（计算机应用技术专业论文）基于51单片机的嵌入式internet系统的设计与实现.pdf

啥尔滨理工大学工程硕士学位论文 基于5 1 单片机嵌入式i n t e r n e t 系统的设计与实现 摘要 随着电子设备智能化要求的提高和各种功能强大的微处理器的推出，单 片机系统逐渐成为许多电子设备不可缺少的一部分，并处在前所未有的发展 期；而互联网概念的深入人心更为单片机系统与互联网的结合提出了要求。 本研究课题正是在这样的大背景下提出来的，同时也结合实际的开发项目一 一大连市供水公司流量监测系统。 本课题要实现的嵌入式i n t e m e t 方案是针对采用5 1 处理器的单片机系 统，这些系统广泛应用在工业控制、通信设备、家用电器等领域里。这些为 数众多的设备接入i n t e r n e t 后，将可实现设备的远程控制、管理和升级等功 能，改变以往单独、孤立的存在方式，进入一种开放、互联的方式。可以说 单片机系统连接i n t e r n e t 不仅可以产生经济效益，对社会效益也会产生深远 的影响。 本文首先介绍研究的背景和理论基础，接着对弘c o s i i 嵌入式实时操 作系统在5 1 增强型处理器d s 8 9 c 5 5 0 上的移植进行了研究，阐述了移植过 程中的原理、方法；同时还介绍了1 0 m 以太网卡( r t l 8 0 1 9 a s 控制器) 、 嵌入式m o d e m 模块设备驱动程序编写；接着给出了嵌入式t c p i p 协议栈 的设计与实现，具体包括以太网协议、p p p 协议、a r p 协议、i p 协议、 u d p 协议以及t c p 协议；最后阐述了e m b e d d e dw e bs e v e r 的设计与实现。 并分析有待改进的地方，作为将来研究方向的参考。 此外，还结合了实际应用阐述了整个模型的可行性和先进性，本课题的 研究将对相同领域的研究起到一定的推动作用。 关键词嵌入式；1 tc o s i i 操作系统；调制解调器模块 坠尘堡些三垒兰二垒竺! ：兰竺丝兰 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e d i n t e r n e t s y s t e mb a s e do n5 1m i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so f e l e c t r o n i c e q u i p m e n ta n di n t r o d u c t i o no f v a r i o u s p o w e r f u lm i c r o p r o c e s s o r s ，s i n g l ec h i ps y s t e mh a sg r a d u a l l yb e e na n i n d i s p e n s a b l ep a r t o fl o t so fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t a n dh a sb e e ni nt h e u n p r e c e d e n t e ds t a g eo fd e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c e p to fi n t e r n e ti s w e l l k n o w n ，w h i c hr e q u i r e st h ec o m b i n a t i o no fs i n g l ec h i ps y s t e ma n di n t e r n e t t h ea b o v ei st h es i t u a t i o ni nw h i c ht h es u b j e c ti sp u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e ， t h es u b j e c ti sc o n n e c t e dt oap r a c t i c a l d e v e l o p m e n tp r o j e c t ：f l o wi n s p e c t i o n s y s t e mo f d a l i a nw a t e rs u p p l yc o m p a n y ， t h es c h e m eo fe m b e d d e di n t e r n e ti nt h e s u b j e c ta i m sa ts i n g l ec h i ps y s t e m w i t h5 1 一p r o c e s s o r t h o s es y s t e m sa r ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r y c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o nf a c i l i t i e sa n dh o m ea p p l i a n c e ，e t c 。