（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式视频服务器internet接入技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着通讯技术、网络技术和半导体技术的飞速发展，i n t e m e t 技术正在逐渐 向嵌入式系统设计领域和视频技术渗透，i n t e r n e t 给人们的学习和生活带来了极 大的方便，缩短了人与人之川空间上的距离，己成为人们| 二_ f 常生活中不可缺少 的一部分。更重要的是嵌入式设备对i n t e r n e t 的需求也正f = f 盏迫切，嵌入式系统 的网络互联成为当前嵌入式系统发展的热点领域和重要方向。把微处理器技术 应用到嵌入式i n t e r n e t 系统中将成为今后的发展方向。 本文以数字视频监控系统为背景，将嵌入式操作系统技术、计算机网络技 术、d s p 控制及开发技术结合于一体，对嵌入式视频服务器的核一心技术之一嵌 入式操作系统的网络接入技术进行了深入的研究与探讨。文中首先概述了国内 外嵌入式系统网络接入研究的发展近况，然后全面介绍了嵌入式系统网络接入 技术；并着重研究、讨论了嵌入式t c p i pm 议栈；第4 章详细讲解了嵌入式操 作系统网络接入的软件开发环境：d s p b l o s 与n d k 及其编程方法。 目前嵌入式操作系统的网络接入，特别是集成网络功能的单芯片嵌入式接 入设备基本上采用的都是国外产品，国内产品很少，因此研究基于单芯片d s p t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的嵌入式操作系统的网络接入对于国内相关领域的研究是具有 一定的实用和参考意义的。当前，依托现有芯片实现嵌入式设备稳定、便捷的 接入网络成为当前视频监控设备研究领域一件迫在眉睫的事情。本文第5 章实 现了一个较为简单的网络应用来完成嵌入式设备的因特网接入，并通过此实例 来深入说明嵌入式设备网络接入的基本原理、组成和结构，通过介绍具体的接 入过程和方法，对单芯片d s p 的网络接入技术进行了的研究和探讨。最后通过 在实验开发平台上的运行、测试，证明单芯片d s p 网络接入和传输功能的稳定 可靠，实现了m p e g 一2 视频流的实时网络传输。 关键字：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 d s p b i o sn d k 嵌入式系统网络接入 武汉理l ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t a tf a l l s p e e d o fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y n e t w o r k t e c h n o l o g ya n ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，i n t e r n e tt e c h n o l o g yi sp e r m e a t i n gv i d e o t e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e mf i e l dp e r m e a t eg r a d u a l l y i n t e m e th a sb r i n gg r e a t c o n v e n i e n c et op e o p l e ss t u d ya n dl i f e ，h a ss h o r t e n n e dt h ed i s t a n c eb e t w e e nm e n ，a n d h a sa l r e a d yb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ep a r ti np e o p l e sd a i l yl i f e t h em o r ei m p o r t a n t t h i n g i st h a tt h ee m b e d d e de q u i p m e n t sd e m a n df o ri n t e m e ti s u r g e n td a yb y d a y r e a l i z i n g i n t e r n e ti n t e r c o n n e c t i o ni se m b e d d e d s y s t e m f o c u sa n di m p o r t a n t d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tt h i sp r e s e n t t h i st h e s i st a k e sm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ed i g i t a lv i d e oa st h eb a c k g r o u n d ， c o m b i n e se m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y , c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y , d s p c o n t r o la n dd e v e l o pt e c h n o l o g yi n t oa no r g a n i cw h o l ea n dc a r r i e so nd e e pr e s e a r c h a n dd