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摘要 基于以太网的控制接口技术研究 姓名：陈半 导师：张传海，郁建平 东南大学 摘要一 随着网络技术的发展以及嵌入式系统的广泛应用，传统基于总线的控制技术也将朝着阿络化的 方向发展。由于以太网具有全球的开放性、应用广泛、价格低廉、全球的软硬件支持、共享资源丰 富等特点，又由于目前国际上关于以太网控制的研究刚刚开始，差距很小，因此，研究以太网技术 在控制领域的应用有利于自主知识产权的开发，减少对专有总线的依赖性，形成公平的市场竞争环 境，具有很大的科研和经济意义。 论文首先介绍了工业控制系统的发展，分析采用以太网控制的优点及嵌入式以太网的应用前景， 并对以太网的发展、技术构成及其性能进行了论述。 其次，论文介绍了嵌入式系统硬件技术的发展、选用3 2 位嵌入式处理器的优势及系统c p u 的 选型。在此基础上，完成了系统的硬件设计部分。分析了嵌入式操作系统的特点及使用嵌入式操作 系统的必要性，介绍了嵌入式系统开发过程中常用的串口调试方法以及c l i n u x 平台下的软件开发 模式。 随后，详细介绍了基于以太网控制接口系统的软件设计，包括1 i n u x 环境下的串e l 通信与 s o c k e t 通信软件设计，在f l a s h 存储器上实现文件动态存储的方法，嵌入式w e bs e r v e r 和嵌入式电 子邮件系统的实现。 最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词：以太网，嵌入式系统，i x c l i n t l x ，j f f s 文件系统，嵌入式w e bs e r v e r ，嵌入式电子邮件 东南大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fc o n t r o li n t e r f a c et e c h n o l o g y b a s e do ne t h e r n e t n a m e ：c h e np i n g s u p e r v i s o r ：z h a n gc h u a n - h a l ；y uj i a n - p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t 、t i lt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dw i d ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ，t r a d i t i o n a lc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do nb u sw i l lm o v ea l o n gt h er o a dt o w a r dn e t w o r k i n gt o o b e c a u s ee t h e m e th a sc h a r a c t e r o fg l o b a lo p e n i n g ，u s ee x t e n s i v e ，c h e a p ，s u p p o r t i n go fs o f h a r ea n dh a r d w a r ei n t h ew o r l d ，a b u n d a n ts h a r e d r e s o u r c e b e c a u s et h er e s e a r c h 曲a tc o n t r o l sa b o u te t h e m e ti n1 1 1 ew o r l da tp r e s e n th a sj u s tb e g u na g a i n ， d i s p a r i t yi sv e r ys m a l l ，s o ，i ti sp r o p i t i o u st od e v e l o pt h ei n d e p e n d e n c eo fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr l g h t , t o r e d u c et h ed e p e n d e n c eo ne x c l u s i v eb u s ，t of o r l l lt h ef a i rm a r k e tc o m p e t i t i v ee n v i r o n m e n t i th a sv e r yg r e a t s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n de c o n o m i cm e a n i n g i nt h i sp a p e r , t h ee v o l u t i o no fi n d u s t r i y se o a t r o ls y s t e mi sf i r s t l yd i s c u s s e d t h u n , n o to n l ya n a l y s i so f t h ea d v a n t a g eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne t h e r o e ta n df o r e g r o u n do fe m b e d d e