a f t e rt h o s ef a c i l i t i e s a r el i n k e dt oi n t e r n e t ，s o m ef u n c t i o n sw i l lb er e a l i z e d ，s u c ha sr e m o t ec o n t r o l ， m a n a g e m e n ta n du p d a t e ，e t c t h ep r e v i o u ss i n g l ea n di s o l a t e dm o d ei sc h a n g e d i n t ot h eo p e na n di n t e r l i n k e do n e s i n g l ec h i ps y s t e ml i n k e dt oi n t e r n e tb r i n g so u t n o to n l ye c o n o m i cb e n e f i t sb u ta l s op r o f o u n ds o c i a lb e n e f i t s t h ea r t i c l e f i r s t l yi n t r o d u c e sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h e o r e t i cf o u n d a t i o n ， a n ds t u d i e s p o r to f l ac o s - i ie m b e d d e dr e a l - - t i m e o p e r a t i o ns y s t e mo n5 1 e n h a n c e dp r o c e s s o r - d s 8 9 c 5 5 0a n dt h e nd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d si n t h ep r o c e s so fp o r t m e a n w h i l e ，i td e a l sw i t ht h ep r o g r a m m i n go f1 0 me t h e r n e t ( r t l 8 0 1 9 a sc o n t r o l l e r ) a n dd e v i c ed r i v e ro fe m b e d d e dm o d e mm o d u l e w h a t s m o r e ，i tm e n t i o n sd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，i n c l u d i n g e t h e r n e t ，p p p , a r p , i f , u d pa n dt c pp r o t o c 0 1 f i n a l l y ，i te x p a t i a t e su p o nd e s i g n a n dr e a l i z a t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e ra n d a n a l y z e ss o m ei m p r o v e m e n ta s r e f e f e n c eo ff u t u r er e s e a r c h i na d d i t i o n ，t h ea r t i c l er e l a t e st o p r a c t i c a la p p l i c a t i o nt oe x p l a i nf e a s i b i l i t ya n d a d v a n c e m e n to ft h ew h o l em o d e l t h er e s e a r c hi n t ot h es u b j e c tw i l lp r o m o t et h e 堕尘堡些三查兰三堡丝；! 兰堡鎏兰 i na d d i t i o n ，t h ea r t i c l er e l a t e st op r a c t i c a la p p l i c a t i o nt oe x p l a i nf e a s i b i l i t ya n d a d v a n c e m e n to ft h ew h o l em o d e l t h er e s e a r c hi n t ot h es u b j e c tw i l lp r o m o t et h e r e s e a r c hi n t ot h es a m ef i e l d st os o m ee x t e n t k e y w o r d se m b e d d e dc o m p u t e r ；uc o s 一1 1o p e r a t i o ns y s t e m ；m o d e mm o d u l e 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于5 1 单片机的嵌入式 i n t e r n e t 系统的设计与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：3 需 厶日期：2 0 0 6 年5 月3 0 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于5 l 单片机的嵌入式i n t e r n e t 系统的设计与实现系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日。 