嵌入式系统接入网及其网络接口技术研究

嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应了各种应用系统中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要求，因此它赢得了巨大的市场，在应用数量上远远超过了各种通用计算机。嵌入式接入Internet是近几年随着计算机网络技术的普及和发展而发展起来的一项新兴概念和技术，它通过为现有嵌入式系统增加因特网接入能力来扩展其功能，一般指设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的过程，通常又称为非PC接入。

　　嵌入式系统利用网络接口控制芯片实现与网络的通信功能，成本低，控制方便可靠，满足系统对通信的要求。考虑到本身的特点，在大量工业领域中应用嵌入式设备功能比较单一，在上述网络接口控制芯片接口程序的基础上只需要开发简化的嵌入式协议栈，就可满足许多情况下的应用需求。目前，许多公司和组织致力于将以太网与现场总线实现无缝连接，使以太网越来越向底层延伸。以太网在现场设备中的应用研究和基于以太网的智能芯片的开发等也日益成为研究的热点。

　　1 嵌入式接入网的主要方式

　　目前嵌入式系统接入Internet通常有以下两种主要方式：

　　(1)采用高速的16／32Bit微控制器直接实现TCP/IP协议，这种方法的实现框图如图1所示。这种方式可以使嵌入式系统直接与Internet相连，有很大的灵活性。缺点是占用的系统资源较多，对微控制器的要求也很高，无法在8／16Bit低速微控制器为核心的嵌入式系统上实现。

图1 直接实现TCP/IP系统

　　(2)使用嵌入式网关来实现，如图2所示。各个嵌入式系统首先和网关进行通信，通信方式采用传统的RS-232、RS-485等，由嵌入式网关负责实现TCP/IP协议，完成嵌入式系统的信息与Internet的信息交互。这种方案解决了以低速8／16Bit微控制器为核心的嵌入式系统接入Internet的问题。缺点是需要一个专门的嵌入式网关，而且和各个嵌入式系统之间的通信同样受到速度和距离的限制，这种方法的实现成本将会增加。

2 嵌入式系统的组成

　　嵌入式系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和30端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式互联的目标是嵌入式设备工作在以网络为中心的环境中，把“孤立的目标系统”相互连接起来。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统必需配有一种或多种网络通信接口，使嵌入式微控制器不仅能执行传统的控制功能，而且还能执行与连接因特网相关的功能，从而把标准网络技术（TCP/IP）一直扩展到嵌入设备，由嵌入式系统自身实现Web服务器功能，这是解决嵌入式Internet问题的最佳方案。

　　嵌入式设备接入Intranet/Internet网原则上讲，只要实现TCP/IP网络协议就可以。针对嵌入式设备连接涉及的两个关键问题即传送信息的媒质和采用的协议。最常用的联接模式是以太网通信介质的有线连接与TCP/IP协议。其网络体系结构与协议分层如图1所示。利用网络接口控制器（NIC-Network InteRFace Controller）来实现物理层和链路层协议，同时微处理器运行嵌入式TCP/IP协议通信模块来实现与Intranet/Internet网的连接。一旦这个目标得以实现，就能在网络环境下在任何时间从任何地点对位于任何其它地方的系统中的微控制器进行监控，利用传统的Web和因特网机制远程监视数据和运行情况控制，而且还能在合适的条件下对系统进行调试、升级和维护。

3 技术难点分析

　　3．1 发送数据的封装

　　把一组数据发送到基于TCP/IP协议的网络上，首要条件是产生符合TCP/IP协议的数据格式。首先从一个物理帧的格式来分析。一个标准的IEEE802.3的物理帧如图4所示：