de t h e m e tb u ta l s oh i s t o r y a n dc m o j p o s i n ga n dp e r f o r m a n c eo f e t h e m e tt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ea d v a n c e m e n to fe m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r e a n dt h ea d v a n t a g eo fu s i n g3 2 b i t s e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n dt h es e l e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e mc p ua r ei n t r u d u c e d b a s e do i lt h e i n t r o d u c t i o n ，t h i sp a p e rt a k et h ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r e t h ec h a r a c t e ro fe m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e me s p e c i a l l yg c l i n u xa n dt h en e c e s s a r yo f u s i n ge m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma r ea n a l y s e d t h em e t h o dt od e b u ge m b e d d e ds y s t e t n _ _ s e r i a lm o n i t o r , a n dt h es o f t w a r e - d e v e l o p i n gm o d eu n d e rt h e p c l i n u xe n v i r o n m e n ti sd e s c r i b e di n d e t a i la sw e l l ， s u b s e q u e n t l y , t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o li n t e r f a c es y s t e mw a si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h es e r i a l a n ds o c k e tc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g nu n d e rg c l i n u xe n v i r o n m e n t ，t h em e t h o dt os t o r ed a t ei nf l a s h m e m o r yu s i n gj f f sf i l es y s t e m , t h er e a l i z a t i o no f e m b e d d e dw e b s e r v e ra n de m b e d d e dc - m a i ls y s t e m f i n a l l y , ac o n c l u s i o ni sg i v e na n dt h ed i r e c t i o nf o r t h ef u t u r er e s e a r c hi sp u tf o r w o r d k e yw o r d s ：e t h e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，p c l i n u x ，j f f sf i l es y s t e m ，e m b e d d e dw e bs e r v e r ，e m b e d d e d e - m a i ls y s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：j 孕0 i 一日 期：型土 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：罩牡导趣名： 期： 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 工业控制系统的发展 第一章绪论 丁业控制系统的发展历程如下1 1 j 【1 7j ： 1 、模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于上世纪六七十年代占主导地位。其显著缺点是功能完全依赖于硬件电路实 现，算法少，模拟信号精度差，易受干扰。 2 、集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于上世纪七八十年代占主导地位。