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：了j 雾f 己日期：2 0 0 6 年5 月3 0 日 导师签名：吉三一 日期：2 0 0 6 年5 月3 0 日 哈氖璀珲t 大学t 珲舒十学位诊变 第1 章绪论 1 1 课题来源、立论目的和意义 课题来源： 随着信息社会的发展，信息家电、智能仪表和智能安保系统等产品已经越 来越多地出现在人们的生活中，单片机作为嵌入式信息产品的一个重要应用方 面，其使用、设计面临着全新的挑战；如果能将单片机系统连接到应用广泛的 i n t e m e t 上面，或者在现有网络的基础上利用i n t e m e t 为介质，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，从而进行远程监控。因此， 嵌入式i n t e m e t 技术就应运而生，并成为业内的一大热点。本研究课题正是在 这样的大背景下提出来的，同时结合实际项目供水公司流量监测系统。 课题研究目的和意义： t 本课题要实现的嵌入式i n t e r n e t 方案是针对采用5 1 处理器的单片机系统， 这些系统广泛应用在工业控制、通信设备、家用电器等领域里。这些众多的设 备接入i l n t e r n e t 后，将可实现设备的远程控制、管理和升级等功能，利用孤立 于i n t c m c t 以外的的控制通信网络( 如c a n 1 2 c , 1 。r o f i b u s 等现场总线) 实现 m c u 组网改变以往单独、孤立的存在方式，进入一种开放、互联的方式。可 以说单片机系统连接i n t c r n c t 不仅可产生经济效益，对社会效益也有产生深远 的影响。 1 2 国内外研究现状与分析 1 2 1 嵌入式i n t e r a e t 的现状与分析 自单片机出现至今，单片机技术在我国已走过了2 0 年的发展路程。纵观 2 0 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器技术及超大规 模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为基础，表现出更具有个性 的发展趋判1j 【2 】。单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等 级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。 哈尔滨理t 大学t 程磅十学位论文 l - 内部结构( 多核结构处理器) 的进步：随着嵌入式应用的深入，特男4 是 在数字通信和网络中的应用，对处理器提出了更高的要求。为适应这种情况， 现在已出现多核结构的处理器。 m o t o r o l a 公司研发的m p c 8 2 6 0p o w e r q u i c ci i 就是是一种先进的为电信 和网络市场面设计的集成通信微处理器。它融合了两个c p u 嵌入式p o w e r p c 内核和通信处理模块( c p m ) 。由于c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 核的外 围工作任务，这种双处理器体系结构功耗反而要低于传统体系结构的处理器。 i n f i n e o n 公司推出的t c l 0 g p 和增强型t c l l 3 0 都是三核( t r i c o r e ) 结构 的微处理器。它同时具备r i s c 、c i s c 和d s p 功能，是一种建立在s o c 概念上 的结构。这种单处机由三个核组成：微控制器和d s p 核、数据和程序存储器 核、外围专用集成电路( a s i c ) 。这种单片机的最大特点是把d s p 和微控制器 愈合成一个单内核，大大提高了微控制器的功能。具有类似结构的还有h i t a c h i 公司的s h ? 4 1 0 、s h 7 6 1 2 等。它们用于既需要m c u 又需要i ) s p 功能的场合，比 使用单独i d c l j 和d s p 的组合提供了更优势的性能。 2 更低功耗：现在新推出的m c u 的功耗越来越小，很多m c u 都有多种 工作方式，包括等待、暂停、休眠、空闲、节电等工作方式。例如p h i l i p s 的p 8 7 l p c 7 6 2 ，空闲状态下的电流为1 5 m a ，而在节电方式下电流只有0 5 m a 。 很多m c u 还允许在低振荡频率下以极低的功耗工作。例如，p 8 7 l p c 7 6 4 在3 2 7 6 8 k h z 低频下，正常工作电流仅为i d d = 1 6 i la ( v d d - - 3 6 v ) 。空闲模式下l d d = 7 ua ( v d d = 3 6 v ) 。 3 更宽工作电压范围：扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作 是现在新推出的m c u 的一个特点。