（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式linux的轻型网关的设计.pdf

四川大学硕士学位论文 本地子网上的菜一设备请求服务时，轻型网关可以通过调制解调器拨号或通过 局域网连接到i n t e r n e t 站点。相反地，当一个网络应用( 如使用w e b 浏览器的 一个远程客户) 需要通信时，轻型网关负责处理来自远程网间连接器的通信要 求。 我们选用的嵌入式操作系统是l i n u x ，首先对l i n u x 做了内核分析，通过剪 裁l i 叫x 内核来实现其体积小，实时性高的优点。对l i n u x 的一些缺点我们通 过局部的改造来满足网络系统的需要。 在具体实现中，采用一款基于a t l m 9 2 0 t 核的嵌入式微处理器- - $ 3 c 2 4 1 0 ，利 用它建立一个嵌入式系统，实现轻型网关的功能。$ 3 c 2 4 1 0 具有出色的内核性能 和丰富的外部接口，并具有t c p i p 协议栈，容易实现t c p i p 协议，实现与因 特网的接入。该处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器 轻松运行w i n c e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。 我们成功解决了a r m 的开发难题，研究了a r m 的开发方案，以及解决了l i n u x 针对a r m 的移植难题，这在嵌入式系统研究领域中，有较高的实践和研究价值， 我们所研究的这个嵌入式网关系统具有成本低，高效率的特点，值得推广。最 后，本论文对所做的工作进行了总结，并且展望了本嵌入式系统的其他运用。 关键词：嵌入式系统轻型网关嵌入式驱动$ 3 c 2 4 1 0c a n 协议转换 嵌入式l i n u x 四川大学硕士学位论文 t h e d e s i g no fl i g h tg a t e w a yb a s e do ne m b e d d e dl i n u x e l e c t r i cs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t ey a n gx i a n q i a n g i nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n i c a lr e s e a r c hr e a l m , t h ee m b e d d e dn e t w o r ki sv e r y i m p o r t a n ti nm u c hr e s e a r c hd i r e c t i o n m o r e o v e r , i nt h ee m b e d d e dn e t w o r k ，t h e e m b e d d e dg a t e w a yi st h em a i nc o n s t i t u t ep a r ti th a sp r o m i n e n tm e a n i n gt ot h e e m b e d d e dn e t w o r kt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t i l i sp a p e ri n t r o d u c es o m ek e yt e c h n i q u e s t os e tu pt h el i g h te m b e d d e dg a t e w a y b yc o n t r a s t i n gs o m ee m b e d d e dt e c h n i q u e s ，w e d e s i g nak i n do fp r o j e c tc a l l e dt h el i g h te m b e d d e dg m e w s y w ec a r r yo u td a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv a r i o u se m b e d d e dn e t w o r ka n dl o c a la r e an e t w o r k a n dw e g i v et h ec o n c r e t er e a l i z a t i o n w r ea d o p t e dt h ea r m 9 s e r i e sm i c r o p r o c e s s o r - - s 3 c 2 4 1 0 p r o d u c e db ys a n s u n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d a r m l i n u xo p e r a t es y s t e ma r ec h o o s e dt o u s e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s st h ep r o j e c to ft h ee m b e d d e dg a t e w a y , r e a lt i m em u c h m i s