采用单片机、p l c 、s l c 或微机作为控 制器，控制器内部传输数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了 系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制 方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排；不足的是对控制器本身要求很高，必须具有足够处 理能力和极高的可靠性，当系统任务增加或功能改变时，控制的效率、性能和适应性将急剧下降。 3 、集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d c s 诎现于上世纪七十年代，于八九十年代占主导地位，是工业计算机网络的 雏形。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能， 若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的 信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处 理能力和可靠性要求高的缺陷。 在集散控制系统中分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用。遗憾的是，不 同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其通讯控制网络采用各自的专片j 的封闭形式，不同厂家的 d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t ，i n t e r a c t 信息网络之间难以实现网络互联和信息共享。因此， 从这个角度来看，集散控制系统实际是一种封闭、专用、不具备可互操作性的分布式控制系统，且 d c s 价格昂贵。 4 、现场总线控制系统( f c s ) 现场总线( f i e l d b u s ) 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的 通信网络，遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议，其基础是智能化仪表。 分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器起 共同构成现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。 f c s 是一种实时的网络控制系统，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动化技术、网络技 术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号 控制的局限性，构成一种全分散、全数字、智能、双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统。 由于现场总线具有系统开放性、互可操作性与通用性、现场发各的智能化与功能自治及系统的 高度分散性等优点，现场总线的出现在控制领域内引起了一场前所未有的革命。然而，就在人们对 f c s 的应用前景看好的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调【j j 。 f 1 1 没有统一的国际标准基于现场总线众多的优点，从1 9 8 4 年有关组织已开始制订现场总线 的国际标准。但一些大公司和集团为了各自的利益，围绕现场总线的国际标准进行激烈争夺，结果 导致众多标准的出现。经过1 4 年的纷争，2 0 0 0 年初8 种现场总线成为i e c 现场总线国际标准子集， 这结果违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。尽管基金会现场总线试图推出中立和公正、 防止技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未能取得一致通过。 f 2 ) 关于开放性一般认为，d c s 和p l c 是属于封闭性的控制系统，而f c s 是开放性的系统。 东南大学硕上学位论文 但事实上f f ，l o nw o r k s ，c a n 等现场总线均有自己的协议，要构成个控制系统，必须采用相应 的开发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发商、研究机构才能有这类开发工 具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的开放性仍有定的局限性。 ( 3 ) 互操作性不够现场总线的一个主要特点是可互操作，但现有的1 2 种现场总线国际标准中， 异种现场总线之间是完全不能直接进行互操作的。在彼此的现场仪表之间不能直接进行互操作或者 通信，缺乏控制的实时性，互操作性不够。 另外，f c s 的传输速率较低，般在1 2 m b p s 之i 吐有些场合无法满足实时控制的要求。现 场总线发展过程中出现的这些问题，使f c s 在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。 信息网络的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层实现全面、无缝的信息集成，而不同标 准的多种控制网互不兼容，与信息网络之间更是存在协议上的鸿沟，导致这一要求难以实现。为解 决这种现象，人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。 