i s c u s s i o nt oe m b e d d e ds y s t e m sn e t w o r ka c c e s s a tf i r s t ，t h ea r t i c l es u m su p t h er e c e n td e v e l o p m e n t si nn e t w o r ka c c e s so fe m b e d d e ds y s t e mb o t ha th o m ea n d a b r o a d t h e ni n t r o d u c e st h ea c c e s st e c h n o l o g yo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma l l - s i d e l y ： s t u d i e sa n dd i s c u s s e st h ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o li ne m p h a t i c a l l y ；c h a p t e r4 i n t r o d u c e st h es o f t w a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( d s p b i o s ，n d k a n d p r o g r a m m i n gm e t h o d ) i n d e t a i l a tp r e s e n t ，t h es i n g l ec h i pn e t w o r ka c c e s se q u i p m e n tb a s i c a l l ya d o p t sf o r e i g n p r o d u c t s ，t h e r ea r ef e w d o m e s t i cp r o d u c t s ，s os t u d y i n gt h es i n g l ec h i pn e t w o r ka c c e s s b a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 2h a sc e r t a i np r a c t i c a la n dr e f e r e n c em e a n i n g n o w ，u s i n g e x i s t i n gc h i pt or e a l i z es t e a d y ，c o n v e n i e n tn e t w o r ka c c e s s o ne m b e d d e de q u i p m e n t b e c o m e st h ef i r s t e x t r e m e l yu r g e n tt h i n go fv i d e om o n i t o r i n gr e s e a r c h c h a p t e r5 r e a l i z e so n es i m p l en e t w o r ka p p l i c a t i o nt oa c c o m p l i s hn e t w o r ka c c e s s a n de x p l a i n s t h eb a s i c p r i n c i p l e ，m a k e u p a n ds t r u c t u r eo fe m b e d d e de q u i p m e n t t h i st h e s i s t r e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h es i n g l ec h i pn e t w o r ka c c e s s sc o u r s ea n dm e t h o dt h r o u g h i n t r o d u c i n g c o n c r e t ea c c e s sc o u r s ea n dm e t h o d f i n a l l y ，a f t e ro p e r a t i n g ，t e s t i n go n t h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m ，p r o v e t h ec r e d i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fs i n g l ec h i pd s p sn e t w o r k a c c e s sa n dt r a n s m i s s i o n ，a n dr e a l i z et h er e a l t i m em p e g 2 v i d e of l o w i n gt r a n s m i t s k e y w o r d ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p b i o s n d ke m b e d d e d s y s t e m n e t w o r k a c c e s s 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 视频监控系统是安全技术防范体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、 防范能力极强的综合系统。它可以通过遥控摄像机及其辅助设备( 镜头、云台等) 直接观看被监视场所的切情况；可以把被监视场所的图像内容、声音内容同 时传送到监控中心，使被监控场所的情况一目了然。