s i o no p e r a t es y s t e m ( r t o s ) ，p r o t o c o lc o n v e r s i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o fe m b e d d e dg a t e w a y ，t h et r a n s p l a n t a t i o no fo p e r a t e s y s t e m , a n dt h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e dg a t e w a yi np r o d u c i n gc o n t r o l ，i n t e l l i g e n c ef a m i l yn e t w o r k e t c t h ep o i n ti nt h ep a p e ri st oi n t r o d u c et h ed r i v e rr e a l i z a t i o n i tc o n c r e t e l yr e l a t e st o s e t t i n gu pd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t , r u n n i n go p e r a t i n gs y s t e m ，t r a n s p l a n t i n go p e r a t i n g s y s t e ma n df u n c t i o nl i b ，d e s i g n i n gs o m es p e c i a ld r i v e rp r o g r a m u s i n ge m b e d d e dn e t w o r kt e c h n i q u e ，t h ei n t e l l i g e n c ee q u i p m e n t sc a nl i n kt o b e c o m eak i n do fn e t w o r ko fd i s t r i b u t et y p e ，a n dp r o v i d eak i n do fc o s tl o w , t h e c r e d i b i l i t y i sh i g h ，v i v i dg o o d ，t h ec o n t r o lc o n v e n i e n tn e t w o r k t h ee m b e d d e d n e t w o r ki sc o n n e c t e dt oe a c hk i n do fn e t w o r kt h r o u g hn e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r , i n c l u d i n gf a m i l i a rl a nn e t , w a nn e t , i n t e m e tn e t ，i n t r a n e tn e te t c ，c o n s t i t u t i n ga n e t w o r ks y s t e mw h i c hh a st h ed i s t r i b u t et y p ep r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h en e t w o r k i n f o r m a t i o na n da d v a n c e dc o n t r o lf u n c t i o n n ec o n 仃o l l e ro ft h i sp a p e ri st h el i g h t e m b e d d e dg a t e w a yb a s e do nl i n u x u s i n gl i g h tn e t w o r kt e c h n i q u e ，s u c ha st h ec a n ， r s - 4 8 5e t c ，i n t e l l i g e n c ee q u i p m e n t sa r el i n k e dt oan e t w o r kb yi n c r e a s i n gal i g h t g a t e w a y l i g h tg a t e w a yc a nc o n n e c tam o d e m o rt h eo t h e rm o r ee x p e n s i v en e t w o r k c o n j u n c t i o nm e d i u m ( s u c ha se t h e m e t ) a so n ec a r r y p r o v i d i n gw i t hal o wp r i c e 四川大学硕士学位论文 n e t w o r k ( s u c h t h ec a n ，r s 一2 3 2 。