（电力电子与电力传动专业论文）lonworks与以太网互联的嵌入式网关的研究和实现.pdf

湘潭大学硕士论文 4 abstract the interconnection of lonworks and ethernet is the trend of network development, and the research of their interconnection has practical significance. applying the embedded gateway to realize the interconnection is hotspot of network research. the gateway which is made of 8 bit microprocessor and embedded protocol stack has some applical value in industrial control. this paper brings forward the design scheme of the embedded gateway. from lectotype of embedded system and analysis of protocol, 8051 singlechip is selected as the gateways microprocessor and neuron 3150 is selected as lonworks communication processor. the gateway can be used for serial and parallel connection, so the gateway has multiple uses. in software design, lwip is selected as the embedded protocol, applying c51 to implant .at the same time, the neuron chip is developed with neuron c. the simulating experiment proves that the circuit design is correct for communication, and the embedded protocol is successfully implanted. keyword: lonworks ethernet tcp/ip protocol lwip 湘潭大学硕士论文 6 引言 现场总线是当今自动化技术发展的方向，被称为自动化领域的 计算机局域网。它的出现，标志着工控技术新的发展，对工业生产 和社会进步产生了深远的影响。 成为 ansi/eia709 标准的 lonworks 技术,已经被全球广泛接受，它的结构不仅适用于多种市场，而且 支持完全开放的过程，这就促使它成为当今工业控制网络的主流技 术，是未来的现场总线的发展方向之一。 网络根据应用对象的需求和特点，分为数据网络（信息网络） 和控制网络两大类。数据网络是以数据传递为目的，实现信息共享 的网络，包括互联网络和通信网络等；控制网络是以传递控制和状 态数据为目的，实现分布控制的网络。 由于两种网络应用对象的不同，造成了它们在技术实现上的差 异，体现在控制网络与数据网络采用不同的通信协议。正是因为网 络协议的不同，造成数据网络和控制网络完全隔离，从而资源和信 息不能共享。建立数据网络和信息网络之间的连接，把数据网络和 控制网络无缝集成起来，是实现资源和信息共享的有效途径。 控制网络技术产生于 20 世纪 80 年代，它集传感器技术 1、自 动控制技术 2、计算机技术和网络技术于一体。控制网络技术一经 产生就得到了迅猛的发展，它的应用，导致了自动化领域的深刻变 革,涌现出 lonworks 现场总线、ff 现场总线、profibus 现场总线、 can 总线等一批控制网络技术。 传统的自动控制系统采用集中模式的控制方式，每个集中控制 系统和其他系统是没有联系的。随着应用对象和应用需求的变化， 集中模式的控制系统已经不能适应发展的需要。因此，必须突破技 术上的局限，实现资源共享，充分发挥资源效率，提高网络的应用 水平。 控制网络是面向设备的局域网络技术，是网络技术和自动控制 技术的结合，它的目的是将孤立的设备转变为网络化的设备。设备 湘潭大学硕士论文 7 之间采用某种通信协议，实现控制信息和状态信息的互换，共同完 成控制系统的功能。控制网络技术不但解决了集中模式控制的弊 端，而且在自动控制领域开辟了一个全新的应用模式。 随着计算机、通信、网络、控制技术的发展，控制系统的结 构正发生着巨大的变化，逐步形成了以网络集成为基础的信息系统, 这个系统是分层的网络结构。控制网络从生产现场底层开始，分为 现场控制层、过程监控层、生产管理层等。 现场控制层是工厂局域网的最底层，担负着生产第一线测量和 控制的任务。该层由于现场总线的出现和应用，将控制技术推向了 一个新高度。但是，目前在该层中的现场总线协议的类型众多，不 同协议之间的兼容问题一直困扰着工业界。