同时，视频监控系统还可 以与防盗报警等其它安全技术防范体系联动运行，使防范能力更加强大。视频 豁控系统广泛的应用于机场、港口、银行、体育馆和大楼等公共场所f 1 1 。 视频监控系统的发展大致经历了三个阶段：在九十年代初以前，主要是以 模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代中期， 随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处 理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示， 从而大大提高了图像质量，这种基于p c 机的多媒体主控台系统称为第二代数字 化本地视频监控系统。九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容 量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化 的网络时代，称为第三代远程视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依 托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核，1 5 ，以智能实用的图像分析为 特色，弓f 发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的 高度重视。 第三代视频监控系统以嵌入式视频服务器为核心，通过嵌入式视频服务器 内置的嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。将摄像机送来的 视频信号数字化后由高效d s p 压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服 务器进行发布和传送。网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的摄像 机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操 作。 在嵌入式视频服务器基础上组建的监控系统与其它监控系统的比较具有如 武汉理工大学硕士学位论文 下特点1 2 1 ： 1 ) 布控区域广阔。嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连入 网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛 弃了地域的概念，扩展布控区域。 2 ) 系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以i p 地址进行标识，增 加设备只是意味着i p 地址的扩充。 3 ) 可组成非常复杂的监控网络。采用基于嵌入式视频服务器为核心的监控 系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于p c 平台的监控方式有极大的下同， 由于w e b 服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络 上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。 4 ) 性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式视频服务器实际上基于嵌入式电 脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和w e b 功能集中到 一个体积很小的设备内，直接连入局域网或i n t e r n e t ，即插即看，系统的实时 性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 正是由于数字视频监控具有传统模拟监控无法比拟的优点，而且符合当前 信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控系统正在 逐步取代模拟监控系统，广泛应用于各行各业。 本论文作者针对这一发展趋势，结合研究生论文阶段参加并完成的实际项 目：“湛江市港务局物流自动化平台数字视频监控系统”，以学院的学科建设为 背景，依托实验室基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片的图像开发评估板( e v m ) ，结合嵌入式 操作系统技术、计算机网络技术、d s p 控制及开发技术，针对嵌入式视频服务 器的核心技术之一嵌入式操作系统的网络接入技术进行了深入的研究与探讨。 1 2 嵌入式系统网络接入研究的历史与现状 将嵌入式系统与i n t e r n e t 相结合的想法由来己久，主要的困难在于当时的 i n t e r n e t 在速度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求； 另外，各种网络通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较 高，当时的嵌入式系统中除部分3 2 位以上的处理器外，都无法达到这一要求。 随着i n t e r n e t 在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的 武汉理工大学硕士学位论文 融入，以太网与专用通信网络的差距f 在逐步缩小。