目前一般m c u 都可以在3 3 5 5 v 的范 围内工作，有些产品则可以在2 2 6 v 的范围内工作。例如，f u j i t s u 的m b 8 9 1 9 x 、m b 8 9 1 2 x 和m b 8 9 1 3 0 系列以及f 2 m c 8 l 系列m c u ，绝大多数工作电 压范围都为2 2 6 v ；而n 的m s p 4 3 0 x l l x 系列的工作电压可以低达2 2 v 。 m o t o r o l a 针对长时间处在待机模式的装置所设计的超省电h c s 0 8 系列m c u ， 已经把可工作的最低电压降到了1 8 v 。 4 制造工艺上的进步：现在的单片机基本上采用c m o s 技术，而且大多 数已经采用了0 6 u m 以上的光刻工艺，有个别的公司，如m o t o r o l a 公司己采用 0 3 5 u r n 甚至是0 2 5 u r n 技术。现在m c u 的封装水平已大大提高，有越来越多 的m c u 采用了各种帖片封装形式，以满足便携式手持设备的需要。m i c r o c h i p 公司推出了目前世界上体积最小的6 引脚p i c i o f 2 x x 系列m c u 。为了适应各 种应用的需要，减少驱动电路，很多m c u 的输出能力都有了很大提高， 哈尔滨理 大学丁程硕十学位论文 m o t o r o l am c u 的y o 口灌电流可达8 m a 以上，而m i c r o c h i p 的m c u 可达 2 0 2 5 m a ，其它如a m d 、f u j i t s u 、n e c 、i n f i n e o n 、h i t a c h i 、t o s h i b a 等都在 8 2 h n a 之间。在过去一般m c u 中，电源与地引脚是安排在芯片封装的对角 上，即左上、右下或右上、左下位置上。这种安排会使电源噪声对m c u 的内 部电路造成相对最大干扰。现在很多m c u 都把电源和地引脚安排在两个相邻 的引脚上。这样既降低了于扰，还便于在印制电路板上对去耦电容器进行布 线，降低系统的噪声。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠 性。 总的看来，单片机具有便利灵活、性能价格比高、嵌入式性能强等特点， 可以嵌入到现有的包括信息家电、工业控制系统在内的多种功能设备中从软 件的角度看，单片机系统具有系统专业性、实时性强和系统所需配置要求低等 特点。由于这样的特点，单片机系统适用于人类工作和生活的多个领域，具有 极其广阔的前景。 嵌入式i n t e r n e t 技术的出现时闻并不很长，但是发展速度却非常之快， 新思想不断涌现，新概念连续推出，新技术层出不穷，新产品不断产生，从底 层硬件技术所提供的解决方案到顶层软件所开拓的想像空间，都在不断地推陈 出新。随着p c 机时代的到来，2 l 世纪将是嵌入式i n t e r n e t 的时代。美国贝尔 实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 的一批科学家对此做出了预测：嵌入式i n t e r n e t “将会产生比p c 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。这 些瘦服务器将与我们所能想到的各种物理信息，生物信息相联接，通过 i n t e r n e t 网自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对 象”网络专家预测，将来在i n t e r n e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来 自小型嵌入式系统。嵌入式i n t e r n e t 将有很好的发展前景和广阔的市场，未 来的i n t e r n e t 技术将是嵌入式i n t e r n e t 占主导地位，因此嵌入式系统与 i n t e r n e t 的接入方式已成为人们研究的热点”1 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的几种接入方案 单片机系统实现连接i n t e m e t 方案的技术难点在于：如何利用单片机系统 自身的资源对信息数据进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在i n t c r n c t 上传输 的口数据包。从解决这一技术问题出发，目前出现了以下几种方案f 4 】： 1 采用专用嵌入式网络协议1 5 】：利用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 r oi n t e r n e t 霄o r k i n g t e c h n o l o g y ) 哈尔演理t 大擘t 捍葡十学位诒丈 e m i t 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成，e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌 入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 、i r 、r f 和电力线等) 进行联接的网络协议。 