在现场控制层引入以太 网不仅使现场层、监控层和管理层在垂直层面容易集成，而且能够 降低不同设备在水平层面的集成成本。但工业以太网技术的研究还 在起步阶段，近一段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线 相结合，所以向以太网靠拢成为今后现场控制层发展的方向 3，4，5。 控制系统的底层一般是现场总线，但是现场总线的最大缺陷是 通信的传输速率比较低。随着传感器技术的发展，传输的数据必然 趋于复杂，因此网络传输的速度越来越得到重视。而以太网就是因 为价廉、高速、方便的特点受到重视。以太网的应用几乎不受任何 限制，它们的应用包括以下这些方面： 从相同的局域网但是不同的区域中获取数据。 利用一台以上计算机访问一台或更多的分布式输入/输出设 备。 利用跨越不同城市和不同国家的互联网获取数据。 使用以太网取代开销大的专用网络。 利用以太网可以满足比大多数工业总线宽得多的带宽要求。 由上可知，以太网可以弥补现场总线的不足。如果能够将现场 总线和以太网互联，发挥各自的优势，必然使现场总线应用于更加 广泛的领域。 现场总线是新型自动化系统，是底层控制网络。它作为网络 湘潭大学硕士论文 8 系统最为显著的特征是具有开放的通信协议，肩负着生产控制的任 务。 工业控制网络应用于工业控制领域， 推动着控制技术向网络化、 分布性、 开放性的方向发展。随着企业各类局域网、广域网的建设， internet、 intranet 技术的发展， 对生产现场的第一线数据的共享， 产生了极高的要求。目前，现场总线发展转向以太网方向，其发展 趋势是将以太网与现场总线无缝连接起来。现场总线具有实时性特 点，以太网具有快速性的特点，两者的结合，解决了企业的许多问 题：不仅实现管理层的数据通信与共享，而且便于控制现场的设备 层，并将控制和管理综合化、一体化。因此，现代的自动化系统都 可以通过网络进行互联，这就使 lonworks 与以太网互联具有研究 和实现的意义。 本文阐述了 lonworks 现场总线与以太网的技术特点，分析了 用嵌入式系统实现这种互联的方法与途径：采用 51 单片机，并且 应用轻型 tcp/ip 协议栈 lwip，组成嵌入式网关，对 lonworks 与以 太网的互联进行了模拟实验。 湘潭大学硕士论文 9 第一章 lonworks 现场总线 1.1 lonworks 概述 lonworks 技术是美国 echelon 公司推出并由它与摩托罗拉、 东 芝公司共同倡导，在 1990 年正式公布而形成的现场总线技术。它 应用了osi 模型的全部七层通信协议， 采用了面向对象的设计方法， 支持多种通信介质，是通用的控制网络技术。控制网是以对等工作 方式工作、监控传感器、控制执行器、可靠地通信、管理网络操作 和提供对网络数据全面接入的任何装置的集合。 lonworks 控制网使 用 lontalk 协议来完成这些任务。lontalk 协议的最大特点是是对 osi 的七层协议的支持，是直接面向网络的协议，这是其他现场总 线所不具备的。具体的实现是使用网络变量（nv）这一形式。网络 变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便 可以完成。由于有硬件芯片的支持，从而实现了实时性和接口的直 观、简洁的现场总线的应用要求。神经元芯片是 lonworks 技术的 核心，它不但是总线的通信处理器，而且是信息采集和控制执行的 通用处理器，lonworks 技术中的网络操作是通过神经元芯片完成 的。 lonworks 技术发展使它走了一条完全不同于其他总线系统的 道路。当大多数现场总线致力于一些专门的应用类型而在其他应用 上落后，lonworks 技术却设想了一个尽可能广的应用蓝图；另一个 特别之处是对基于 lonworks 系统的分散结构的明确支持：总线的 节点没有主从之分，数据传输的初始化通常由发送器来完成，神经 元的运行由事件来激活。因此，lonworks 技术是开放的网络和应用 中的分布系统。 1.2 lontalk 协议 湘潭大学硕士论文 10 lontalk 协议 6是 lonworks 技术的关键。它提供了一整套通信 服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文, 而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能。lontalk 协 议能提供端到端的报文确认、报文证实和优先级发送,以便设定有 界事务处理时间。对网络管理的支持使远程管理工具能通过网络和 其他装置相互作用，包括网络地址和参数的重新配置、下载应用程 序、报告网络问题以及节点应用程序的开始、终止和复位。 lontalk 协议是一个分层的以数据包为基础的对等的通信协 议。象以太网和互联网一样，它是一个公布标准和遵守国际标准化 组织的分层的协议。但是，lontalk 协议设计用于系统而不是数据 处理的特定要求。每个包由可变数目的字节组成，长度不定，并且 包含应用层的信息以及寻址和其他信息。信道上的每个装置监视在 信道上传输的每个包以确定自己是否是收信人。如果是，装置处理 该包以判明包内是包含节点应用程序所需的信息，还是该包是个网 络管理包。