1 1 _ 2 以太网是控制网络发展的重要方向 以太网最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p w ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上几乎已经成为通用 标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非常容易地集成到以i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的 信息网络中。以太网具有多方面的优势：相当高的传输速率，可以提供足够的带宽；能在同一总线 上运行不同的传输协议，可以建立企业级的公共网络平台或基础构架；沿用多年，为众多的技术人 员熟悉，市场提供广泛的设置、维护和诊断工具，逐渐成为事实上的统一标准等p 】。 上世纪9 0 年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办公和商业的以太网开始逐渐进入控制 领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速。与现场总线相比具有以下优点。“： ( 1 ) 以太网技术发展迅速，其技术之先进、功能之强大是其它现场总线无法比拟的，如就波特 率而言，目前主流的以太网已经达到百兆位，l o g b i t s 以太网的标准也已经在2 0 0 2 年发布，而其 它现场总线的波特率一般都在1 0 m b i f f s 以下。 ( 2 ) 开放性好。基于t c p r p 协议的以太网是一种标准的开放式网络，不同厂家的设各很容易互 联。以太网是目前应用展广泛的局域网技术，受到广泛的支持，几乎所有的编程语言都支持以太网 的应用开发，如j a v a 、v is u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。 ( 3 ) 容易与信息网络集成，有利于资源共享。由于具有相同的通信协议，以太网能实现办公自 动化网络和工业控制网络的无缝连接；随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式控制 器、智能现场测控仪表将方便地进入以太网控制网络，甚至与i n t e r n e t 相连：容易与信息网络集成， 组成统一的企业网络。 ( 4 ) 远程技术的应用。w e b 技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远程监控、远程设备 管理、远程软件维护和远程设备诊断。 一 ( 5 ) 成本和费用低廉。由于以太网市场空间巨大，以太网产品通常可以把批量做得较人，并且 以太网市场产品供应商众多，竞争激烈，所以以太网产品的价格比较低廉，使用以太网会降低成本。 正是由丁以太网具有以上众多优点，所以说以太网是控制网络发展的重要方向。 1 1 3 嵌入式系统应用技术的发展及嵌入式以太网的应用前景 今天，嵌入式系统应用技术己渗透到人类生活的各个领域，同时对工业自动化领域中的计算机 控制技术也产生了巨大的影响。嵌入式应用技术已经全面渗透到日常生活的每一个角落，任何一个 普通人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品， 人到网络家电、智能家电、车载电子设备等。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、 智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。目前，各种各样 的新型嵌入式系统设各在应用数量上已经远远超过了通用计算机。在全世界，嵌入式系统带来的工业 2 第一章绪论 年产值己超过一万亿美元。预计在美国，单是使用嵌入式技术的全数字电视产品每年将产生1 5 0 0 亿 美元的新市场”。 为了适应嵌入式分布处理和系统上网需求，嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口，即嵌入 式应用中需要以太网技术。嵌入式以太网是嵌入式技术与网络技术的结合，是嵌入式系统应用的新 领域。嵌入式以太网具有极其广阔的应用前景，主要应用领域如下： ( 1 ) 智能公路，包括交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务； ( 2 ) 信息家电的网络化； ( 3 ) 家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统； ( 4 ) 工业自动化领域：如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设各监测、石油化下 系统； ( 5 ) p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a r t c a r d ，c s c ) 发行系统，公共 电话卡发行系统，自动售货机； ( 6 ) 环境丁程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网， 实时气象信息网，水源和空气污染监测。 1 2 课题的研究意义 由丁中国在总线之争中并未付出大的代价。同时也没有一种总线在中国占有压倒性的优势，研 究以太网控制技术可以跟踪并采用国际先进技术，发挥后发优势，迅速缩短与发达国家的技术差距。 减少对专有总线网络的影响，有利于形成公平的市场竞争环境，有利于中国和国际接轨，降低项目 投资费用。