另外，从8 0 年代起，一些 i t 组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌入式处理器都支 持网络协议，女n r a b b it 半导体公司的r a b b it 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m i s 6 系列嵌入式处理器、m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等。可以说，目 前研究嵌入式i n t e r n e t 的条件己经成熟。 国外对嵌入式i n t e r n e t 的研究己从理论阶段过渡到开发阶段。国外许多大 公司如e m w a r e ，m i c r o c h i p ，s l i ，s e e n i x 等建立了嵌入式i n t e r n e t 联盟，来专门 讨论和制定嵌入式i n t e r n e t 领域的标准和开发相关的技术。在工业控制领域， 美国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网，研发了“以太网i o 系统”一s m a p i o 系统【3 j ， 通过以太网对分布在远程设备现场的i 0 口进行访问，从而实现对远程设备的监 测和控制。a n a p i o 已成功应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输油管线 的监控及小区智能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用i e e e1 4 5 2 2 智能 传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有l o b a s e t 以太网接口，能够运行 f t p h t t p t c p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。 国内在基于嵌入式i n t e r n e t 方面的研究并不多见，对数字视频监控领域的 理论研究主要局限于专用总线网络上，也有部分学者对建立i n t e r n e t 通信网络 进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段。近年，由于市场 的推动，厂家和相关科研机构加强了嵌入式i n t e r n e t 接入设备的研发。国内在 芯片的二次开发、周边控制电路的整合等方面的技术已经比较成熟。如国内的 创世公司，在d s p 编解码和网络接入方面已经有较成熟的c n v s 系列嵌入式网络视 频设备。但是在芯片的核心算法研究、嵌入式系统软件的执行效率上和国外相 比还有较大的差距。总的来讲，由于起步晚，技术较落后，大部分还停留在o e m 的层次。 就嵌入式视频服务器而言，目前一般使用带内置嵌入式操作系统的嵌入式 w e b 服务器来实现网络功能。即采用独立于d s p 的网络控制芯片，将通讯协议、 i n t e r n e t 协议、i p 及许多外设集成在一个s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 内，这是目前国 际上研究的热点。但是这种方法在实现过程中也存在着很多问题：无法对系统 进行灵活配置、无法根据应用的需要对系统进行裁减，并且因为芯片的加入而 增加系统的成本。 随着芯片技术的发展，t i 公司于2 0 0 3 年推出了一款专门针对数字视频应用 武汉理工大学硕士学位论文 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 数字信号处理器( d s p ) 。该芯片新增了很多外围设备和接口，特 别是增加了具有比较完整网络功能的以太网媒体存取控制器一e m a c ( e t h e r n e t m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ) 。从而将d s p 的数据处理和网络控制功能集成到一块 芯片上来。d m 6 4 2 丰富的外围接口使得它近乎是一个多媒体嵌入式系统的单芯片 硬件平台；它的完全可编程性，又可以使得它能够兼容正在发展的各种多媒体 信号处理标准，构成通用的多媒体通信系统软件平台。这些特性使得它在数字 视频处理领域具备了广泛的应用的条件。当前，国外如d i g i t a l5 i n c 、d s p s o f t w a r e d s pr e s e a r c h 、i n g e l i e n tt e c h 、m a c c h i n a 等公司已经推出了基于该 芯片的网络视频终端产品f 4 】，国内对于这方面的研究刚刚起步。 1 3 本文的研究目的和主要内容 现今，d s p 以及嵌入式网络系统的应用极其广泛，也是今后工业控制、通信 等领域发展的重点。但是目前嵌入式网络接入的研究偏重于工业现场设备和远 程仪表领域，而当前嵌入式网络视频终端已经被广泛应用。因此对视频网络接 入技术的研究是十分迫切和有实际应用价值的。 本论文主要是对嵌入式系统网络互联技术的可行性进行探索，分析和了解 嵌入式系统的特点、网络互联必备的结构、网络互联的步骤、嵌入式系统网络 互联所面临的困难等等。本文研究的重点在于d s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 嵌入式硬件系 统上以太网网络的接入具体实现。 本文内容安排如下： 1 ) 阐述了论文课题的引出，介绍目前国内外以太网通信研究的发展与现状 以及本文的研究目的和主要研究内容。 2 ) 介绍了因特网的接入技术，对每种技术的解决方案，每种方案的特点， 目前的发展状况做了简要地阐述。并重点介绍了嵌入式接入技术。 3 ) 简述了标准t c p i p 协议的基本理论，并根据嵌入式t c p i p 协议栈与标 准t c p i p 协议的不同重点，分析了嵌入式t c p i p 协议栈于网络各层的实现过 程。 