如果应用包中的数据是提供给应用程序的，就要发一个 确认报文给发送装置。 1.2.1 lontalk 协议寻址 78 为了简化网络配置和管理，可以把逻辑地址分配给节点。逻辑 地址让用户把一个名字和物理装置或节点配合。使用 lontalk 的控 制网中的逻辑地址在网络配置时定义。第一部分都有指定域的域标 识（domain id)。所谓域就是节点的集合，常常是整个系统，它们 可以互操作。逻辑地址的第二部分以独特的 15 位节点地址规定域 中的一个单一节点，或者以它独特的 8 位组地址规定一个预先定义 的节点组。每个在网上传输的包，包含传输节点（源地址）和接收 节点地址（目的地址） 。它们可能是神经元的物理地址、逻辑节点 地址、组地址或广播地址。 1.2.2 lontalk 网络变量 9 湘潭大学硕士论文 11 lontalk 协议体现网络变量（nv）的革新观念。网络变量就是 任何数据项（比如温度、开关值、或执行器位置设置等数据） ，它 们是一个特定装置的应用程序期望从网上其他装置得到的，或期望 提供给网上其他装置的数据项。网络变量方便了以信息为基础而不 是以指令为基础的控制系统的设计，装置中的应用程序根本不用知 道输入网络变量来自何处或输出网络变量去往何方。应用程序的输 出网络变量的值变化时，它只是把这个新值写入一个特定的存储单 元。在网络设计和安装期间会发生一个“捆绑”的过程，通过这个 过程配置 lontalk 固件，以确定网上的网络变量的装置组或其他装 置的逻辑地址，汇集和发送适当的数据包到这些装置。所谓固件就 是固化在芯片内（或芯片外）rom 中的有关通信协议的软件。用户 可以不必关心网络底层的细节，这些由介质访问控制处理器和网络 处理器完成。类似地，当 lontalk 固件收到它的应用程序所需的网 络变量的更新值时，也会把它放到一个特定的存储单元，应用程序 知道这个单元中总能找到最新的数据。这样， “捆绑”过程就在一 个装置中的输出网络变量和另一个装置或装置组的输入网络变量 之间建立了逻辑连接。 1.2.3 lontalk 报文类型 lontalk 协议提供三种基本的报文服务并且支持报文鉴别。最 优化的网络经常使用这种业务。第一类报文服务提供端到端的确 认，称为确认的报文发送。在使用确认的报文发送时，一个报文发 送给一个节点或节点组，并希望从每个接收者得到各自的确认。如 果没有得到确认，发送者做超时安排并重试处理。超时和重试可以 选择。第二类是报文不确认的重复报文。使用这类报文可以把一个 报文发送到节点或节点组许多次。这个业务通常在向一个大的节点 组广播信息时使用，因为确认报文会造成所有的接收节点同时发出 响应。第三类报文是不确认报文，发送节点或节点组一次，并且不 期望响应。报文鉴别服务使报文接收者能确定发送者是否有权发送 这个报文，而且鉴别也能防止对节点的未经授权的访问。 湘潭大学硕士论文 12 1.2.4 lontalk 信道类型 lontalk 协议在设计上是独立于介质的。 这使得 lonworks 系统 可以在任何物理传输介质上通信，这点使网络设计者能充分利用提 供给控制网的各种信道。协议还提供可改变的配置参数，以便折衷 某一特殊应用的性能、安全和可靠性。信道是个特殊的物理通信介 质，lonworks 装置通过专用于此信道的收发器与它连接。每类信道 在最多可连接的节点数、通信位速度和物理距离限值方面都有不同 的特征。 1.2.5 lontalk 的特征和优点 lontalk 协议对从事的多种服务提高了可靠性、安全性和网络 资源的优化，这些服务的特征和优点包括： 支持广泛的通信介质，包括双绞线、电力线。 支持可靠通信，包括未经授权使用的系统。 不论网络规模，提供可预测的响应时间。 支持混合介质和不同通信速度构成的网络。 允许节点之间任意连通。 允许对等通信，这样就可以使它用于分布式控制系统中。 对产品的互可操作性提供有效机制，使来自一个制造商的产 品和其他制造商的产品能共享标准物理量的信息。 实施协议内网络管理问题的解决方案。 1.3 神经元芯片 lonworks 技术的核心是神经元芯片。 它是美国 echelon 公司研 制的一种集通信、控制、调度和 i/o 为一体的高级 vlsi 器件，并 且只授权美国 motorola 公司和日本 toshiba 公司生产。通过对硬 件和固件的有机结合，芯片可以提供 lonworks 网络节点需要的所 有关键功能。可以处理 lontalk 通信协议消息，传感信号输入和控 制信号输出，存储和安装指定的参数和程序，实现各种应用功能。 湘潭大学硕士论文 13 神经元芯片内部包括3个8位流水线作业的微处理器 （图1.1） 。 介质访问控制处理器，它控制 lontalk 协议中的第一层物理层和第 二层数据链路层，并且可以驱动通信子系统的硬件来完成冲突避免 算法，它通过共享存储器中的网络缓冲区与网络处理器通信。网络 处理器控制 lontalk 协议的第三层到第六层（网络层、传输层、会 话层和表示层） ，可以完成网络变量进程、寻址、处理事项进程、 报文鉴定、软件定时器、网络管理和路由寻址等功能。网络处理器 使用共享存储器中的网络缓冲区与介质访问控制处理器通信，使用 应用缓冲区与应用处理器通信。