同时，由于以太网是开放、免费且无知识产权限制的技术，采用以太网进行控制可以节 约资金，减少技术的依赖性，并有利于自主知识产权的开发；可以促进w e b 自动化等更先进的技术和 模式在中国的应用，有利于制造业中间件软件市场的形成，为中国参与下一轮国际技术竞争创造良 好的条件。 基于以太网的控制研究在中国处于起步阶段，要解决的问题还很多。但它相对丁：传统工业网络 的巨大优势必将推动其在自动化领域的广泛应用，并最终成为一种重要的实现不同系统、不同产品、 不同应用无缝集成的基础平台和工业标准。 1 3 论文的主要任务和内容 本课题研究的是一种基于嵌入式以太网的控制接1 2 1 技术，包括硬件接1 2 1 与软件接口二个方面， 它结合了网络技术、控制技术、嵌入式系统等多方面技术，是一种跨专业的机电一体化系统，主要 由处理器芯片及网络模块、片上系统等部分组成。最后，以物料检测系统为应用对象，研究了具体 应用中需要实现的j f f s 文件系统、u c l i n u x 环境下串口通信与网络通信、嵌入式w e b 服务器和电子 邮件等技术。 为此，本课题将着重完成以下下作： 1 、以太网通讯模块及系统硬件部分的设计； 2 、嵌入式操作系统的选择与移植； 3 、u c l i n u x 环境下串e l 通信与网络通信的实现： 4 、以文件的方式实现在f i a s f 中数据的动态存储； 5 、嵌入式w e b 服务器的实现； 6 、实现嵌入式电子邮件系统。 3 东南大学硕士学位论文 第二章以太网技术概述 2 1 以太网的发展历程8 m 1 二十世纪六十年代末，h a w a i i 火学的a b r a m s o n 为了在夏威夷的各个岛屿之间进行通信，开发 了共享一个公共通信信道的实验性无线电网络。其协议相当简单，各站点随时都可以发送信号，然 后等待确认，如果经过一段时间后没有收到确认，则选择一个随机的回退时间，再重新发送。 七十年代初期，x e r o n x 公司的p a l o a l t o r e s e a r c h c e n t e r 研究中心的b o b m e t c a l f e 对上述实验系 统进行了改进，实现对共享通信信道的访问进行仲裁。b o bm e t c a l f e 的新系统包括了冲突检测，在 传前先监听的机制，同时系统还支持多个站点对一个共享信道的访问( 多重访问) 。1 9 7 2 年，b o b m e t c a l f e 开发出了第一个实现上述功能的实验性以太网系统。1 9 7 3 年，b o bm e t c a l f e 将该系统称为 “以太网”。1 9 7 6 年，m e t c a l f e 和b o g g s 在a c m ( a s s o c i a t i o nf o rc o m p u t i n gm a c h i n e r y ) 的通信杂志上 发表了论文：“e t h e m e t ：d i s t r i b u t e dp a c k e ts w i t c h i n g f o r l o c a l c o m p u t e r n e t w o r k s ”( 以太网：局域计 算机网络的分布式包交换) 。1 9 7 7 年，b o bm e t c a l f e 通过申请获得了以太网专利。 计算机通信领域中的革命需要的是一种任何人都能够使用的网络技术。从1 9 7 9 年开始，b o b m e t c a l f e 致力于使以太网成为一种开放式的标准。1 9 8 0 年，d e c 公司、i n t e l 公司和x e r o n 公司宣布 了一个4 0 m 以太网标准，并且只需支付很低的价格即可获得该专利的使用权，不久后，x e r o n 公司 还放弃了以太网的商标权。尽管通过共享专有计算机技术而使每个人都能受益丁- 公共标准的想法在 当时属于激进，由于b o bm e t c a l f e 的正确见解，他认识到使以太网成为开放标准的重要性，通过努 力，终于使以太网标准成了世界上第个开放式的、多销售商的局域网标准。 1 9 8 5 年，以太网成为i e e e 的8 0 2 系列标准中的第一个标准化的局域网技术标准，i e e e 8 0 2 3 以太网标准已经成为一种世界性的标准，全球的销售商都可以生产适用于以太网系统的设备。“以太 网作为开放式的、非专有的、企业标准局域网的发明，也许比以太网技术本身的发明更重要。” 8 0 年代的以太网使用同轴电缆作为传输载体，随着接入网络的计算机的不断增加，同轴电缆系 统的缺点越来越突出。9 0 年代初，出现了利用星型连接的双绞线电缆系统的以太网，随后基于双绞 线电缆系统的结构化布线系统标准开发完成，它们给以太网带来了巨火的扩展，由于它们的可靠、 易于安装和管理，支持快速的故障排除，使双绞线以太网成为目前使用最广泛的网络技术。 9 0 年代，以太网技术出现了进一步的革新，1 0 0 m 快速以太网创造完成，并于1 9 9 5 年被正式采 纳为i e e e 8 0 2 3 u 标准。快速以太网可使用双绞线和光纤作为介质系统，并且包括了自动协商机制， 可通过协商决定工作在i o m 或者是l o o m ，这样，可以很容易的实现从i o m 以太网到1 0 0 m 以太网 的转换。 1 9 9 7 年3 月，成立丁作组8 0 2 3 a b 集中解决用五类线构造千兆以太网的标准问题，而8 0 2 3 z 任 务组则集中制定使用光纤和对称屏蔽铜缆的千兆以太网标准。现在，8 0 2 3 z 标准已在1 9 9 8 年6 月由 i e e e 标准化委员会批准。8 0 2 3 a b 标准计划己在1 9 9 9 年通过批准。 