r s - 4 8 5t o t a li i n en e t w o r ko rw i r e l e s sn e t w o r kc t c a sa n o t h e rc a r r y v a r i o u sh e a v yn e t w o r kc o r r e s p o n d e n c ei n t e m e tp r o t o c o l ( s u c ha s a r p 9h t t p ，t c p 佃e t c 1a r ea l lc o m p l e t e db yl i g h tg a t e w a y , a n dt h ee m b e d d e d s y s t e mc a r r i e so u td a t ac o l l e c ta n dc o n t r o lo n l y 1 1l o c a le q u i p m e n t sa s kf o r s e r v i c e ，t h el i g h tg a t e w a yc a b 1 i n kt oa ni n t e r a c ts t a t i o nt h r o u g hm o d e mo rl o c a l n e t w o r k w h e r e a s , t h el i g h tg a t e w a ya i 岱、 惴f o rt h er e q u e s to f l o n g - d i s t a n c en e t w o r k i nt h i sp a p e r , l i n u xi sc h o o s c da st h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m w ea n a l y s e t h el i n u xk e r n e l a n dw ea c h i e v et h e v i r t u eo fs m a l lv o l u m ea n dg o o dr e a lt i m e p e r f o r m a n c eb yc u t t i n go u tl i n u xk e r n e l i no r d e rt om a k eu pi t ss h o r t a g e ，w ei m p r o v e t h ek e r n e l sv o l u m ea n dt h er e a lt i m ep e r f o r m a n c ei n t h i sp a p e r i nt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o n ，w ea d o p tm i e r o p r o c e s s o r - s 3 c 2 4 1 0p r o d u c e db y s a n s u n ge l e c t r o n i c sc o ，l t d w em a k e 哪o f i tt ob u i l du pa ne m b e d d e ds y s t e m c a r r y i n go u tt h ef u n c t i o no ft h el i g h tg a t e w a y 1 1 坞s 3 c 2 4 1 0p o s s e s s e so u t s t a n d i n g k e r n e lp e r f o r m a n c ea n da b u n d a n to ft h ee x t e r n a li n t e r f a c e ，a n dh a st h et c p i p p r o t o c o ls t a c k c a nc a r r yo u tt h et c p i pp r o t o c o le a s i l y , a n dc a nl i n ki n t e m c te a s i l y t h a tp r o c e s s o r sw o r kf r e q u e n c y 咖a t t a i n2 0 3m i - i z s t h i sw o r kf r e q u e n c yc a nm r k e t h ep r o c e s s o r 舢w m c e l i n u xo p e r a t es y s t e mc t c a n di tc a nc a r r yo ham o r e c o m p l i c a t e di n f o r m a t i o np r o c e s se a s i l y w es o l v e dt h eh a r dq u e s t i o no fa r md e v e l o p m e n ts u c c e s s f u l l y , s t u d i e dt h e p r o j o c to fa r md e v e l o p m e n t , a n ds o l v e dt h ea r ml i n u xt r a n s p l a n t a t i o nd i f f i c u l t p r o b l e m i nt h er e s e a r c hr e a l mo fe m b e d d e ds y s t e m ，i th a sh i g hp r a c t i c ea n dr e s e