4 ) 简述了论文研究的开发平台，介绍了d s p b i o s 实时操作系统和n d k 网 络开发包的特点。 武汉理，1 ：人学硕士学位论文 5 ) 给出了嵌入式视频服务器网络接入的硬件及软件实现，并结合芯片分模 块介绍了系统网络功能的实现过程。研究了网络接入的关键技术，测试并分析 了系统调试结果。 6 ) 论文最后对研究工作做了总结，既回顾了本文所作的工作，也客观地分 析了本文的不足所在，并在基础上，对今后有待研究的问题作了一个展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统网络接入技术 2 1 i n t e r n e t 接入技术 因特网( i n t e m e t ) 发展至今，己出现了许多种不同的接入技术，主要包括： 1 ) 铜线接入技术； 2 ) 光纤接入技术； 3 ) 无线接入技术； 4 ) 嵌入式接入技术。 本章将就这几种接入技术作一下比较，以对各种不同的接入技术有一个大 致地了解。 2 1 1 铜线接入技术 到目前为止，铜线技术仍然是网络接入的主要手段，在通信网络中占据了 重要地位。传统的铜线接入方式适用于解决话音及低速数据业务，己经成为高 速宽带业务通达到用户的最终“瓶颈”。为解决铜线的宽带传输问题，人们提 出了很多解决方案。 未来利用电话网铜线的主要技术为d s l ( d j g j t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 技术。 与其他接入方式相比，d s l 技术的优势主要体现在以下三点： 1 ) 电话网的改造升级通常比有线电视网的升级容易，投资也相对较低； 2 ) d s l 己经存在一些标准，并被众多厂商支持和使用； 3 ) 新的衍生技术有望大大降低d s l 的推广成本。 d s l 技术方式主要有以下几种： 1 ) 不对称数字用户环线( a d s l ：a s y m m e t r i c a ld s l ) ； 2 ) 高比特率数字用户环线( h d s l ：h ig h d a t a r a t ed s l ) ； 3 ) 甚高速数字用户环线( v d s l ：v e r y h i g h r a t ed s l ) ； 4 ) 单线路数字用户环线( s d s l ：s i n g l e 1 i l i ed s l ) ； 6 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 速率自适应数字用户环线( r a d s l ：r a t ea d a p t i v ed s l ) 6 ) i m d s i 。 2 1 2 光纤接入技术 铜线技术所能解决的传输总归有限，而且需要大量资金的投入。随着光纤 成本的降低，光缆在价格上可与铜缆媲美，加上其固有的宽带优势，完全可承 担多业务的接入要求。可以预言，接入网的光纤化将是解决用户端“瓶颈”问 题的最终方案，光纤接入网( o p t i ca c c e s sn e t w o r k ) 是用光纤作为主要的传输 媒体来取代传统的双绞铜线，通过光网络终端( o l t ) 连接到各光网络单元( o n u ) ， 提供用户侧接口，也就是采用光纤通信或者部分采用光纤通信的接入网技术。 o a n 具有上下行信息都能宽带传送、新建系统能具有最佳的性价比、有较长的传 输距离、能产生更多的业务并获得更大的收益、运行和维护费用低、传输质量 高、在同一时间内可获得多种功能等明显优点。 光纤接入网可分为光纤到户( f t t h ) 、光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到居民区( f t t z ) 、光纤到远端模块局( f t t r ) 、光纤到办公室( f t t o ) 等。 光纤到户( f 丌h ) 和光纤到办公室( f t t o ) 为一种全光纤的网络结构，把用户 侧的o n u ( o p t i e a n e t w o r ku n i t ) 设置在用户家( 或办公室) 里，用户与业务节点 之间以全光缆作传输，因此无论在带宽方面还是在传输质量和维护方面都十分 理想。不过目前这种全光纤网络短期内由于经济问题还难以普及。 光纤到路边( f t t c ) 是用光纤代替主干铜线电缆( 包括部分配线电缆) ，将o n u 放置在靠近用户的路旁，用户可以用双绞线或同轴电缆与路边的光纤网络单元 ( o n u ) 连接。这种混合光纤和铜缆的结构方法成本较低，适合应用于居住密度较 高的地方。 光纤到大楼( f t t b ) 的原理与光纤到路边( f t t c ) 相同，只是光纤网络单元o n u 被置放在大楼内，用铜线或同轴电缆延伸到用户。用户可以广泛使用高速数据、 电子检索、电子邮件、可视图文、远程教育等宽带业务，非常适用于现代智能 化大楼。 光纤到居民区( f t t z ) 是将路边光纤接到靠近交接箱的o n u ，再用铜缆或双绞 线同用户延伸，适用于比较分散的居民区。 武汉理工大学硕士学位论文 光纤到远端模块局( f u r ) 是将用户模块设置在用户密集区，利用光纤与交换 机端局相连使光纤更靠近用户，形成新的组网方式。 光纤接入方式主要分为以下几种： 1 ) 光纤同轴线混合网( h f c ：h y b r i df i b e rc o a x i a l ) ； 2 ) 以a t m 为基础的无源光网络( a p o n ：a t mp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) ； 3 ) s d h 应用于接入网( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a h i e r a r c h y ) 。 