应用处理器实现 lontalk 协议的第 七层功能，执行用户代码和用户代码调用的操作系统来工作，大部 分的应用程序用 neuron c 语言编写。应用处理器使用共享存储器 中的应用缓冲区与网络处理器通信。除应用层需要用户编程外，其 余六层都由固件完成。 图 1.1 神经元芯片的结构 神经元芯片实际上是一个“芯片上的系统” ，由多个微处理器、 读写存储器和只读存储器（ram 和 rom） 、i/o 接口组成。只读存储 器包括操作系统、lontalk 通信协议和 i/o 功能数据库系统。芯片 有用于存储数据和程序的非易失性 ram,两者都可以从通信网络上 下载。一个全面实施 lontalk 协议的固件程序包含在每个神经元芯 片中，这使得神经元芯片能保证在每个装置中公共协议的应用以完 全相同的方式实施。大部分 lonworks 装置中包括一个具有完全相 湘潭大学硕士论文 14 同的嵌入式 lontalk 协议的神经元芯片，这个方法解决了兼容性问 题，并保证 lonworks 装置在同一网络上的连接只需要很少甚至不 需要额外的硬件。神经元内部的 3 个微处理器，实际上有两个优化 执行协议，另外一个供节点应用。所以，神经元芯片既是通信处理 器又是应用处理器。这保证了不论控制装置或网络来自哪个制造 商，这些装置相互通信的内在协议都是相同的。 neuron3150 芯片是为复杂的应用设计的， 提供一个 8 位数据总 线和一个 16 位地址总线的外部存储器总线接口。处理器可以访问 58k 字节，余下的 6k 字 节作为内部资源使用。 58k字节存储器的16k字 节保留作固件使用，通 常以外部的 eprom 和 flash 存储器的形式提 供。余下的 42k 字节可 以用于用户应用程序。 外部总线可以连接不同 类型的存储器或按 256 字节的增量分段的其他 存储映射设备(图 1.2)。 图 1.2 neuron3150 的存储映像 编写神经元芯片的应用程序是 neuron c 语言。 编程工具 neuron c 可以将 11 个 i/o 配置成不同的 i/o 对象；通过函数 io_in()和 io_out()对所定义的 i/o 进行输入输出操作。神经元芯片的 11 个 i/o 有 34 种预编程设置，可以有效地实现这 11 个 i/o 的测量、计 时和控制等功能。neuron c 使用以事件为基础的编程模型。应用程 序通常由发生在网上其他地方和特定节点上的事件触发，所以网络 是事件驱动的。在某些复杂的应用中，处理器的速度和神经元芯片 的最大存储容量不足以完成 lonworks 节点的要求功能，为了适应 这些应用，某些神经元芯片拥有高速接口，使任何微处理器都能使 湘潭大学硕士论文 15 用神经元芯片，并以一个专用接口应用微处理器（称为 mip 应用） 作为它的网络通信微处理器来执行应用程序。作为替代方案，开放 的 lontalk 协议可以移植到任何处理器上运行。 1.4 神经元芯片扩展方法 神经元芯片是 lonworks 总线技术的核心控制器件，是组成 lonworks 系统基本单元， 它除了具备很强的总线通信和总线控制功 能以外，还可以处理各种数据。一个神经元芯片加上收发器就可以 构成一个典型的现场控制节点。使用神经元芯片的强大的外部扩展 功能，就会方便地组成一个简洁、稳定、可靠的分布式控制系统 10。 对一个节点数较少的系统，或者实时性要求比较高的系统，可 以采用一级或两级 lonworks 控制网（如图 1.3） ，对需要进行远程 监控的系统，或者需要进行大量数据处理的系统，可以考虑在相邻 节点之间采用 lonworks 控制 网 ， 远 程 节 点 之 间 通 过 ilon1000，实现 lonworks 网 和以太网的连接， 实现对系统 的远程监控（如图 1.4） 。 图 1.3 lonworks 控制网结构 图 1.4 lonworks 和以太网连接 湘潭大学硕士论文 16 利用神经元芯片设计控制系统时，根据设计系统的复杂程度， 有三种不同的扩展方法 11： 1.神经元芯片通过 11 个引脚扩展。这种方式是一个最小的、 最简单的系统，不需要更多的外围电路，它充分利用神经元芯片本 身的 11 个 i/o 引脚，实现对系统的扩展。 2.神经元芯片通过 i/o 地址扩展接口。如果神经元芯片的本 身 11 个 i/o 引脚不能满足控制要求，可以考虑通过 i/o 地址扩展 外部接口的结构形式。神经元芯片提供了 2k 的 i/o 空间，利用他 们扩展 i/o 接口，实现系统和外部设备的互连。 3.神经元芯片通过外围微处理器（单片机/dsp）实现 i/o 扩 展。如果应用 cpu 的性能或实时能力不能满足特定的应用，神经元 芯片可以和另一个性能更强的处理器结合一起。这时，神经元芯片 作为通信处理器工作，只处理 lontalk 协议，而实时应用程序在主 处理器上运行（如图 1.5） 。在神经元芯片和主处理器之间的物理连 接有 3 中方式： 图 1.5 host base 节点结构框图 通过神经元芯片的 11 个 i/o 引脚连接，采用位并行，字节 串行的传输方式。这需要应用处理器,但要避开用户的存储区域， 这种方案快于常规方案。 通过 3150 的存储器映象扩展方法，其地址、数据和控制总 线的引脚跟双口 ram 和信号灯连在一起，这种方式还节省了应用处 湘潭大学硕士论文 17 理器的处理时间，更为有效。 