2 0 0 2 年6 月，i e e e8 0 2 3 a e1 0 g 以太网标准发布，以太网的发展势头又一次得到了增强。 2 2 以太网技术构成 以太网系统由硬件和软件两部分组成，二者共同实现以太网系统各计算机之间传输信息和共享 信息。以太网系统应具有以下四个基本要素： ( 1 ) 帧，指一系列标准化的数据位，用来在系统中传输数据； ( 2 ) 介质访问控制协议，由内嵌于各个以太网接口中的规则组成，允许个以上的计算机以竞争 的方式访问共享的以太网信道； ( 3 ) 接口部件，标准的电子设备，在以太网信道中发送和接收信号； 4 第二章以太网技术概述 ( 4 ) 物理介质，由电缆或其它用来传输数字式以太网信号的硬件组成。 2 2 1 以太网帧结构 帧是以太网系统中的核心概念，是所传输的数字信息的虽终组成形式。其它的基本要素，如接 口部件、物理介质和介质访问控制协议等，仅用来在计算机之间传输以太网帧。i e e e 8 0 2 3 标准的以 太网帧格式如下 i p rs dd as at y p ed a l l ap a df c s 5 6 位8 位4 8 位4 8 位 1 6 位 不超过1 5 0 0 字节可选3 2 位 p r ：同步位。用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率( 1 0 m 和1 0 0 m 的时钟频率 不同，1 0 0 m 网卡可以兼容1 0 m 网 ) ，是5 6 位二进制数1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 ； s d ：分隔位。表示f 面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8 位的1 0 1 0 1 0 1 1 ，与同步位 不同的是最后2 位是1 1 而不是1 0 ： d a ：目的地址位。以太网的地址为4 8 位( 6 个字节) 二进制地址，表明该帧传输给哪个网卡。 有三种类型：1 ) 物理地址，每个节点都分配一个独一无二的物理地址，并且存储在每个节点的内部 地址寄存器组中，因此物理地址唯一的确定了一个节点，可以看作一个节点的标志，所有的物理地 址的特点是m s b ( 地址位的首位) 为0 ；2 ) 多播地址，它的标志是以一个为1 的m s b 开始，代表 网络上的一组节点；3 ) j “播地址，4 8 b i t 全为1 ，目的地是网络上的所有节点。 s a ：源地址，4 8 位，表明该帧数据是哪个网膏发出的是发送端的网 地址； t y p e ：类型字段，表明该帧的数据类型，不同的协议的类型字段不同。例如：0 8 0 0 h 表示数据 为l p 包，0 8 0 6 h 表示数据为a r p 包，8 1 4 c h 是s n m p 包，8 1 3 7 h 为i p x s p x 包( 小于0 6 0 0 h 的值 是用于i e e e 8 0 2 的，表示数据包的长度) ； d a t a ：数据段，该段数据不能超过1 5 0 0 字节。因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超 过1 5 1 4 字节( 1 4 字节为d a s a ，t y p e ) ； p a d ：填充位。由于以太网帧传输的数据包最小不能小于6 0 字节，除去( d a ，s a ，t y p e1 4 字 节1 ，还必须传输4 6 字节的数据，当数据段的数据不足4 6 字节时，后面补0 0 0 0 0 0 ( 当然也可以补其 它值) ： f c s ：数据校验位。为3 2 位的c r c 校验，该校验由网卡自动计算，自动生成，自动校验，自 动在数据段后面填入。 事实上，发送数据时，p r 、s d 、f c s 及p a d 数据段由以太网控制器自动产生：而接收数据时， p r 、s d 被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段( 即p r 、s d ) ，就认为接收数据开始。 2 2 2 以太网协议 i e e e 8 0 2 3 的以太网标准描述了位于o s i 模型最低两层中的实体。 在i e e e 8 0 2 3 标准中首先将o s l 参考模型中的数据链路层分为两个子层，如图中的l l c 层和 m a c 层。 东南大学硕上学位论文 图2 1 以太网协议 m a c 子层负责控制对网络的访问。为此，该层必须保证两个或更多的工作站不会同时试图向网 络发送数据。对以太网而言，这是通过使用c s m a c d 实现的。除了负责网络访问控制外，m a c 层 还负责数据进入和离开时有序流动。为此，m a c 子层需要担负m a c 寻址、帧类型识别、帧控制、 帧拷贝和其它类似的与帧相关的工作。 m a c 地址表示每一个连入网络的= 上作站的物理地址。该地址可以是单个丁作站的地址、代表一 组工作站的地址( 组地址) 或是代表网络中的所有工作站的地址( 广播地址) 。物理资源和帧的目的 地通过m a c 地址识别。、 帧类型识别能够鉴别帧的类型和格式。为保证帧能够被止确地处理，帧控制功能在每帧的开头 加入前序，并且通过循环冗余校验算法计算出帧校验序列。在接收站中如果算出的帧校验序列与帧 中附带的帧校验序列相同，则该帧被看作无差错的到达了目的地。 m a c 发现到达帧的目的地址与工作站的地址相同，则进行帧的拷贝工作，将帧中的前序和帧起 始定界符等特定字段去除，剩余的信息字段送到预先指定的缓冲区中。 l l c 层用于在高层协议与介质访问控制之间提供连接。 