2 1 3 无线接入技术 无线接入技术是指接入网的某一部分或全部使用无线传输媒介，向用户提 供固定和移动接入服务的技术。作为有线接入网的有效补充，它有系统容量大、 话音质量与有线一样、覆盖范围广、系统规划简单、扩容方便、可加密码或用 c d m a 增强保密性等技术特点，可解决偏远地区、难于架线地区的通信问题，是 当前电信网发展最快的领域之一。目前，无线接入技术己较为广泛地应用于农 村、城镇，在水利、电力、工矿等专网中也得到一定程度的应用。主要包括以 下几种无线接入技术： 1 ) 无线本地环路( w l l ：w i r e l e s sl o c a ll o o p ) ； 2 ) 本地多路分配业务接入( l m d s ：l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o n s e r v i c e s ) ； 3 ) 数字直播卫星接入( d b s ：d i r e c tb r o a d c a s ts a t e l l i r e ) 。 2 2 嵌入式网络接入方案 利用嵌入式系统实现嵌入式i n t e r n e t 互连方案的技术难点在于：如何利用 嵌入式系统自身有限的资源对信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在 i n t e r n e t 上传输的i p 数据包。从解决这一技术问题出发，目前出现了以下几种 应用方案： 1 ) p c 网关( g a t e w a y ) 与专用网结合接入因特网； 2 ) 3 2 位嵌入式微控制器( m c u ) 与实时多任务操作系统( r t o s ) 结合接入因特 网： 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 嵌入式微控制器( m c u & d s p ) 通过专用虚拟软件包或t c p f l i p 协议芯片来实 现t c p f l i p 协议接入因特网： 4 ) 嵌入式微控制器( m c u & d s p ) 与e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 技术 ( e m i t ：e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i f l g t e c h n o l o g y ) 结合，采用e m g a t e w a y 协议来接入； 5 ) 嵌入式微处理器与网络控制器结合接入； 6 ) 内嵌网络模块的微处理器直接接入”“。 2 2 1 专用网+ p c 网关 即p c 网关代理方式。采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把多个 嵌入式设备连接在一起，然后再将该专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网 关将专用网络上的信息转换为t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息共享。 该方案可以连接多个嵌入式设备。专用网可以理解为m c u 与w e b c h i p ( 独立于各 种微控制器的专用网络接口芯片) 相结合组成的网络。w e b c h i p 通过标准的输入、 输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关连接即可接收并执行经由 i n t e r n e t 远程传来的命令或将数据交给w e b c h i p 发送出去。 而每个嵌入式设备的应用程序中包含一个独立的通信任务，监测嵌入式设 备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到服务器中，同时嵌入式设备还可以 解释服务器的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。中国单片机公共实 验室的i s t ( 因特网传感器技术) 即采用此种实现方案。 该方案优点：对m c u 应用系统的设计工程师来说，无需熟悉复杂的网络协议 及其接口，对m c u 芯片来说，对运行速度和存储器容量等方面无特殊要求，软 件设计接口只需要增加一小段接口程序，其它无需作大的改动，在大程序上简 化了应用设计的工作量，可以缩短m c u 应用系统的设计周期。 缺点：首先它需要依赖p c 机做网关进行协议转换，在多个嵌入式设备分散 的情况下，专用网络布线极为不便：其次需要在p c 机上安装专门的协议转换软 件，该软件通常由专门的第三方软件商提供，一般费用较高。 9 武汉理工大学硕士学位论文 22 23 2 位微处理器+ r t o s 采用3 2 位的高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软件 开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。目前国内较为流行的r t o s 主 要有v x w o r k s ，p s o s ，n u c l e u s ，q n x ，w i n d o w sc e 等，l i n u x 也在向这个领域进 军。网虎国际( x l i n u x ) 公司己开发出大小仅为1 0 0 k ，目前世界上最小的l i n u x 内核q u a r k ( 夸克) ，和总量不到2 m 的嵌入式l i n u x ，并且在 n t e l 公司推出的 芯片s t r o n g a r l d 上获得了成功的应用。这些r t o s 各有特点，后二种对图形界面 ( g u i ) 的支持较好。由于采用高档单片机，该方案可以完成很多复杂的功能。