通过神经元芯片的串行接口连接，速度较慢，但是提供了通 用组件安装的基础，可用于跟计算机的连接。 从上可知，神经元芯片和微处理器的连接有两种方式，并行和 串行。这种使用方式为设计 lonworks 现场总线和以太网互联的嵌 入式网关提供了思路 12。 湘潭大学硕士论文 18 第二章 以太网和网络模型 2.1 以太网 ethernet 的中文译名是以太网，是一种传输数据的标准，是世 界上应用最广泛、最普遍的网络技术。以太网这个术语一般是指数 据设备公司 （digital equipment corp.） 、 英特尔公司 （intel corp.） 和 xerox 公司公布的一个标准。它是当今 tcp/ip 采用的主要的局 域网技术，它采用一种称作 csma/cd 的媒体接入方法，它的含义是 带冲突检测的载波监听多路访问(carrier sense multiple access with collision detection)。 在不涉及网络协议的细节时，很多人愿意将 802.3 局域网简称 为以太网。 802.3 局域网是一种基带总线局域网， 最初是美国 xerox 公司 palo alto 研究中心在 1975 年研制成功的，传输速度是 2.94mb/s,它用无源电缆作为总线传输数据，用历史上曾经表示电 磁波传输的以太（ether）来命名。1981 年数据设备公司、英特尔 公司和 xerox 公司合作，提出了以太网的规约ether80，1982 年 修改为第 2 版规约，即 dix ethernet v2,成为世界上第一个局域网 的规约，这个标准是以后 ieee802.3 的基础。 在 20 世纪 90 年代中期，快速以太网（100mbps）作为一项标 准出现在市场上，并且被市场接受。从此，以太网进入了快速发展 的时期。现有的、各种可以用作接入网的传输媒体，都被用来发展 以太网接入网。随着标准的制定完成，将有一批采用不同传输媒体 的以太网接入网。 2.2 网络体系结构 13 世界上第一台计算机的诞生是人类历史上的新纪元，几十年后 的今天，计算机对人类社会产生了广泛和深远的影响。当 1969 年 湘潭大学硕士论文 19 第一个分组计算机网络 arpanet 出现时，仅仅有四个节点，到今天 发展成为几百万个节点的大网。计算机网络也从远程网到局域网， 从大型机网到微机网，从数据网到综合服务网，发生了令人目不暇 接的变化。 计算机联网带来的好处是资源共享。资源是指在有限时间内为 用户服务的设备，包括软设备和硬设备。共享网络的资源，以及在 网络中交换信息，就需要实现不同系统中的实体的通信。实体包括 用户应用程序、文件传送包、数据库管理系统、电子邮件设备以及 终端等。一般来说，实体具有发送和接收信息的能力。两个实体要 成功地通信，它们必须具有相同的语言，都必须遵守有关实体间某 种互相都能接受的一些规则，这些规则称为协议。协议可以定义同 层对等实体之间交换的帧、分组、报文的格式和意义的一组规则。 协议的关键组成是： 语法（syntax） ：包括数据格式、编码和信号电平等。 语义（senantics） ：包括用于协调和差错处理的控制信息。 定时（timing） ：包括速度匹配和排序。 由于不同系统的实体间通信的任务十分复杂，相互不可能成为 一个整体来处理，否则一方的改变，就需要修改协议。为了减少协 议设计的复杂性，大多数网络都按层（layer）或级（level）的方 式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，它的层的 数量、各层的名字、内容和功能都不相同。但是，每一层的目的都 是向它的上一层提供一定服务，而把如何实现这一服务的细节对上 一层加以屏蔽。 一台机器的第 n 层与另一台机器的第 n 层进行通信， 通信的规则就是第 n 层协议。不同机器里对等层的实体称为对等进 程（peer） 14，而对等层的通信是对等进程利用协议进行通信。对 等进程这一概念，对网络的设计至关重要。有了这种技术，就可以 把设计完整的网络这种难以处理的复杂问题划分为 n 个小的、易于 处理的问题，即各层的设计。实际上，数据不是从一台机器的第 n 层直接传送到另一台机器的第 n 层，而是每一层都把数据和控制信 息交给它的下一层，直到最下层。 湘潭大学硕士论文 20 每一相邻层之间都有一个接口。接口定义下层向上层提供的原 语操作和服务。网络设计决定一个网络应包括多少层，每一层应当 完成什么功能，而且要在相邻层之间定义一个清晰的接口。为达到 这些目的，又要求每一层能完成一组特定的有明确含义的功能。除 了尽可能地减少必须在相邻层之间传递信息的数量，一个清晰的接 口可以使同一层能轻易地用一种实现来代替一种完全不同的实现， 只要新的实现能向上层提供旧的实现所提供的服务就可以了。 层和协议的集合被称为网络体系结构。体系结构必须包括足够 的信息，使实现者可以用来为每一层编写程序和设计硬件，并且使 它符合有关的协议。协议实现的细节和接口描述隐藏在机器的内 部，对外来说是不可见的。只要机器能够正确使用全部的协议，网 络上所有机器的接口不必完全相同，这就使实现协议的方法多种多 样。