a r c h v a l u e t h ee m b e d d e dg a t e w a ys y s t e mi nt h i sp a p e rh a sl o wc o s ta n dh i g h - e f f i c i e n c y c h a r a c t e r i s t i c s ，w o r t h yo fe x p a n s i o n f i n a l l y , w ed ot h es u m m a r yo ft h i sp a p e ra n d p r o s p e c t e do t h e ra p p l i c a t i o no f t h i se m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e ml i g h tg a t e w a y e m b e d d e dd r i v e r $ 3 c 2 4 1 0 c a n p r o t o c o lc o n v e r s i o n e m b e d d e dl i n u x 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 随着信息技术的发展，嵌入式系统渗透于生活中的各个领域，嵌入式计算 机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就 包含了6 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、 m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、u s b 集线器等均是由嵌入式 处理器控制的。在制造工业、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。在不 同领域，这些嵌入式系统往往组成一个个独立的嵌入式网络，随着i n t e r n e t 网 的不断普及，将各种嵌入式网络接入i n t e r n e t 网变得越来越必要。回顾整个网 络的发展历程，从巨型机时代网络化进程的开始，到p c 时代开放式互联网络的 出现，一个必然的趋势是嵌入式设备的网络化。 未来的网络会更进一步发展，连接到网络上的不仅仅是p c ，p d a 这样的个 人数据处理设备，还会有大量的控制类设备连接到网络上。包括各种各样的环 境和安全控制装置、家用电器设备，商用设备、工业设备等等。它们连接到网 络上实现协调管理将是未来网络设备的发展趋势。一套新设计的智能化住宅中， 估计连接到网络上的p c 机数量为1 - 4 台，而连接到网络上的其他电子设备为 2 0 一3 0 个。现在网络上主要的信息收发请求是有人操作的设备对其他有人操作的 设备发出的，未来网络上将大大增加智能设备互相之间的信息的收发。未来的 智能住宅、智能小区、智能工厂，智能办公楼、智能医院、智能学校、智能仓 库、智能车站、智能机场、智能酒店等等应用场所不可能在每一个需要采集信 息的点上都设置一台标准的p c 机，而是需要大量的充当神经末梢的嵌入式网关 设备。 在这种网络无所不至的建设和发展趋势下，廉价、有效、可靠、使用方便 的透明化4 设计的小型乃至微型网络设备将是网络设备设计、制造、应用的一 个非常重要的方向，甚至可能是规模最大的一个方向。 1 1 嵌入式系统及其发展趋势 四川大学颂士学位论文 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和各个行业的 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。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，1 9 9 7 年来自荚国 嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于 嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的 新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能 力已超过了i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年 1 1 月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r n e t 成 为一个技术新热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能 ( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪 榜院士9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展 与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的 阐述和展望。 1 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 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。