同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网关 e m g a t e - - w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关( 即e m - - g a t e w a y ) 运行 在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它是设备网络和i n t e r n e t 之间联接的桥梁。应用系统运行m c u 内的e m n e t ，通过e m g a t e w a y 与 i n t e r n e t 联接，见图卜l 。 e m m i c m 剖嘴甜，l 应用系统 + c n 小i c t 图卜1 采用专用嵌入式网络协议方式 h g 1 1t h em e l - o f 璐i n gs p e c i a le m b e d d e dn e t w o r kp r o t o c o l 具体来讲，e m i t 采用桌面计算机或高性能嵌入式处理器作为网关 e m g a t e w a y ，支持t c p 印协议并运行i n t e r n e t 服务程序，形成一个用户可通 过网络浏览器进行远程访问的服务器，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、 红外、射频等总线将多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中 包含一个独立的通信任务，称为e n $ 1 i c r 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 m m 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。 这种方式要求设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，并且软硬件 设计的工作量仍然较大。应用系统的胍u 处理e n l n e t 协议要占用一定的系统资 源，对m c u 的要求也较高，同时需要微机做网关。优点是网关中的一个i p 地 址可以联接多个嵌入式应用系统。 2 采用w e b c h i p 芯片实现单片机系统网络化【6 1 1 7 1 ：w e b c h i p 是武汉力源 公司于2 0 0 0 年4 月开发出使嵌入式电子设备和家用电器与网络方便联接的实 用解决方案。w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片，它通过标 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 与网关联接即可接 收并执行经由i n t e m 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。m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与g a t e w a y 联接，再进入i n t e r n e t 网，如图1 2 所示。 4 哈尔辑埋i 丈竿l - 程硕十学位论文 图卜2 专用芯片w e b c h i p 方式 f i g 1 - 2t h el l t l a l e ro f w e b c h i p w e b c h i p 内部固化了m c un e t 协议，它与e m - - g a t e w a y 和o s g i 协议兼 容，是m c u 电子设备与计算机平台上的g a t e w a y 建立联系的一种软件协议， 可以处理m c u 与g a t e w a y 之间的通信。m c u n e t 协议结构简单，但功能很 强。w e b c h i p 作用就是解释通信协议，控制数据传输，使m c u 应用系统不用 去管理协议的具体内容，只需要解释和执行w e b c h i p 送来的命令( w e b c h i p 与 i d c u 之间共有1 7 条命令) 。w e b c h i p 将来自m c u 的数据编译成符合协议规定 的格式，然后传给g a t e w a y ，而由g a t e w a y 下传的命令和数据由w e b c h i p 负责 解释，然后通过命令方式送给m c u 。图1 2 中的网关服务器用于协议的解 释、转换、执行等，通常由一台普通p c 机来实现。 w e b c h i p 的简要工作过程是：w e b c h i p 通过s p i 三线串行接口与m c u 应 用系统联接。它与m c u 应用系统交换信息足由1 7 条简单的指令进行控制。 w e b c h i p 的另一端以r s - - 2 3 2 、r s 一4 8 5 或m o d e m 等接口电路与基于p c 机平 台的网关接口。w e b c h i p 在m c u 应用系统接入i n t e r n e t 的过程中实际上是起了 底层协议的编译、解释和转换作用，将m c u 应用系统与网关再与i n t e m e t 联 接起来这是由于p c 机网关能提供h t y p 服务，又可与网络浏览器接口。 这种方案相对更简单，对m c u 要求较低，无论是运行速度、硬件配置和 存储器容量等方面均无特殊要求；软件设计也只需在原应用系统的基础上增加 一小段接口程序，其它无需作大的改动。