每一层的功能是为它的上一层提供服务，服务是在服务接入点 提供给上层使用的，而服务点是上层访问它的下层的地方，即 n 层 利用 n-1 层的服务来提供它自己的服务。 下层能向上层提供两种不同的形式的服务，即面向连接的服务 和无连接的服务。使用面向连接的服务时，用户首先要建立连接， 使用连接，然后释放连接。相反，无连接服务的每个报文带有完整 的目的地址，并且每一个报文都独立于其他报文，经由系统选定的 路线传递。 2.3 网络参考模型 网络体系结构采用分层设计，这是连接异种计算机标准的设计 思想。有两个重要的网络体系，即 osi(open system interconne- tion)参考模型和 tcp/ip 参考模型。 2.3.1 osi 参考模型 osi 参考模型本身不是网络体系结构的全部内容，这是因为它 并未确切地描述用于每一层的协议和服务，它仅仅指出每一层应该 湘潭大学硕士论文 21 做什么。osi 模型每一层的功能是独立的，它利用其下一层的服务 并为其上一层提供服务，而与其他层的具体情况无关。osi 模型各 层的功能是： 1.物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒 体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。 2.数据链路层用于建立、维护和拆除链路连接，实现无差错传 输的功能。在点到点或点到多点的链路上，保证信息的可靠传输。 该层对连接相邻的通路进行差错控制、数据成帧、同步等控制。检 测差错一般采用循环冗余校验，纠正差错采用计时器恢复和自动请 求重发等技术。 3.网络层规定了网络连接的建立、维护和拆除的协议。它的主 要功能是利用数据链路层提供的相邻节点间的无差错数据传输功 能，通过路由选择和中继功能，实现两个系统之间的连接。在计算 机体系结构中，网络层还有多路复用的功能。 4.传输层完成开放系统之间的数据传送控制。主要功能是开放 系统之间数据的收发确认。同时，还用于弥补各种通信网络的质量 差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提 高可靠性。另外，还通过复用、分段和组合、连接和分离、分流和 合流等技术措施，提高吞吐量和服务质量。 5.会话层依靠传输层以下的通信功能使数据传输功能在开放 系统间有效地进行。它的主要功能是向会话的应用进程之间提供会 话组织和同步服务，对数据的传送提供控制和管理，以便协调会话 过程，为表示层提供更好的服务。 6.表示层的主要功能是把应用层提供的信息转变为能够共同 理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等统 一表示。表示层仅对应用层信息内容的形式进行变换，而不改变其 内容本身。 7.应用层的功能是实现应用进程之间的信息交换。实现的功能 分为两大部分，即用户应用进程和系统应用管理进程。 湘潭大学硕士论文 22 2.3.2 tcp/ip 模型 15 tcp/ip 模型是在卫星 和无线网之后出现，现有的 协议在它们互联时出现了 问题，所以需要一种全新的 参考体系结构，因此能无缝 地连接多个网络的能力是 这个模型确定的设计目标。 tcp/ip 协议是指一整套数 图 2.1 tcp/ip 模型 据通信协议，其名字是由这 些协议中的两个协议组成 的，即传输控制协议(transmission control protocol)和网间协 议（internet protocol） 。虽然还有许多其他协议，但是 tcp 和 ip 是两个最重要的协议。在描述 tcp/ip 模型时，一般定义如图 2.1 所示的四层结构：应用层、传输层、网络层和链路层。 1. 链路层 链路层是 tcp/ip 协议结构的最低层，该层协议提供了一种数 据传输的方法，使得系统可以通过直接连接的网络将数据传送到其 他设备，并定义了如何利用网络来传送数据报。链路层的协议和较 高层协议不一样，它必须知道低层网络的细节（如分组结构、寻址 方式等） ，那么就可以准确地格式化数据，使它遵守网络规定。网 络访问协议种类繁多，每一个协议都对应一种物理网络标准。该层 执行的功能包括将 ip 报文封装成网络传输的帧，并且将网络地址 映射成物理地址。这一层协议通常以设备驱动程序和有关程序的组 合形式出现。 2.网间层 网间协议 ip(internet protocol)是 tcp/ip 的核心，也是网间 层中最重要的协议。ip 可以提供基本的分组传输服务，这是构建 tcp/ip 网络的基础。所有的 tcp/ip 数据都流经网间层，与它的最 湘潭大学硕士论文 23 终目的无关。 网间协议 ip 的功能包括：定义数据报，它是互联网上的基本 传输单元；定义网间寻址方式；在链路层和传输层之间传输数据； 为数据报选择到远程主机的路由；执行数据报的分片和重组。网间 协议是一个无连接协议，是要依靠其他层的协议提供错误检测和错 误恢复。因为它不包含错误检测和恢复的程序，但是它可以将数据 正确地传送到已连接的网络，它不检验数据是否被正确地接收。 图 2.2 ip 数据报格式 数据报是网间协议定义的一种分组格式， 如图 2.2 表示一个 ip 数据报。