以上的定义是比较科学严谨的。还有一种观点认为：如果一个运用没有 人机交互接口，用户不必直接干预系统的运行，这样的运用就可以称为嵌入式 系统。这样的系统因为用户不能直接与系统进行人机交互而必须是嵌入式的。 这个定义虽然简单直观，但也不能绝对化。例如，电梯的控制通常被认为是嵌 入式的，但却有“按键”和“指示灯”这些交互式设备。又例如，联网的嵌入 式系统通常也包含监视和控制器这些交互式设备。从软件特性和硬件特性两个 方面可以来判断一个系统是否为嵌入式系统。 ( 1 ) 硬件特性 体积小，集成效率高。嵌入式系统总是去除冗余，力争用最小的系统完 成目标功能，特别在一些手持设备中更是这样。 2 四川大学硕士学位论文 面向特定运用的特性。具体嵌入式系统只能适合某一特定应用，针对另 一应用就需要重新设计硬件系统。 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣环境下工作，即使死机也要求能快速 启动。 总之，嵌入式系统硬件在价格、功能，体积、重量、能耗等方面都有严格 的限制。 ( 2 ) 软件特性 嵌入式软件的研发与硬件密切相关。由于嵌入式软件的开发是针对具体 的硬件平台进行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬件结合部分，这就要 求开发人员必须具备相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有 限，内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运行效率， 同时选用高质量的编译工具。 软件一般固化在f l a s h 或r o m 中。为了执行速度和系统的高可靠性，同 时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到目标板中的 f l a s h 或r o m 中。目标板启动时，再运行其中的代码，而不是像p c 那样从硬盘 存储器中读取程序。 嵌入式系统的运用 嵌入式产品已经在很多领域得到广泛的运用，如国防、工业控制、通信、 办公自动化和消费电子领域等。 ( 1 ) 工业过程控制 工业过程控制即是对工业生产过程中的生产流程加以控制。这种控制是建 立在对被控对象和环境不断监控的基础上的。在控制过程中，嵌入式的计算机 处于中心位置，它通过分布在工业生产中的各个传感器收集信息，并对这些信 息进行加工处理和判断，然后向执行器件发出控制命令。 ( 2 ) 军事电子设备和现代武器 四川大学硕士学位论文 这是早期嵌入式系统的重要应用领域，军事领域从来就是许多高新技术的 发源地。 ( 3 ) 消费电子产品 后p c 时代的消费电子产品应具有强大的网络和多媒体处理能力。作为移动 计算机设备的p e a 和手机己出现融合的趋势，未来必定是二者合一，提供给用 户随时随地访问i n t e r n e t 的能力，同时还具有其他信息服务功能，如文字处理、 邮件管理、个人事务管理和多媒体信息服务等。而且简单易用，价格低廉，维 护简便。 作为消费电子产品的嵌入式系统的另一大应用是信息家电。信息家电是指 所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品。如果在家电 中的冰箱、空调、监控器等设备中嵌入计算机并提供网络访问能力，用户就可 以通过网络随时随地地了解家中的情况，并控制家中的相应电器。 ( 4 ) 网络通信设备 众多网络设备都是嵌入式系统使用的典型例子，如路由器、交换机、w e b 服 务器、网络接入设备等。另外，在后p c 时代将会产生比p c 时代多成百上千倍 的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将为人们提供需要的各种信 息，并通过i n t e r n e t 网自动、实时、方便、简单地提供给需要这些信息的对象。 设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器以成为嵌入式 系统的一大运用方案，这些嵌入式设备为企业信息化提供了廉价的解决方案。 1 1 2 嵌入式系统网络化趋势 网络被称为第二次信息技术革命。在巨型机统治的时代，绝大多数情况， 一个企业的所有信息数据都储存在一个大型计算机中。处理能力和存储量的需 求，产生了多个大型机协同工作，相互通讯方式，这是网络的发端。为了使各 大型机进行通讯，计算机制造商制定了各自的通讯规范和通讯协议，并且这些 不同的规范和协议相互不兼容。这种方式被带入到微型计算机领域。与此同时， 有人预见到在不同厂商的不同计算机上必须有一个信息共享的方式。随着这种 要求的增多，“开放式网络”的概念被提出。但是由于每个计算机制造商都声称各 4 四川大学硕士学位论文 自拥有最佳的解决方案，同时排斥其它厂商的解决方案，开放式网络一直停留 在字面的阶段。这种情况一直延续到p c 时代，从一定程度上说，p c 是局域网 ( l n ，l o c a l a r e a n e t w o r k ) 的直接推动者。 局域网很好的解决了多台计算机之间共享数据和通信的问题，但同时又产 生了另外的兼容性问题。不同计算机厂商和不同网络设备提供商对局域网络的 形式和拓 结构有不同的阐述，同时制定了不同的实现标准。当人们再次呼唤 开放式网络时，同样的事情发生了，每一个提供商都宣称自己的解决方案是最 好的，但许诺将会支持一般的通用解决方案。