对设计工程师，不需要熟悉复杂的网 络协议和相关接口，完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w c b c h i p 传送过来的指令和数据就可以实现与i n t e r n e t 网络联接。其开发周期更 短，也较灵活。同采用专用嵌入式网络协议方案一样，需要微机做网关，网关 中的一个口地址可以联接多个嵌入式应用系统嗍。 目前还买不到p s 2 0 0 0 的芯片，只是最近在力源网站上有了p s 2 0 0 0 的详细 芯片资料。其开发套件也较便宜，包含带有通信接口的p s m 2 0 0 0 模块板和 p s e 2 0 0 0e v k i t 演示套件等。 3 采用支持i n t e m e t 的嵌入式操作系统1 9 j ：嵌入式操作系统是指运行在嵌 入式平台上，内核小具有高度的模块化和扩展性：具备文件和目录管理、设备 哈尔演理t 大学t 柙矽十学位论文 支持、多任务、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口 ( a p i ) ，能够适应系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的系统 软件。由于i n t e r n e t 技术的发展，嵌入式操作系统已逐渐向网络化的方向发 展。目前市场上已有许多这样的嵌入式操作系统如u c l i n u x 、r t l i n u x 、 v x w o r k s 、n u c l e u sp l u s 以及v r t x s a 等掣1 0 】1 1 1 】。它们通过内核自身或是附加 的网络组件提供对t c p ，口协议的支持。基于这些操作系统的嵌入式设备，由 于操作系统自身的要求大都采用高档的3 2 位处理器如8 0 x 8 6 、p p c 、a r m 、 c o l d f i r e 等，同时拥有较大容量的r o m 和r a m ，因此设备能实现多种复杂的 网络功能。但这种方案存在如下缺点：高档的3 2 位处理器价格较贵，开发周 期较长；需要购买昂贵的嵌入式操作系统、网络组件以及配套的开发软件，对 开发人员的开发能力、经验要求较高。 4 处理机加精简的t c p 口协议方式：采用处理机加t c p 口协议方式， m c u 处理机像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档的处理机， 如3 2 位的a r m ，s h 3 ，m i p s 等m c u 和一些单周期指令速度较高的8 位 m c u ，如a v r 、s x 等，其结构见图1 3 。 图卜3 处理机+ t c p f l p 协议方式 f i g 1 - 3t h em a l l n e i o fp r o c e s s o r + t c p i p 根据嵌入式网络产品应用的特点，将标准的t l ：p ，口协议栈做较大幅度的简 化，根据需要保留其中基本的部分，这样就可以大幅度减少对于系统资源的需求， 从而可以在低成本小内存的系统中实现i n t e r n e t 连接的功能，这样的方案的优点 是廉价，便于广泛应用。该方案的重点和难点是实现精简的t c p i p 协议栈。 对t c p i p 协议的具体处理又有2 种方法。一种方法是采用实时操作系统 r t o s ，用软件方式直接处理t c p m 协议。实时操作系统的功能越来越强 大，许多都具有对图像界面和t c p 口的支持能力。采用这种方式最灵活，能 按用户需求实现很多复杂的功能，当然灵活的同时带来的是开发复杂度的增 加，对开发人员的要求高，对操作系统和t c p 球协议都要有一定的熟悉程 度，因此开发周期也较长，高档m c u 和r t o s 的价格也很高。 另一种是采用固化了t c p 疋协议的硬件芯片，如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司 的$ 7 6 0 0 a 等，它支持m 1 甲、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部 哈尔滨理t 大学工程碜t 学位论文 硬件电路处理t c p i p 协议。也可用u b i c o m 公司( 原s c c n i x 公司) 的s x 单片机加虚拟外设的方式。s x 单片机采用c p u 并行流水线和单时钟周期指 令，其极限运行速度系数等于1 ，达到最大值，支持的晶振最大到1 0 0m h z ， 因此执行速度可达1 0 0 m i p s 。s x 单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多 功能模块( 如d t m f 接收与发送、t c p i p 协议等) 设计成软件功能模块， 需要使用某功能时直接调用相应模块，其效果等同于安装对应硬件外设电路， 但虚拟外设方式更灵活更方便，且硬件电路简单。该方式与前一种相比更方 便，开发难度有所降低，但还是需要熟悉t c p 口协议和相关接口 这两种方式类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，m c u 直接处理 t c t 口协议，复杂度较高，且每个m c u 也需要一个职地址，而口地址需 要付费使用。