数据报中前面是控制信息，成为报头。报头包含传输该分 组所需的全部信息。网间协议通过检查报头的目的地址传送数据 报，该地址是一个标准的 32 位的 ip 地址，它可以标识目的网络和 该网络上的特定主机。如果目的地址是本地网络中的一个主机地 址， 该分组就直接发送给目的主机； 如果目的地址不在本地网络中， 该分组就被传送到网关再进行传送。确定使用哪个网关称为路由选 择。ip 为每个分组作出路由选择决定。当 ip 接收到一个寻址本地 主机的数据报时，它必须将该数据报中的数据部分传送给合适的传 输层协议。 湘潭大学硕士论文 24 网间控制报文协议（internet control message protocol） 是 ip 不可分割的部分。该协议是网间层的一部分，它使用 ip 数据 报传输设施去发送报文，可以执行的功能是：流控制、检测不可达 到的目的、重新定向路由、检查远程主机。 3.传输层 传输层中两个最重要的协议是传输控制协议(tcp)和用户数据 报协议（udp） 。tcp 利用端到端的错误检测和纠正功能提供可靠的 数据传输服务；而 udp 提供低开销的无连接的数据传输服务。两者 都可以在网间层和应用层之间传输数据。对于特定的应用程序，程 序设计可以选择合适的服务。使用查询和响应方式的应用程序也非 常适合使用 udp,响应可以用作对查询的肯定确认。 如果在一定的时 间内没有收到响应，应用程序便发出另一个查询。用户数据报协议 udp(user datagram protocol)是一个不可靠的无连接的数据报协 议。其格式如下： 图 2.3 udp 报文格式 tcp 是一种可靠的、面向连接的、字节流协议。tcp 提供的可 靠性是利用一种称为“重传肯定确认”机制来实现的。为应用程序 提供通信连接，适合于一次传输大批数据的情况，并适合用于得到 响应的应用程序。在相互协作的 tcp 模块之间交换的数据单元称为 “段” ，数据格式如 2.4 图。每段包含一个校验和，接收方用它来 验证数据是否遭到破坏。如果接收到的数据段没有遭到破坏，接收 者就发送一个肯定确认应答给发送者；如果遭到破坏，接收者就丢 湘潭大学硕士论文 25 弃该段。过一段时间后，发送端 tcp 就重新发送没有得到肯定确认 的段。tcp 是面向连接的，它在两个通信主机之间建立了一个逻辑 的端对端的连接。在传输数据之前，建立对话的两个端点之间的交 换信息称为握手的控制信息。tcp 对话通过三次握手来初始化。三 次握手的目的是使数据段的发送和接收同步，告诉其他主机一次可 以接收的数据量，并建立虚连接。tcp 还负责将 ip 接收到的数据传 送给合适的应用程序。 图 2.4 tcp 段格式 4.应用层（application layer） 应用程序通过这一层访问网络。该层包括了使用传输层协议去 传输数据的所有协议。 湘潭大学硕士论文 26 第三章 嵌入式系统的设计 3.1 嵌入式系统概述 20 世纪 70 年代，微处理器的出现使计算机发生了历史性的变 化。以微处理器为核心的微型计算机因其小型、价廉、高可靠性等 特点，引起了控制专业人士的兴趣，他们将微型机嵌入到一个对象 体系中，实现对象体系的智能化控制。这样一来，计算机就失去了 原来的形态和计算机的功能。为了区别于原来的通用计算机系统， 实现对象智能化控制的计算机， 就成为嵌入式的计算机系统。 因此， 嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的本质是将一个计算机 嵌入到一个对象体系中，这就是嵌入式系统的基本特征。 因为嵌入式系统必须嵌入到对象体系中，从而它与通用计算机 体系有着不同的技术要求和发展方向。通用计算机要求是高速、海 量的数值计算。技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的 无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化的控制 能力， 技术发展方向是对象系统的嵌入式性能、 控制能力和可靠性。 嵌入式计算机系统的诞生，标志着计算机进入了通用计算机系统和 嵌入式计算机系统并行发展的时代。嵌入式计算机的发展走的是一 条与通用计算机系统完全不同的道路。这条独立的道路就是单芯片 化道路。 嵌入式系统定义为“嵌入到对象体系中的专用计算机系统” 。 “嵌入性” 、 “专用性” 、 “计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要 素。对象系统是嵌入式系统嵌入的宿主系统。 嵌入式系统的特点：由于嵌入到对象系统中，必须满足对象系 统的要求；软、硬件裁减性；满足对象最小软、硬件配置；满足对 象系统控制要求的计算机系统等。 嵌入式系统按照形态可以分为设备级（工控机） 、板级（单板、 模板） 、芯片级（mcu、soc） 。其中，单片机在嵌入式系统独立发展 湘潭大学硕士论文 27 的历史中做出了重要贡献。目前，嵌入式系统的应用特点是：基于 嵌入式系统的软、硬件平台，以网络、通信为主的底层应用。 3.2 嵌入式系统的实现的方式 利用以太网作为信息的传输媒体，同时利用它巨大的资源实现 最佳控制，在最大的范围内实现资源共享。 