2 2 3 介质访问控制规则 以太网技术介质访问控制规则采用c s m a c d 介质访问控制规则，即载波侦听多路访问肿突检 钡i ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l o s i o nd e t e c t i o n ) 。 在传送一个帧时，站点要进行以下步骤嗍i l u 】： f 1 ) 侦听总线，观察是否有其它节点正在发送。若发现有节点正在发送，就继续侦听，直到信道 空闲时为【e ； f 2 ) 若没有检渊到信号，可以发送消息： ( 3 ) 发送的时候继续侦听总线，将发送的消息与侦听到的进行比较，若二者一致就继续发送； ( 4 ) 若侦听到的消息与发送的不一致，就认为发生了冲突，这时停止发送： f 5 ) 发送一个拥塞序列，以警告所有的节点现在已检测到冲突。拥塞序列的长度是9 6 位，其格 式是1和“0 ”交替变化，以保证网络中所有的设备都停止发送： ( 6 ) 随机等待段时间，跳转至( 1 ) 重新开始。 在以太网中没有传统意义的载波信号，那么m a c 层是如何侦听信号的呢? 答案在于所采用数 据编码为曼彻斯特码。在该编码中，变换发生在每个比特周期的中间。这种变换既可作为定时机制 使接收器与接收数据同步，又可作为数据表示方法。在曼彻期特编码中，二进制的1 由从高到低的 电平变换表示，而二进制的0 则由从低到高的电平变换表示。因此， 作站通过检测介质上的电平 就可以判断是否有载波信号。 如果存在载波，工作站继续侦听直到载波消失信道空闲) 。然后再等待一段相当9 6 位的时间， 以便以太网接口进行帧接收之间的恢复。这段时间称为帧间隙时间。 站点开始进行数据传输，并同时检测是否存在冲突。由于以太网中经曼彻斯特编码后的信号的 平均直流电压为l 伏特，所以冲突的结果是平均直流电压变成了2 伏特，通过监视线路的电压，接 口部什就可以检测是否存在冲突。 6 第二章以太网技术概述 站点检测到冲突，将停止数据发送并开始发送阻塞模式，即3 2 到4 8 比特的任意信号。发送阻 塞模式可以使冲突延续足够氏的时间以便网络上的所有站点均能检测到冲突的发生。 产生冲突后，站点在重新传送前等待的延迟时间是传送5 1 2 位数据时间的整数倍，将这一时间 与一个随机数r 相乘得出的是总的后退延迟时间。后退算法使用下面的公式来决定随机数r ： 0 r 2 “k = m i n ( n 1 0 ) 式中r 为从0 到2 的k 次幂之间随机选取的一个整数； k 为尝试传送的次数或数字l o 中较小的值。 因此，接口在试图发送一个帧时发生了冲突，由于进行尝试的次数为l ，k = l 。2 “为2 ，接口 将在0 和l 中随机选择一个整数作为r 值，如果第一次重试也是冲突，则尝试次数为2 ，随机数r 可在0 到2 2 之间选择。在这里，传送某个帧过程中产生冲突后，接口不一定需要选择一个更人的整 数r ，仅是可供选择范围变得更大，接口产生回退时间的概率增加了，在前1 0 次尝试重发过程中k 值不再增加，表明算法的截断，1 6 次重试以后接口放弃，向高层协议报告这个帧传送失败。此算法 称为截断二进制指数回退算法( t r u n c a t e db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko 毋。 以太网介质访问控制机制是一种可靠的低消耗访问控制系统，但它的工作过程并不是所有方面 都是最优的，其中典型的如信道截获。当几个站点同时竞争对信道的访问时，一旦其中一个站点获 胜并传送它的帧时，它将拥有一个为0 的冲突计数器，其它站点的计数器为非0 。如果“胜利”的 站点继续参加对信道的竞争，它比其它冲突计数器非0 的站点拥有优势，有可能继续在竞争中获胜， 从而在一段时间内“截获”信道。这种情况并不常见，只有当站点有大量数据需要发送才可能发生。 i e e e 8 0 2 3 w 正在将改进的算法纳入标准，其中一种称为二进制对数仲裁方法b l a m ( b i n a r y l o g a r i t h m i c a r b i t r a t i o n m e t h o d ) 与现有的以太网接口向后兼容，而且可消除截获的影响。 2 2 4 以太网接口 图2 2c s m a c d 截获流程图 以太网娃局域网，网络上的站点被相同的介质连接在一起，每一种网络类型都有一系列标准 7 东南大学硕士学位论文 称为拓朴规则，用来规定网络设各的物理连接方式。有三种基本的网络拓扑形式：星型、环型和总 线型“1 。以太网使用总线型的操作模式，虽然有些以太网在物理上表现为星型拓朴，但逻辑上仍采 用总线方式操作。如采用双绞线作为传输媒体的以太网系统。 图2 3 以太网拓朴结构 各站点与总线相联的以太网接口部件或称为网络接口控制器是网络中的基本构成部分，带有内 置式以太网收发器的以太网接口一般称为网络接口卡。 下图为接口卡的基本结构： 以太网总线 2 2 5 以太网物理介质 图2 4 以太网接口 系统内部总线 1 0 0 m 以太网系统使用两对非屏蔽双绞线，一对用于接收数据信号，另一对用于发送信号。所t j 的电缆必须是符合t i a e i a5 类规范的非屏蔽双绞线电缆，而且最大的网段电缆长度不超过1 0 0 m 。 系统中的两对双绞线都终止于一个8 针的r i - 4 5 型连接器里，1 0 0 m 以太网仅使用其中的4 根针。如 下表，第1 、2 针用于发送数据，第3 、6 针用于接收数据。另外为了避免与其它信号共享电缆而可 能产生的信号串音，剩f4 根线不能用于其它用途。 