由此，一个标准制定委员会被成 立，在耗费了很多的时间和人力之后，这个所谓的通用标准都没有真正出现。 市场的选择，最终导致了开放式网络时代的到来。支持开放式网络的企业 成功了，而另一些始终守着自有网络协议的企业则被撇在了一边。 今天t c p i p 协议和以太网就是一种开发式网络。所有主要的操作系统，主 要的计算机制造商( 大型机，微型机及p c ) 都支持以太网和t c p i p 协议。在这 个开放式网络的基础上，产生了不可计数的应用，从大型企业的网络解决方案 到电脑游戏。既然已经存在一个通用的标准，制造商就可以发展出一种基于网 络的嵌入式解决方案，并且可以肯定它将有很大的应用面。 回顾过去，我们可以看到这样一个发展过程。计算机从一个相对昂贵，不 易使用，缺乏通信能力的设备变为大量普及、易于使用操作、可进行低成本通 讯的p c 。在这个过程中，一个明显的趋势，一些更为廉价的设备将变得更接近 用户，并且将具有更好的互操作性。根据这种趋势，一些更低成本的处理器将 逐渐走向普通用户，同时由于网络的影响，这些低成本的微处理器将会出现在 网络中，从而形成“嵌入式网络”。 开放式网络可以给企业带来很多好处。方便的数据信息获取带来迅速高效 的决策。从最低端的设备到超级计算机，企业有一个整体控制。开放式网络的 可扩展性使得企业可以保持已有的技术投资，相对于特定的网络标准，假如企 业采用一种新的解决方案时，已有网络系统将被推翻，从这一点上说，开放式 网络为企业运营降低了成本。 嵌入式设备网络化是市场的需要。从最终用户的角度看，他们希望所有设 备互联工作，这种互联越广泛越好，因为这意味着他们工作生活的自由度提高 了。当今社会是信息化的社会，快速获取最新信息是高效决策的关键。企业的 四川大学硕士学位论文 管理者希望他们的触角能够到达企业的任何位置，从而可以快速的进行资源配 置，对生产过程进行实时监控，并能够随时修正( 假如需要的话) ，重新配置资 源。现代企业具有多大的灵活性很大程度上决定了它能否在竞争中胜出。 从嵌入式设备制造者的角度来看，通常更关心成本因素。嵌入式设备的网 络化使得在进行售后服务时有了一个根本性的变革：通过因特网远程控制检测 设备，使得进行远程技术支持成为可能( 首要一点是披检测设备必须能够进行 远程访问) 。这种做法提高了设备维护的方便性，同时降低了维护的成本。 1 2 嵌入式轻型网关 1 2 1 嵌入式系统网络化的几种解决方案 嵌入式计算机系统与一般的p c 系统有所不同，其网络化需要关心以下几个 问题。 一网络化所需的成本 成本是一个在任何时候都很敏感的话题，嵌入式设备互联网络化必然需要 一定的投入。昂贵的解决方案，即使非常完善也将无人问津。 二网络化如何解决现有的多个标准 p c 机在网络化时遇到多个标准的问题，在嵌入式设备中同样存在。在嵌入 式设备网络走向开放式网络的时候，同样要考虑已有的多个标准。如果推翻现 有的网络重新构建新网络，必然造成网络改造时成本的增加，这时所有用户都 不愿看到的。假如保持现有网络框架，则必须寻找一种方法使得这些特有嵌入 式设备网络能够相互通讯，同时还能够同已有的开放网络( 以太网，t c p f l p ) 通讯。 三怎样实现人机交互 嵌入式设备的网络化，可能使得原有嵌入式网络的拓l - 结构发生变化，同 时也改变了已有的控制使用设备的方式。用户追求最方便的使用方式，最友好 的人机交互界面。嵌入式设备不同于一般的p c 机，通常不带有显示设备，必须 找寻一种在开放式网络中能够进入嵌入式设备网的良好方法。 6 四川大学硕士学位论文 嵌入式网络化有多种解决方案，每一种解决方案都有其优缺点。我们将针 对上述网络化所需要考虑的问题进行分析，以提出一个好的解决方案。 解决方案一：直接把设备挂到互联网络上 这是一种嵌入式设备直接向开放式网络转换的解决方案，每一个设备都带 有以太网口，并且在嵌入式系统上实现t c p i p 协议栈，因此每一个嵌入式设备 都具有直接联入互联网络的功能。这种方案把嵌入式设备提升到与p c 对等的地 位，从而从互联网络上访问嵌入式设备与访问一个p c 节点没有区别，使得访问 控制具有相当的灵活性。 但是其缺点也是明显的。从成本角度讲，这种方案几乎完全推翻了原有的 嵌入式设备网络，所有嵌入式设备重新设计，所有的嵌入式网络重新建立。仅 是这一项工作所需的成本就相当昂贵，另外还需考虑由于在每一个设备中实现 以太网和t c p i p 栈，这导致器件成本的升高，在成本敏感的今天，这种方案很 难被用户接受。 解决方案二：使用传统p c 作为中间转发设备 这是一种较为传统的解决方案，这种方案保留原有的嵌入式设备网络，嵌 入式设备网络挂接在p c 机的串口或并口等外围接1 ：2 上当通讯发生时，嵌入网 络向p c 机发送信息，由p c 机对这些信息进行处理，进行信息的转发。同时由 互联网络传来的数据也可以由p c 转发给嵌入式网络，而在每一个嵌入式网络内 部则可以使用原有的通讯协议通讯。相对于第一种完全以太网化的解决方案， 这种方案更具有实用性，它在一定程度上削减了成本，使其达到用户可以接受 的程度 这种解决方案同样具有的缺点由于p c 的局限性，使得网络扩展有一定的 困难( p c 通常都置于机房中) ，p c 的体积太大，需要一定的工作环境，这一点 影响嵌入式网络拓卜的灵活性。另外，仅使用p c 作为转发设备是一种浪费，p c 的处理能力没能充分的发挥。 