它需要高档的m c u 处理机和较高的开发成本，因此一般只会在 一些高档产品( 如汽车) 中使用。它有一个好处是不需要p c 机做网关。 以往人们认为基于8 位或1 6 位微处理器的单片机系统由于在处理能力、 r o m 和r a m 空间上的限制，不能实现t ( ：p 口网络协议栈等这样复杂的功 能。但是，近年来随着市场对超微型嵌入式应用技术的不断增长，以及半导体 技术和系统设计方法的进步，在一个硅片上实现一个过去以为复杂的系统的时 代已经来临，并深刻地影响着传统的集成电路产业，不断发展的具有高速处理 能力的智能化嵌入式芯片，使得单片机系统支持t c p i p 协议成为可能。在综 合考虑了以上的方案后，本课题采用的是通过增加嵌入式t c p i p 软件协议栈 实现嵌入式i n t e r n e t 的方案。 1 2 3 嵌入式系统软件t c 眦p 协议栈发展情况 当今国际上一些著名的嵌入式操作系统供应商，都在自己的嵌入式系统产 品中集成了t c p 月咿网络组件，以便自己的实时系统具备网络通信功能，由于 是面向嵌入式应用，因此这些产品在实时性、占用存储空间、可移植性方面做 了各具特色的改进 1 2 1 1 3 1 1 v 砌姐中的s n x ；v r t x s a 是m r i 公司开发的实时操作系统，s n x 是其中的t c p i p 网络组件，兼容a t & u n l xs y s t e mv 的r e l e a s e 4 。向上提供 两种应用编程接口：1 1 儿接口库和4 3 b s ds o c k e t 接口库。s n x 不仅体现了一 般网络的特性，而且也体现了其作为实时操作系统网络组件的特性。s n x 利用 了v r t s a 超微内核的特性，在响应速度、吞吐量上体现了其实时性，还采用了 以下一些措施来保证：【1 】静态分配技术，在网络初始化时静态分配通信缓冲 哈尔滨理工大学工程硕十学付诒文 区，设置专门的发送和接收缓冲区，避免了消息大于网络一次可传送数据时的 堵塞等待。【2 】网络通信采用非暂停方式，一旦报文被排到发送队列中，应用程 序将继续执行，不必等待报文的真正发送到目的节点，而接收方采用发送一个 接收信号后休眠的方法等待报文到达时被唤醒，这样既保证接受的及时响应， 也提高嵌入式系统和网络通信的并行性。【3 】紧急消息优先处理机制，对紧急数 据采用中断方式，紧急数据到达时，向主机发中断，调用中断处理程序直接接 收并处理。 2 n e c l e u s 中的n e t ：n e c l e u s 是a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g y 公司开发的实时 操作系统，n e t 是其中的t c p i p 网络组件。它最大的特点是引入了一种o d h ( o p t i m i z e dd a t ah a n d i n g ) 机制，去掉了传统t c p i p 协议栈中各层闻不必要 的数据拷贝，使得代码的效率更高。具体来说，o d h 机制为接受的数据和发 送的数据提供了一个缓冲区，当低层驱动程序接受到数据后，从主机缓冲池中 申请一块存储空间，之后的各层协议都对同一块空间进行操作，各层协议间传 递的都是该存储空间的指针，直到用户的应用程序把接受的数据从该存储空间 中取出并释放该存储空间；同样的，当上层应用程序有数据要发送时，也从缓 冲区中申请一块存储空间，之后的各层协议都对同一块空间进行操作，各层协 议间传递的也是该存储空间的指针，直到低层的驱动程序把发送的数据从该存 储空间中取出发送后才释放该存储空间。 3 p s o s 中的p n a * ：p s o s 是i s i 公司开发的实时操作系统，p n a + 是其 中的网络组件。它支持用于管理参与多播传输的计算机群的i g m p ( i n t e r a c t g r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 支持基于串口的p p p ；还支持m i b 1 i 。 1 2 4 嵌入式t c p i p 协议栈区别于标准的t c p i p 的特点 传统t c p i p 的实现过于复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式应用的系 统资源往往都很有限。因此，需要把传统t c p i p 在不违背协议标准的前提下 加以改进实现，使其实现性得到提高，占用的存储空闻尽可能少，以满足嵌入 式应用的要求，因此，嵌入式t c p ，球协议栈区别于标准的t c p i p 协议栈的最 突出的特点是【1 4 1 ： 1 由于嵌入式应用的要求千差万别，因此必须根据嵌入式网络产品的具 体功能，对完整的t c p i p 协议栈功能进行裁剪，特别是对应用协议提供可裁 剪性，以满足用户的需求。 2 在我们开发网络协议栈软件的过程中，保证软件的可移植性很强是非 哈尔滨理工大学t 挥碜十学仲论文 常重要的。这样，在对嵌入式产品进行软、硬件升级的过程中除了与硬件直接 相关的部分代码需要重新编写以外，不需对上层协议进行大的修改。 3 极少的代码占用量和r a m 资源要求，尤其适用于8 1 6 位单片机。嵌 入式t c p ，i p 协议栈的这些特点也将成为本课题研究工作的目标与要求。 