但 这种方案存在如下缺点： 1 ) 高档单片机价格较贵，开发周期较长； 2 ) 需要购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高； 3 ) 而且r t o s 内部实现的t c p i p 协议栈是通用的，针对性不强，难免会有 相对于具体应用多余的代码，不能保证代码的尽量精简。 2 2 3 嵌入式微处理器+ 虚拟软件包 这个方案是由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片组成应用系统的核心。应用 系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器，如果所 用的t c p 1 p 协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有较高的运行速度。采用这种 方案的芯片有s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x s t a c k ，s e i k oi n s t r u m e n t 公 司的$ 7 6 0 0 a ，r e a d y 公司的i n t e r n e tt u n n e r ，c o n n e c to n e 公司的i c h i p 等， 其中s c e n i x 公司的单片机为软件固化协议，其它芯片为硬件固化。下面简单介 绍这几款芯片。 s e i k oi n s t r u m e n t 公司的$ 7 6 0 0 a 和后面几款芯片是用硬件固化t c p i p 协 议堆栈，作为m c u 和i n t e r n e t 之间的加速器。它们大都包括h t t p 客户软件， 支持p o p 3 ，s m t p ，h t t p ，m i m e 协议等多种协议，可进行w e b 浏览，e - m a i l 的收 发。其中i c h i p 还内置无线功能，可与g s m 网络连接。采用s c e n i x 公司提供的 8 位s c e n i x 单片机即可实现i n t e r n e t 接入功能。s c e n i x 单片机基于r i s c 结构， 带有片上f l a s h 存储器，具有在系统编程功能。由于采用c p u 并行流水线技术 武汉理工大学硕士学位论文 及单时钟周期指令，在i o o m h z 晶振驱动下指令执行速度可达i o o m i p s ，可以说该 单片机是迄今世界上最快的单片机，可以实现实时多任务操作。而且所有的i 0 管脚可以通过编程灵活配置。综合以上特点，该单片机可以实现虚拟外设( v i r t u a p e r i p h e r a l ) 功能。即c p u 通过虚拟软件模块直接驱动i o 实现硬件外设 功能( 如d a r t ，1 2 c ，c a l l e l i d ，f s k 等) ，最引人注目的是，它可以运行流行 的i n t e r n e t 协议栈，如h t t p ，t c p ，u d p ，i p ，s m t p ，a r p ，i c m p ，p o p 3 ，p p p 等等。在m c u 上执行数据采集和控制功能的同时把数据打包，发送到i n t e r n e t 上。 该方案真正实现将8 位单片机系统直接与i n t e r n e t 相连。可以使用p c 机 通过i n t e r n e t 远程访问单片机系统：也可以使用单片机系统将有用的信息通过 i n t e r n e t 发送到远端的p c 或其它终端上。例如：在i n t e r n e t 上可以通过网页浏 览方式与单片机系统进行远程数据交换。使用s c e n i x 方案设计的嵌入式设备可 以在i n t e r n e t 被远程控制和监测。由于i n t e r n e t 资源将会无处不在，这样连 接带来的方便是显而易见的。在工业控制方面，可以实现基于i n t e r n e t 的远程 数据采集及环境自动监测。例如：可以用在变电站、继电器的状态参数远程监测。 在交通运输体系中，可以开发出电子警察从而实现交通关卡无人值守，或者可 以远程监视自动售货机的商品的数量。在智能小区管理方面则可以实现更多的 功能，例如小区管理中心可以通过小区内联网实现网络自动抄表。同时在网络 家电的应用中，人们使用任何i n t e r n e t 上的终端如p d a 即可关掉匆忙出门时忘 记关掉的电饭锅，在下班回家之前即可通过i n t e r n e t 提前启动家中的空调。无 须打开p c 机，在带有s c e n i x 芯片的电话机上即可收发e - m a il 。诸如此类，不 畦枚举。 2 2 4m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 协议 采用e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 网络技术e m i t ( e m b e d d e dm i c f oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议， 再通过e m g a t e w a y 与i n t e r n e t 连接。e m g a t e w a y 网络软件接口可以安装在计算 机，t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它支持t c p 1p 协议并运行h t t p 服 务程序，作为用户可以通过网络浏览器浏览访问远程服务器。e m g a t e w a y 通过r 武汉理_ 丁大学硕士学位论文 $ 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、红外及射频等通信方式与多个嵌入式设备相连。