解决方案三：直接使用嵌入式设备代替p c 作为转发网关( 我们设想的解决方案) 这种解决方案实际上是综合了上述两种解决方案而提出的。由于保有了现 有网络，所以这种方案具有方案二所具有的优点同时由于嵌入式网关体积小， 7 四川大学硕士学位论文 使得铺设网络更加灵活。 这种方案增加的困难在于，它需要开发一种专有的廉价设备用作嵌入式网 关，但这种困难在于网关的开发者。对于用户使用而言，不存在增加的任何困 难。 我们选用方案三，它能够胜任协议转换这项功能，完成各种轻型协议( 如 r s 一4 8 5 。c a n 等) 与i n t e r n e t 网上的重型协议( 如t c p i p ，h t t p ，a r p 等) 的转 换，最终实现通过i n t e r n e t 网来远程控制各个不同协议的小型网络中的嵌入式 智能设备。 1 2 2 嵌入式网关技术的定义 嵌入式轻型网关简称e l g a t e w a y ( e m b e d d e dl i g h t g a t e w a y ) ，其中“轻型” 有两层意思：一层意思是指嵌入式控制网络的轻型协议与以太网的重型t c p i p 协议相比较而言协议较简单；另一层意思是指由于该系统在实现高性能的前提 下能做到结构简单，而且硬件实现和软件实现的费用都较低，在硬件结构和实 现费用上也称为“轻” 利用轻网络通信技术，如c a n 、r s - 4 8 5 等总线将m c u 组网，增加一个嵌入 式网关。网关一端与以太网组合在一起，另一端与一个轻载网络( 如c a n 、r s 一4 8 5 等总线网或无线网) 相连。所有i n t e r n e t 上面的各种“重网络”通信协议( 如a r p ， t c p i p 等) 均由网关完成，而嵌入式系统仅仅实现数据采集与控制。 信息网络现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道， 未来的设备将普遍以计算机网络为基础的，再结合t c p i p 协议在网络中运用。 如果将小型网络中采用其他协议( 比如c a n ，r s 4 8 5 等) 的嵌入式系统能够通过 一中间设备连接到标准的t c p i p 网络上面。则可以方便、低廉地将信息传送到 几乎世界上的任何一个地方嵌入式网关就是这一中间设备，它能够完成其他 协议和t c p i p 协议的相互转换而进行数据传输的网络通讯模块。 使用网关搭建一种嵌入式的框架结构，从而为即使是最小的控制器提供上 网功能。网关将作为嵌入式设备网络与以太网络互联的窗口，在嵌入式设备网 络通以太网络通讯时将作为“代理机构”，代表嵌入式网络或以太网络发言。 在网关的两端分别是轻量级的网络( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，m o d e m ，i r ，r f ) 和重量级 网络( 企业内部网络，互联网络) 。相对于一般的嵌入式控制器，网关必须具有 四川大学硕士学位论文 更多的处理能力，具有更多的资源( 内存，存储空间等) ，能够应付两种设备网 络之间的通讯，如图1 1 所示。 嵌入式网络 ： ： - - - - + - _ 一_ 辛i 器 广：壹宴一一 l r ，一+ 。+ - 鑫际 。一_ 。9 994 8 s 1 鞠络： 器丢 盎壹一一 亭ei 墙- 。 k ：毒囊j 图1 1 网络总体结构图 1 2 3 网关系统实现的功能 一个网关使得8 或1 6 位的嵌入式设备可以访问英特网或企业网上的节点。 作为网关的设备必须具有如下的一些功能： 防火墙：因为嵌入式设备相对简单，在接入以太网络后，嵌入式设备本 身无法保证自己的网络安全性。网关设备必须提供一系列恰当的认证加密技术， 采取一定的安全策略，保护防火墙后的嵌入式设备，以保护其不受到来自英特 网的攻击。 协议转换：嵌入式设备网络本身可能采用多种协议，多种硬件接口，为 了完成互联，网关必须带有各种嵌入式设备的硬件接口，同时在软件层必须能 够完成各种协议同t c p i p 协议的转换。 设备状态监视：这个是一个可选的功能，针对特定的应用需要定制这一 功能。需要查看得状态包括，设备是否始终保持连接，流量是多少等等。 事务处理：如果有一特定的事件发生了，必须启动一定的程序处理这一 事件。向以太网一方发送信息，报告特定的事件发生了。 1 2 4 嵌入式网关几个关键技术 嵌入式网关的研究中涉及到许多关键技术，如现场总线的研究、嵌入式网 9 四川大学硕十学付论丈 关协议、实时多任务操作系统( r t o s ) 、嵌入式i n t e r n e t 的实现等。要实现嵌入 式轻型网关首先要确立总体网络结构，确立总体网络结构很重要的一点是要确 立嵌入式网络与i n t e r n e t 的连接方式。原则上讲，嵌入式设备只要转变为w e b 服务器，再加上t c p i p 网络协议就可以连接i n t e r n e t 网。但由于嵌入式设备 本身的特点，目前在大量工业领域中采用的8 位和1 6 位m c u 上实现i n t e r n e t 通信协议是比较困难的，如果将现有嵌入式系统中的m c u 都更换成3 2 位或6 4 位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都不太可能。 ( i ) 协议转换 为了使数据能够正确传送到目的地，实现其他网络( 如c a n 、r s - 4 8 5 等轻 型网络) 与i n t e r a c t 网的信息交互，需要解决的一个关键问题就是协议转换。