1 3 本课题研究的主要内容： 1 i lc o s i i 实时操作系统在5 l 增强型处理器d s 8 9 c 5 5 0 上进行移植的 方法； 2 1 0 m 以太网卡( r 1 1 鼻0 1 9 a s 控制器) 、嵌入式m o d e m 模块设备驱动程 序编写； 3 嵌入式t c p i p 协议栈的设计与实现，具体包括以太网协议、p p p 协 议、a r p 协议、口协议、u d p 协议以及t c p 协议； 4 e m b e d d e dw e bs e v e r 的设计与实现。 哈尔演珲t 大学t 辉碲十学位论文 第2 章嵌入式操作系统uc o s i i 及其在嵌入式平 台上的移植 2 1 实时操作系统l lc o s i i 的选择 传统的单片机系统在程序设计上一般采用的是前后台方式或超循环方式， 对于简单的应用，这种前后台方式是可以满足要求的，但是随着应用的复杂 化，系统可能要同时监测控制多个外部设备，要求较高的实时性，有多个任 务要处理，如果在系统软件设计上仍然采用上述的传统方式，就会出现两个比 较突出的问题。一是中断响应，一般为了保证某_ = 项重要任务的实时性，就必 须在i s r 中进行较为复杂的处理，这样一来就要考虑代码重入，系统硬件堆栈 溢出等问题，二是任务多，要考虑的各种可能性也多，各种资源调度不当就会 造成共享数据的不一致，降低系统的可靠性，同时程序量也加大。解决这些问 题的最好方法就是使用嵌入式实时操作系统r t o s 。现在市场已经出现了不少 的嵌入式实时操作系统如v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u sp l u s 、v r t x s a 等等。但 这些操作系统大多对系统硬件配置有较高的要求，如要有运行速度快的3 2 位 处理器、处理器内部要有内存管理单元( m m u 、较大容量的r o m 和r a m 空间等；同时操作系统自身和相应配套的开发调试工具价格较高，而且许多 r t o s 厂商要求用户在批量生产时要按产品数量交纳版税，所以对于中小型系 统特别是采用8 位微处理器的系统来说这些操作系统都是不适合的。 本课题采用的是j ic o s i i 实时操作系统，它的前身是l la 0 s ，最早出自 于1 9 9 2 年美国嵌入式系统专家j e a nj l a b r o s s e 在嵌入式系统编程杂志的5 月和6 月刊上刊登的文章连载，并把i tc o s 的源码发布在该杂志的b b s 上， 采用它主要是基于以下的考虑：嵌入式操作系统u c 0 si i 是一个公开源代码的 占先式多任务的微内核r t o s ，其性能和安全性可以与商业产品竞争u c 0 s1 1 的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详 尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化，内核属于抢占式，最多可以管 理“个任务。u c o s i i 自1 9 9 2 年的第一版( u c o s ) 以来已经有好几百个应 用，是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。目前国内对u c o si i 的研究和 应用都很多i 捌1 1 6 1 。 哈尔浓理t 大擘t 辉磅+ 学伊论文 2 2uc f ，o s i i 的功能及特点 本课题采用的是参考文献所提供的v 2 0 0 版本的l lc o s i i ，相对早期的i i c 0 s ，有了很大的改进，总的说来它有以下的一些特点： 1 i c o s ，提供了对6 4 个任务的管理，除了系统内核本身所保留了8 个任务外，用户的应用程序最多可以肓5 6 个任务。由于1 tc o s i i 是一个基于 优先级的( 不支持时间片轮转调度) 实时操作系统，因此每一个任务的优先级 必须不相同。系统中的每个任务都处于以下5 种状态之一的状态中，这5 种状 态是休眠态、就绪态、等待态( 等待某一事件发生) 和被中断态。 图2 - 1pc o s - i i 控制f = 的任务状态切换图 r i g 2 - 1t a s ks w i t c hu n d e r , “c o s - i i 2 1 lc o s i i 是一个基于抢占式的实时多任务内核，即最高优先级的任务 一旦就绪，总能得到处理器的控制权。如果是中断服务程序( i s r ) 和一个高 优先级的任务进入就绪态，中断处理完成后，被中断了的任务将被挂起，优先 级高的那个任务则开始运行。 3 pc o s i i 提供了对信号量( s e m a p h o r e ) 、邮箱( m a i lb o x ) 和消息队 列( m e s s a g eq u e u e ) 的支持，通过这3 种方法可以完成任务与中断服务程序 ( i s r ) 之间的通信、任务与任务之问的通信以及多个任务对共享资源的互斥 访问。 2 3 1 1c o s i i 在处理器d s 8 9 c 5 5 0 上的移植 由于i ic o s 的原型在设计时已经充分考虑了可移植性，所以l lc o s 一1 1 二 的移植相对来说是比较容易的m 。为了方便移植，大部分的i ic o s i i 代码是 用c 语言编写的，但是仍然需要用c 和汇编语言改写一些与处理器相关的代 码，这是因为i ic o s 1 1 在读写处理器的