每个嵌入 式设备的应用程序包含一个独立的通信任务，称为e m m jc f o ，监测嵌入式设备中 预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时e n n i c r o 还可以解 释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。为了完成网络连 接，e m w a r e 公司开发了大量软件来建立访问和监控m c u 应用系统的接口，这些 接口可以在不同的设备中。e m m i c r o 和e m g a t e w a y 一起为嵌入式设备提供了i n t e r n e t 功能。1 9 9 8 年，e m i t 方案对e t i ( e m b e d d e dt h ei n t e r n e t ，嵌入互联网) 联盟的成立起了很大的推动作用。1 9 9 9 年e t i 成员己达17 个公司，包括在微控 制器方面具有重要地位的a d 、a t m e 、h i t a c h i 、m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 、m i t s u b i s i 、m o t o r o l a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 和p h i l i p s 。1 9 9 9 年6 月份，a t & t 也加入了e t i ，这样嵌入互联网联盟己经成为世界上推动嵌入式微控制器控制 的家电上网的一支重要力量。m i c r o c h i p 公司和p h i l i p s 公司都在此基础上有相 关的产品开发平台。由于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实现的， 应用系统：m c u 只使用较简单的e m n e t 协议，因此对m c u 的要求较低。但应用系 统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，原来客户应用系统的m c u 也 不一定符合要求，并且软硬件设计的工作量仍然较大。同时，应用系统的单片 机处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源”1 。 2 2 5 微处理器+ 网络适配器 采用嵌入式微控制器结合通用的网络接i ：1 芯片的方法，可以解决以中低速 微控制器为核心的嵌入式系统接入i n t e r n e t 的问题。采用这种实现方案，微控 制器只要可以对网络接口芯片进行控制和通信，就可以实现嵌入式系统接入 i n t e r n e t 。 嵌入式微控制器包括的很广泛，可以是各种中高档8 位1 6 位单片机，也可 以是当前比较流行的d s p 芯片。网络接口芯片一般都采用基于i s a 的l o m 网络 适配器的专用芯片，都有一定的接口标准，一般以r t l 8 0 1 9 ，d m 9 0 0 8 ，n e 2 0 0 0 为 主。它们都是通用的网络接口芯片，具有1 6 位的数据线接口和2 4 位的地址线 接口，广泛地用于i o m 的i s a 接口网络适配器中，在其典型应用中，可以在发 送的物理帧上自动添加帧头、帧起始定界符和校验和，减轻了微处理器的处理 武汉理工大学硕士学位论文 负担，同时还具有曼切斯特编码、冲突检测和重发的功能，它可以与很少的外 围电路一起完成数据的发送和接收功能。 2 2 6 内嵌网络模块的微处理器 这是一种新的网络接入方式，相当于将网络适配器嵌入到微处理器中。即将 微处理器的数据处理功能和网络接入功能结合到一起。以t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 x 数字信号处理器( d c ；, p ) 为代表，通过d s p 内嵌具有独立发送和接收通道的 1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器( e m a c ) 的网络模块，结合配套的网络开发包实现网络 功能。模块示意图如图2 1 所示。 n 。计。 u e a cc o l ：om o d d l - s l l m a cr o o d u ：, e”c i om o d “k 图2 一le m a c 网络模块示意图 考虑到本实验室的实验环境、课题的设计成本、系统的可扩展性，本课题 就采取这种实现方案：依托t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片及其配套的t c p i pn d k 开发包， 无须增加专门的网络芯片，使单芯片的d s p 同时实现了数据处理和网络接入功 能。由于d s p 芯片是软件可编程的，因此系统功能的更改与扩展，实现协议的 动态配置将会很方便。 2 3 本章小结 本章主要介绍了因特网的四种接入技术，分别为铜线接入技术，光纤接入 技术，无线接入方式以及嵌入式接入技术。对每种技术的解决方案，每种方案 的特点，目前的发展状况做了简要地阐述。最后主要介绍了嵌入式接入技术， 武汉理工大学硕士学位论文 这也是本文的重点所在。给出了六种不同的解决方案，各种方案各有其特点 本文在后面将实现其中的内嵌网络模块的微处理器接入网络的解决方案。 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章嵌入式t c p lp 协议栈 3 1t c p ip 协议简介 当人们谈起互联网时，常常会谈到t c p i p 。实际上t c p i p 是用于计算机通 信的一组协议，我们通常称它为t c p j p 协议族。它是7 0 年代中期美国国防部 为其a r p a n e t 广域网开发的网络体