鐘燕華

摘要：嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)研究領域的一個新興前沿課題，這就是嵌入式Internet技術(shù)。嵌入式Internet技術(shù)是一種設備接入技術(shù)或者說是一種異種網(wǎng)絡互連技術(shù)，它主要解決的問題是通過Web和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)從不同子網(wǎng)、不同的物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設備和異類子網(wǎng)進行監(jiān)控、診斷、測試、管理、及維護等操作，從而使用戶對接入到Internet上的各種設備或其它類型的子網(wǎng)具有遠程監(jiān)控、診斷和管理的能力。

關鍵詞：嵌入式 嵌入式Internet技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)

0 引言

近幾年來，嵌入式相關技術(shù)的發(fā)展非常迅速，嵌入式CPU處理能力也越來越強，由8位、16位、升級到32位、64位，使得一些需要高性能嵌入式CPU支持的嵌入式系統(tǒng)，如掌上電腦、PDA、機頂盒等產(chǎn)品紛紛登場，預示著以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時代嵌入式產(chǎn)品的興起。嵌入式設備與Internet的結(jié)合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術(shù)的真正未來，為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)研究領域的一個新興前沿課題，這就是嵌入式Internet技術(shù)。

1 課題的提出

嵌入式Internet技術(shù)是一種設備接入技術(shù)或者說是一種異種網(wǎng)絡互連技術(shù)，它主要解決的問題是通過Web和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)從不同子網(wǎng)、不同的物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設備和異類子網(wǎng)進行監(jiān)控、診斷、測試、管理、及維護等操作，從而使用戶對接入到Internet上的各種設備或其它類型的子網(wǎng)具有遠程監(jiān)控、診斷和管理的能力。Internet通信協(xié)議對計算機系統(tǒng)的CPU速度、存儲器容量等的要求比較高，用于PC系統(tǒng)不存在任何困難，但是用于自身資源有限的嵌入式系統(tǒng)就必須根據(jù)需要有所取舍，合理選擇通信協(xié)議的實現(xiàn)和處理方案。嵌入式Internet與MCU技術(shù)密切相關。利用單片機實現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點是：如何利用單片機本身有限的資源對信息進行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。嵌入式Internet技術(shù)就是要最大限度地利用嵌入式系統(tǒng)資源，根據(jù)TCP/IP協(xié)議對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息進行最高效的處理。

2 嵌入式Internet技術(shù)的實現(xiàn)方法

目前，存在四種實現(xiàn)嵌入式Internet技術(shù)的方案。

2.1 PC機網(wǎng)關方案 第一種嵌入式Internet的實現(xiàn)方案產(chǎn)生于20世紀90年代中期。人們采用PC機+網(wǎng)卡+采集插卡組成以太網(wǎng)網(wǎng)關，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將由現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場設備組成的分布式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，將管理PC機放在以太網(wǎng)內(nèi)，組成一個較大的自控系統(tǒng)。這種組成方式成本很高，只適用于大的自控系統(tǒng)。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(tǒng)網(wǎng)關 在20世紀90年代后期，人們采用嵌入式系統(tǒng)+以太網(wǎng)卡+采集卡來組成以太網(wǎng)網(wǎng)關以實現(xiàn)嵌入式Internet技術(shù)。這一階段的嵌入式系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)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(tǒng)實現(xiàn)的方案 2000年以來，人們利用單片機加上以太網(wǎng)接口芯片組成了嵌入式Internet網(wǎng)關。這實際上是嵌入式網(wǎng)關向大眾化、普及化的進一步發(fā)展。它以單片機取代PC機，用以太網(wǎng)接口芯片取代以太網(wǎng)卡，使整體系統(tǒng)的價格下降到幾百元。這就使現(xiàn)場設備能以低廉的費用，以簡捷的方式接入以太網(wǎng)，使網(wǎng)絡家電變?yōu)楝F(xiàn)實，使以太網(wǎng)分布式控制系統(tǒng)能得到迅速的發(fā)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(tǒng)，能夠提供實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡協(xié)議棧所需的資源和性能；在嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）平臺上進行軟件開發(fā)，可以完成TCP/IP協(xié)議處理以及其他更多更復雜的功能，實現(xiàn)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(xié)議軟件提供訪問Internet進行通信的函數(shù)并不困難。目前微處理器廠商如Motorola，Intel，AMD，ARM等公司都支持RTOS，軟件提供商入Wind River System，Tasking，CMX，Accelerated Technology等公司提供面向不同類型和需求的嵌入式軟件產(chǎn)品。

隨著微處理器價格急劇下降，利用RTOS開發(fā)嵌入式應用系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為趨勢。根據(jù)系統(tǒng)性能的要求，選擇合理的微處理器及其開發(fā)套件，選取適當?shù)腞TOS軟件包，可以提高系統(tǒng)開發(fā)效率，最終達到系統(tǒng)目標。但是購買優(yōu)秀的商用RTOS完整軟件包需要支付昂貴的版權(quán)許可，而且系統(tǒng)的擴展性和靈活行受到限制?，F(xiàn)在Linux作為開放源代碼的多任務操作系統(tǒng)加到嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應用中，但是技術(shù)尚未完全成熟，因此在開發(fā)嵌入式Internet技術(shù)時有諸多要素必須權(quán)衡。

2.4 SoC技術(shù)實現(xiàn)方案 第四種是近兩年來，隨著SoC芯片化技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了大量相對于模塊化、芯片化的協(xié)議轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，片上系統(tǒng)（System on Chip）的解決方案在具有模塊化協(xié)議轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的優(yōu)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(wěn)定的產(chǎn)品特性，更好的易用性，是目前協(xié)議轉(zhuǎn)換需求解決方案的發(fā)展趨勢。相對應的產(chǎn)品有Rabbit公司的Rabbit2000，UbiCom公司的IP2022，iReady公司的S7600等。SoC技術(shù)利用RISC體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，在硅片級完全采用硬件邏輯實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，提供以太網(wǎng)（Ethernet）或串行鏈路（PPP）介質(zhì)支持；支持實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)TCP、UDP、ARP、RARP、ICMP等網(wǎng)絡基礎協(xié)議，同時提供的Internet高層協(xié)議軟件，如HTTP、FTP、SMTP等的支持。

Internet控制器芯片的處理速度非?？?，可高達每秒1億條指令，支持實時多任務操作，能夠?qū)崿F(xiàn)8位嵌入式系統(tǒng)完全接入Internet。此方案具有開發(fā)時間短，系統(tǒng)成本低的優(yōu)點。因此對于開發(fā)小型、廉價的信息中間產(chǎn)品是比較好的選擇。

3 總結(jié)與展望

嵌入式網(wǎng)絡通信和實時操作系統(tǒng)是嵌入式工業(yè)的新興應用領域，隨著高位微處理器性能提高、價格下降，數(shù)字化設備將會具有更強的處理能力，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)也越來越復雜。很顯然在目前進行的嵌入式Internet技術(shù)的不同方案中，采用單片機系統(tǒng)的方案在現(xiàn)階段具有更廣泛的應用前途，包含更深刻的理論和應用價值。這也正是本論文工作的重要意義所在。然而隨著嵌入式Internet技術(shù)的不斷應用和普及，嵌入式產(chǎn)品的需求將變得越來越規(guī)范，巨大的市場需求將帶動SoC產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。可以預見，在不久的將來，面向不同需求的系列化嵌入式Internet芯片必將大量上市，而其價格將非常低廉。

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