biāo)代碼中的軟件，用戶的其它應(yīng)用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS還是一個標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I／O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標(biāo)準(zhǔn)的API，并根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU時開發(fā)基礎(chǔ)。這樣一來，基于RTOS上的C語言程序具有極大的可移植性。同時，在RTOS基礎(chǔ)上可以編寫出各種硬件驅(qū)動程序、專家?guī)旌瘮?shù)、行業(yè)庫函數(shù)、產(chǎn)品庫函數(shù)和通用性的應(yīng)用程序一起，可以作為產(chǎn)品銷售，促進行業(yè)內(nèi)的知識產(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機接入Internet一樣，必須通過相應(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TCP／IP接入，嵌入式系統(tǒng)對信息進行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和起控制作用的新協(xié)議，通過網(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，處理能力不如臺式機強，以及從PC機上來的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的難點之一。因此下面著重分析當(dāng)前的幾種接入方式以及對協(xié)議的不同處理方法。
2 嵌入Internet的幾種接入方式
2．1 處理機加TCP／IP協(xié)議方式
采用處理機加TCP／IP協(xié)議方式，MCU處理機像PC機一樣直接處理TCP／IP協(xié)議，一般需要高檔的處理機，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)見圖1。
對TCP/IP協(xié)議的具體處理又有2種方法。一種方法是采用實時操作系統(tǒng)RTOS，用軟件方式直接處理TCP／IP協(xié)議。實時操作系統(tǒng)的功能越來越強大，許多都具有對圖像界面和TCP／IP的支持能力。采用這種方式最靈活，能按用戶需求實現(xiàn)很多復(fù)雜的功能，當(dāng)然靈活的同時帶來的是開發(fā)復(fù)雜度的增加，對開發(fā)人員的要求高，對操作系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議都要有一定的熟悉程度，因此開發(fā)周期也較長，高檔MCU和RTOS的價格也很高。
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單片機加虛擬外設(shè)的方式。SX單片機采用CPU并行流水線和單時鐘周期指令，其極限運行速度系數(shù)等于1，達到最大值，支持的晶振最大到100 MHz，因此執(zhí)行速度可達100MIPS。SX單片機的最大特點是支持虛擬外設(shè)，將許多功能模塊（如DTMF接收與發(fā)送、TCP／IP協(xié)議等）設(shè)計成軟件功能模塊，需要使用某功能時直接調(diào)用相應(yīng)模塊，其效果等同于安裝對應(yīng)硬件外設(shè)電路，但虛擬外設(shè)方式更靈活更方便，且硬件電路簡單。該方式與前一種相比更方便，開發(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。
這兩種方式類似于在MCU上實現(xiàn)PC機加網(wǎng)卡的功能，MCU直接處理TCP／IP協(xié)議，復(fù)雜度較高，且每個MCU也需要一個IP地址，而IP地址需要付費使用。它需要高檔的MCU處理機和較高的開發(fā)成本，因此一般只會在一些高檔產(chǎn)品（如汽車）中使用。它有一個好處是不需要PC機做網(wǎng)關(guān)。
2．2 Webit方式
Webit是沈陽東大新業(yè)信息技術(shù)股份有限公司研制開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的一個實用產(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)議處理部分獨立出來，開發(fā)人員省去了網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計，可將主要精力放在應(yīng)用系統(tǒng)本身。
Webit總體上是一個基于AVR單片機的系統(tǒng)，在單片機內(nèi)有用來存儲系統(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。在單片機的外圍，有用來存放Web頁面的EEPROM。系統(tǒng)中包含一個10 M以太網(wǎng)控制器，用來提供網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接。系統(tǒng)提供的應(yīng)用系統(tǒng)接口為TTL電平的UART口及14位I／O口，通過它與應(yīng)用系統(tǒng)相連，其應(yīng)用方式見圖2。
Webit方式實際上與第一種方式類似，只是將協(xié)議處理部分分離出來由Webit單獨完成，開發(fā)人員可以不必考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和相關(guān)接口，但也需要獨立的IP地址。該方式也不需要網(wǎng)關(guān)，無需PC機，軟、硬件結(jié)構(gòu)可以獨立設(shè)計，其開發(fā)成本相對較低。
2．3 采用專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
利用emWare公司開發(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和電力線等）進行聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時，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進行有效的通信。嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)（即em－Gateway）運行在計算機、TV機頂盒或?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)運行MCU內(nèi)的emNet，通過em－Gateway與Internet聯(lián)接，見圖3。
具體來講，EMIT采用桌面計算機或高性能嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)emGateway，支持TCP／IP協(xié)議并運行Internet服務(wù)程序，形成一個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進行遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)器，emGateway通過RS232、RS485、CAN、紅外、射頻等總線將多個嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來，每個嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序中包含一個獨立的通信任務(wù)，稱為emMicro，監(jiān)測嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中；同時emMicro還可以解釋emGate－way的命令，修改設(shè)備中的變量，或進行某種控制。
這種方式要求設(shè)計工程師必須熟悉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MCU的要求也較高，同時需要微機做網(wǎng)關(guān)。優(yōu)點是網(wǎng)關(guān)中的一個IP地址可以聯(lián)接多個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
2．4 使用專用芯片Webchip
Webchip是武漢力源公司于2000年4月開發(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)接的實用解決方案。Webchip是獨立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出口與各種MCU相連。MCU通過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Webchip網(wǎng)絡(luò)芯片與Gateway聯(lián)接，再進入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)備與計算機平臺上的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)簡單，但功能很強。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送來的命令（Webchip與MCU之間共有17條命令）。Webchip將來自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，然后通過命令方式送給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，通常由一臺普通PC機來實現(xiàn)。
Webchip的簡要工作過程是：Webchip通過SPI三線串行接口與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條簡單的指令進行控制。Webchip的另一端以RS－232、RS－485或Modem等接口電路與基于PC機平臺的網(wǎng)關(guān)接口。Webchip在MCU應(yīng)用系統(tǒng)接入Internet的過程中實際上是起
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。這是由于PC機網(wǎng)關(guān)能提供HTTP服務(wù)，又可與網(wǎng)絡(luò)瀏覽器接口。
這種方案相對更簡單，對MCU要求較低，無論是運行速度、硬件配置和存儲器容量等方面均無特殊要求；軟件設(shè)計也只需在原應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一小段接口程序，其它無需作大的改動。對設(shè)計工程師，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傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。其開發(fā)周期更短，也較靈活。同采用專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方案一樣，需要微機做網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)中的一個IP地址可以聯(lián)接多個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
目前還買不到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
隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，嵌入Internet還會有更多更新的接入方式出現(xiàn)。針對目前的情況，最主要的問題是需要解決成本問題，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，其接入成本在整個系統(tǒng)中還是占有相當(dāng)大的比重。只有接入成本進一步降低才能使嵌入式Internet真正進入尋常百姓家庭，真正在嵌入系統(tǒng)和智能家庭的大市場中發(fā)揮重要作用，因此還需要進一步開發(fā)單芯片的最低成本的解決方案，以適應(yīng)市場的需要。
參考文獻
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摘自 北極星技術(shù)網(wǎng)