表2 11 0 0 b a s e - t xi l i - 4 5 信号 钊+ 号 信号 1 1 d + ( 发送数据) 2 t d 一( 发送数据) 3 r d + ( 接收数据) 6 r d ( 接收数据) 4 ，5 ，7 ，8未用 为了使双绞线电缆两端的收发器之间能够传递数据，其中一个收发器的发送数据必须能送到另 一个收发器的接收数据线上，反之亦然。因此，连接两台计算机的电缆必须是能够提供信号交叉的 电缆。这种龟缆一端的i l i - 4 5 插头里的发送数据针与另一端的i l i - 4 5 插头里的接收数据针相连。如 8 第二章以太网技术概述 图所示。 1t d + 2t d 一 3r d 十 4r d 溪 t d + t d r d 十 r d 一 图2 5 1 0 0 b a s e - t x 变叉电缆连线 对于通过中继集线器相连的计算机，由于在集线器端口内部实现了信号的交叉连线，从而用户 不必再考虑为每个双绞线提供交叉方式的连接电缆，可以使用“直通”的连线方式。 2 3 以太网性能 以太网性能主要是指基于以太网的应用程序运行时的响应时间。早期人们认为以太网在3 7 的 利用率时产生饱和，但在后米的更精确的测量性能的模型上得到的结果证明这个数据是对以太网性 能的误解。 图2 6 以太网性能 上图显示了以太网负载与站点数目对响应时间的影响。图中显示直到出现超过5 0 的连续负载 前，以太网的平均响应是不错的，网络在这个利用水平上快速的响应。在5 0 0 o - 8 0 的利用率时，以 太网的延迟时间开始增加，短暂的处于该范围不会出现什么大问题，但是平均负载长时间处于这个 范同不利于获得最佳性能。超过8 0 的连载负载后传输延迟可达到相当高的水平，平均负载长时间 处于这范围表明以太网是严重过载。 9 东南大学硕士学位论文 第三章基于以太网的控制接口系统处理器选型 3 1 嵌入式系统概述 一般而言，嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【l 。它主要由嵌入式微处理器、 外同硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，实现对其它设备的监控和管理等功 能，它通常嵌入在主要设备中运行，这种设备可称为嵌入式设备。 嵌入式系统由硬件和软件两部分构成。硬件部分包括微处理器、存储器及外设器件和i o 端口 等。软件部分包括操作系统软件( o s ) 和应用程序软件。同通用计算机系统相比，嵌入式计算机系 统具有以下特点i l j j ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大 多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用 c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力 大大增强，与网络的耦合也越来越紧密； ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合 后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系 统； ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，并且便于裁剪，力争在同样的硅片面积上 实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力； ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此 嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期； ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机 本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。1 = 业制造、过程控制、通讯、仪器、 仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 3 2 嵌入式系统处理器选型比较 近几年以a r m 系列处理器为代表的3 2 位嵌入式处理器对嵌入式领域的应用开发带来了一场革 命。3 2 位处理器以其优越的性能，强大丰富的开发调试手段，相对低廉的价格，使越来越多的嵌入 式开发工程师选择了3 2 位嵌入式处理器。3 2 位嵌入式处理器与传统的8 位或1 6 位处理器选型比较 如表3 1 。 在嵌入式处理器的选型上，排除了8 位和1 6 位处理器，选择3 2 位嵌入式处理器，基丁以下几 个方面的考虑； 首先，考虑实现以太网通信的需要。u c l i n u x 不能被移植到8 位和1 6 位处理器，这样在8 位或 1 6 位处理器上运行t c p i p 协议软件工作量人，在有成熟协议栈软件的今天花人量时间和精力去编 写实现t c p i p 协议意义不大。3 2 位的a r m 系列处理器则很好的支持p , c l i n u x ，在心l i n u x 环境下 实现网络通信难度大大降低，在u c l i n u x 下进行s o c k e t 编程实现网络通信和在l i n u x 环境下一样， 开发工作量小。 其次，考虑到工业控制现场的需要。随着工业控制系统的发展，有越来越多的信号和数据需要 进行分析处理与传输，这对系统的运算速度和多任务提出了更高要求，采用3 2 位处理器可以很好的 满足实际需要。 另外，随着i c 技术的发展，3 2 位处理器有着更高的性价比，符合技术发展的潮流。因此选用3 2 1 0 第三章摧于以太网的控制接口系统处理器选型 位处理器作为研究对象能