我 们需要对其他协议数据包( 如c a n 、r s - 4 8 5 等报文) 和礤数据包的格式做一 些特殊的规定。 本系统的设计中，我们对c a n 与口报文的格式作了研究。 ( 2 ) 实时多任务操作系统( r t o s ) 在选用一种嵌入式操作系统时，除了需要考虑操作系统实用性、需要消耗 的资源数( 包括内存，f l a s hm e m o r y 等) 、支持软件的丰富程度、可靠性以及其 执行性能等因素外，还应该考虑到以下几个方面： 对处理器的支持 内核剪裁，体积大小 操作系统的实时要求 内存管理问题 ( 3 ) 系统移植问题 操作系统的移植一向是嵌入式开发的重点，尤其是b o o t l o a d e r i j i 导程序的 移植。b o o t l o a d e r 弓i 导程序是嵌入式开发很重要的组成部分。它是cpu 加电 后第一个开始运行的代码，由它最终将操作系统启动起来并将控制权交给操作 系统内核。b o o t l o a d e r 引导程序最基本的功能是进行硬件的初始化( 包括c p u 的主频、s d r a m 、中断、串口等) 和内核启动参数的设置并启动内核等。功能强 大的b o o t l o a d e r 可以和主机进行交互，从串口、usb 口或者网络口下载映像 文件，并可以对f l a s h 等存储设备进行管理。 l o 四川i 大学硬士学位论文 1 3 嵌入式轻型网关主要运用领域 i n t e r n e t 可以看作由许多局域网通过传输介质和网络设备连接起来的一个 网络集合，就像一个大型的网络，它最初是专门用于计算机之间通信的。随着 网络技术的迅速发展，i n t e r n e t 已经成为现代生活不可缺少的一部分，世界各 地成千上万的人每天都要通过i n t e r n e t 来获得和处理信息。众多的轻型局部网 络接入i n t e r n e t 也是发展趋势。因此，嵌入式网关的需求也会越来越广，主要 应用在以下几方面。 ( 1 ) 生产控制 在传统的生产控制方案中，现场信息止步于“现场”。生产现场的数据通常 是由现场操作员通过报表的方式汇报给上层管理者，因此，上层管理者不能快 速、直接地了解生产现场的情况。使得从数据产生到管理者作出反应之间存在 一个较大的延迟时间。在竞争激烈、各厂商都在与时间赛跑的今天，这种控制 方案显然不能满足要求。随着信息技术的飞速发展，厂商对生产过程的控制提 出了更高的要求。上层管理者需要及时、准确地从生产现场获取重要的有用信 息，以掌握生产第一线的情况，进而把底层控制与上层监控、管理、决策、销 售等集成起来，立足于生产，以市场为导向，实现生产、管理、决策与销售的 一体化，从而降低成本、提高生产率、增强市场竞争力。 目前，i n t e r n e t 正在把全世界的办公系统和通信系统连接起来，这为底层 信息的远程访问创造了条件。同时，现场设备的智能化为直接接人i n t e r n e t 提 供了基础，在完成测量控制任务的同时向上提供各种现场信息。为实现企业纵 向的信息集成，位于生产现场的测量控制设备通过现场总线互联构成底层的控 制网络，并通过网关等设备连接到i n t e r n e t 上，从而实现底层控制网络与上层 管理网络的信息交互。于是，管理决策人员将可以在世界的任何一个角落，通 过i n t e r n e t 及时了解生产现场的情况，综合各种信息，随时对生产进行调整， 实现远程监控。控制网络与i n t e r n e t 的结合将成为自动化领域信息技术发展的 方向。 ( 2 ) 家庭网 进入信息时代，网络影响着人们的工作与生活。它可以把现有的和未来的 四l i l 大学硒十学付论丈 数字化消费产品连成一个有机的整体，实现信息共享，满足人们多样的生活需 要。展望2 l 世纪家电的发展趋势，信息家电、网络家电将成为家用电器的主流， 网络技术和通信技术在传统家电中的应用将引起一场家电业的革命。目前嵌入 式系统技术蓬勃发展，宽带网络技术与信息家电技术也正在推动传统家电行业 进行一场巨大的革命与计算机技术的网络化、信息化发展类似，家电行业成 败的关键也在于能否成功进入以家电网络化、家电信息化为基础的“后家电时 代”。 在酝酿已久的市场积累与日新月异的技术支持下，中国的信息家电开始真 正登上历史的舞台。从功能上看，广义的信息家电已不仅仅局限于上网和收发 e - m a i l 等传统机顶盒的功能，还逐渐具有了多媒体信息的收发、交互、网上自 动化等功能，毫无疑问成为老百姓生活、学习、娱乐的又一新颖门户；从技术 的角度上来说，通讯技术尤其是宽带接入技术的迅速发展与成熟使得以v o d 等为代表的家庭宽带t c p i p 接入网成为可能。家庭的信息化已成为一种非常现 实的需求。而随着电视尤其是高清晰度电视技术的逐步完善与普及，嵌入式的、 定制的i n t e r n e t 接入设备与传统的计算机平台相比，从本质上可以更深层次的 与服务提供商联合，从形式上可以更方便的满足用户的需求，更适应家庭普通 用户的需要，是今后家庭网络终端产品的发展方向。因此，基于嵌入式系统的 信息家电设备应运而生。 在信息家电领域，家庭的网络化、信息化是一个极为重要的课题。海信集 团于2 0 0 0 年提出并完成了国家8 6 3 项目：数字化家庭信息系统，以国产的嵌入 式操作系统和独立开发的内部网络协议为技术背景，成功地使家