传统使用方式是采用 pc 机+网卡+采集卡，进行协议转换，将 现场设备采集的数据经过现场测控网接入以太网，把管理的 pc 机 放到以太网中，组成一个自动化的网络控制系统。这种方案成本很 高，只适用于大型的控制系统。而嵌入式系统在控制系统中的应用 开辟了新的途径，主要包括两种使用方式： 1.高档嵌入式系统+网卡+采集卡 由于嵌入式系统是嵌在电子设备内部的计算机系统，包含一个 或多个专用计算机、微处理器或控制器的电子设备，能执行特定功 能的计算机硬件和软件的综合体。它以应用为中心，以计算机为基 础，软硬件可裁减，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。 2.低档嵌入式系统+网卡控制芯片 它以微处理器取代 pc 机，用网卡控制芯片取代网卡，并且只 需要一台计算机进行监控，使控制网的成本下降，从而使分布式控 制系统得到迅速发展。 可是由于微处理器的处理能力与存储有限，要实现 tcp/ip 协 议是比较困难的。因此，要根据特点，对 tcp/ip 协议栈进行简化， 保留其最基本的东西。同时，上层协议可以不要或者简单实现，即 将原来的 tcp/ip 协议转变成嵌入式 tcp/ip 协议。根据 tcp/ip 协 议在微处理器的实现方法和嵌入式系统设计的要求，实现嵌入式的 tcp/ip 协议栈有以下几种方法：把标准的 tcp/ip 协议扩展到嵌入 式设备中，由嵌入式系统自动实现联网功能，每个设备都和以太网 连接。这是解决实际问题的最佳方案和未来电气设备的发展方向。 湘潭大学硕士论文 28 这种方案对微处理器的要求较高，又可以分为两种实现。 通过专用的 web 服务器实现。现有的嵌入式系统中大量使用 微处理器，并不是要求每一个设备都接入以太网，用户可以通过以 太网的接近设备，然后再用轻量级网络扩张到多个设备上。 通过嵌入式网关（emgateway）连接 18。嵌入式网关运行 tcp/ip 协议，和嵌入式设备轻量级网络（如 rs-232、rs-485、现 场总线等）连接，提供和以太网的协议转换及路由功能。 选择实现嵌入式系统的设计方法和协议栈，需要综合考虑。选 用的硬件是否通用，是否有运行在它上面的适合软件。基于以上考 虑，比较现有的 8 位 mcu 通过精简的 tcp/ip 连接以太网的方案有： 图 3.1 常用的 mcu 连接以太网的方案 可以用来参考的嵌入式 tcp/ip 协议栈有： 湘潭大学硕士论文 29 图 3.2 常用的嵌入式 tcp/ip 协议栈比较 通过以上比较可以知道：8 位 mcu 作为成熟的微处理器，应用 广泛，而且性能价格比较高，开发工具简便；lwip 是免费软件，有 成功移植使用的先例，因此选用 8 位 mcu 和 lwip 进行硬件和软件 的开发设计。 3.3 轻型协议栈 lwip 对于八位微处理器，传统的 tcp/ip 实现需要太多的代码和数 据存储资源，对于资源有限的微处理器上实现 tcp/ip 协议几乎不 太可能。lwip 的最显著的特点是：即使在有限的八位机系统上，它 也可能运行一个完全的 tcp/ip 协议栈。 lwip 是瑞士计算机科学院（swedish institute of computer science）的 adam dunkels 等人开发的一套用于嵌入式系统的 tcp/ip 协议栈的源代码。lwip 既可以在操作系统上运行，也可以 在无操作系统的情况下单独运行。lwip 具有如下的特征： 支持多网络接口的 ip 转发； 支持 icmp 协议； 湘潭大学硕士论文 30 支持实验性的 udp(用户数据报协议)； 包括阻塞控制， rtt 估算和快速恢复以及快速转发的 tcp （传 输控制协议） ； 支持专门的内部回调接口（raw api）用于提高应用程序性 能； 可选择的 berkeley api(多线程情况下)； 支持 dhcp 协议，动态分配 ip 地址； 3.3.1 lwip 的进程模型（process module） 图 3.3 lwip 的进程模型 lwip 的进程模型是： 所有的 tcp/ip 协议栈都在一个进程之中， tcpip_thread callback function udp_sendudp_input tcp_input tcp_process tcp_receivetcp_write tcp_enqueue tcp_output tftp_thread udp port69 tcpecho_thread tcp port7 mbox mbox mbox mbox icmp_input icmp_dest_unreach ip_output ip_input ip_route ip_output_if receive a packet is ip packet ne2k isr is arp packet arp_reply arp_input netif-output mbox 应用层 传输层 网络层 网络接口层 tcp_write 湘潭大学硕士论文 31 这样协议栈就和操作系统分开了，而且应用程序可以是单独的进 程，也可以停留在 tcp/ip 进程中。如果应用程序是单独的进程可 以通过操作系统的邮箱，消息队列等和 tcp/ip 进程进行通信。如 果应用进程驻留在 tcp/