（计算机应用技术专业论文）ei软件开发平台中网络工具箱的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 e i 软件开发平台中网络工具箱的设计与实现 摘要 嵌入式i n t e r n e t ( e m b e d d e di n t c r n e t ，e i ) 技术的不断发展与成熟，推动了人与 设备、设备与设备之间的互联，实现了各类计算资源和各种设备的共享化，使得 支持网络应用的嵌入式软件将发生重大变化，特别是对嵌入式i n t e r n e t 软件开发 技术提出了新的挑战。能否高效、快速地开发出不同网络应用的嵌入式软件已成 为嵌入式i n t e r n e t 开发要面对的主要问题。正是在这种需求的背景下，软件开发 阶段的软件集成开发环境 d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t ) 应运而生。 在嵌入式软件开发平台中，能否提供一个通用简练的网络工具箱已经成为评 价嵌入式软件开发平台的一个重要的指标。在网络工具箱设计过程中既要考虑嵌 入式i n t e r n e t 技术在面向一种设备互联网络中的应用，还要充分考虑低端m c u 存储资源以及处理能力的限制。 目前嵌入式系统种类已经很多，但是考虑价格成本的问题，还没有一个面向 低端设备的嵌入式软件开发平台。东北大学开发的嵌入式设备接入服务器 w e b i t 20 采用的是8 位a t 9 0 s 8 5 1 5 微控制器，系统资源非常有限，仅有8 kb y t e f l a s h 和5 1 2b y t es r a m 。本文所研究的内容是为w e b i t 20 提供嵌入式系统软件 和用户应用程序的软件开发平台p c w e b 中网络通信工具箱的设计与实现。主要解 决了低端芯片在资源严重受限的情况下如何实现网络接口。本系统根据应用需要 对t c p i p 协议栈进行分析，设计并实现了t c p i p 协议栈的一个子集，即t h i nt c p i p 协议栈，包括a r p 、i c m p 、i p 、u d p 、t c p 以及应用层协议h t t p 、t f t p 协议的全部或部分功能，尽最大可能保持网络协议在功能和机制上的完整性。在 程序空间仅为8 k 的低端m c u 上开发出精简的t c p i p 协议栈，可以满足特定的 低端用户的基本需求。 关键词嵌入式i n t e r n e t 开发平台t c p i p 协议栈w e n t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k t o o l k i to f d e v e l o p m e n t p l a t f o r mf o re l a b s t r a c t n o wt h ew o r l dh a sa l r e a d ye n t e r e di n t oi n t e r n e ta g e ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e m e th a sal a r g ee f f e c to np e o p l e sl i v i n ga n dw o r k i n g ，a n dc h a n g e sp e o p l e si d e a a n da c t i o n c o m p u t e ri n d u s t r yh a sd e v e l o p e di n t op o s t p ca g e m a nh a sb e e nm o r e a n dm o r ef a m i l i a rw i t ht h en e w c o n c e p t ss u c ha si n f o r m a t i o nh o m ed e v i c e ，b o xo n e l e c t r o n i cd e v i c e ，n e tr e f r i g e r a t o r , e t ct h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti ne m b e d d e d s y s t e m sb e c o m e ah o tt o p i ci nt h ef i e l do f c o m p u t e ri nc h i n an o w a d a y s d e v e l o p e r s w a n tas o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，w h i c h r e t a i n st h eb a s i s f u n c t i o n so nt h ee x i s t e dh a r d w a r ee n v i r o n m e n t ，a n dp r o v i d e sac o n v e n i e n te m b e d d e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt h ep r o b l e m s w i t hw h i c ht h ee m b e d d e ds y s t e mf a c e sa r e t h el i m i t e dr e s o u r c ea n dc a p a b i l i t yo f p r o c e s s an e t w o r kt o o l k i t ，w h i c hi sf l e x i b l ea n d c o n v e n i e n th a sa l r e a d yb e c o m ea g u i d e l i n e f o re m b e d d e d s y s t e m p l a t f o n t l t h o u g hm a n y k i n do fe m b e d d e ds y s t e ma r ei n v e n t e d ，t h e r ei ss t i l ln oe m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf a c i n gt ol o w e rl e v e le l e c t r o n i ce q u i p m e n tb yc o n s i d e r i n gt h e c o s tt h ee m b e d d e d e q u i p m e n tw e b i t 20t h a ti sm a d eb y n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t yu s e s 8 一b i tm c un a m e da t 9 0 s 8 515i t o n l yh a s8 kb y t e sf l a s h ，5 12b y t e ss r a mt h e c o n t e n to ft h i st h e s i si sa ne m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mn a m e dl a c w e b f o rw e b i t 2 0t h a tp r o v i d e se m b e d d e ds y s t e m sn e t w o r ka p it o o l k i ti t sa r c h i t e c t u r ei s c o n s i s to fe m b e d d e dt c p i ps t a c k si n c l u d ea r p ，i p i c m p , t c p , u d p , h t t pa n d t f t ei tp r o v i d e sa na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c el i b r a r y , w h i c hi sf l e x i b l ea n d c o n v e n i e n t k e y w n r d s e m b e d d e di n t e r n e t ，d e v e l o p m e n tp l a t f o r i l l ，t c p i p ，w e n t 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的嗣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谢意。 本人签名： 王，豁 曰期： ) 昝、墨 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题提出的背景 当今的世界已经进入了网络时代。网络从局域网发展到广域网，直到今天的 异种、异构网络相连的国际互连网i n t e r n e t ，无论从空间上还是从时间上，都给人 们的生活方式带来了意想不到的变革，改变着我们的观念乃至行为。现在i n t e r n e t 已经几乎延伸到了世界上的每个角落，同时i n t e r n e t 上提供的信息更是包罗万象， 人们足不出户就可以从i n t e r n e t 上获得所要得到的信息。所以如何充分利用现在的 i n t e r n e t 资源，如何让更多的设备接入i n t e r n e t 是现在i n t e r n e t 需要解决的问题。网 站、电子商务总是在各种媒体上反复出现，但是，网络终端不仅仅是以p c 机的形 式出现，也会以嵌入式系统方式出现在网络上，如互联网的蜂窝移动电话，掌上 电脑、智能家电、安防系统、无人售货机、电表和游戏机等等。可以说如今的社 会正步入将p c 机成熟技术向嵌入式产品转化的后p c 时代。 i n t e r n e t 已经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。 i n t e r n e t 网和无线骨干网技术的飞速发展，使得基于分组交换技术的通信性能、质 量和可靠性得以稳步提高，网络应用的可靠性应是可以信赖的。过去大量的浩如 烟海的8 1 6 位单片机的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、 工业自动化、家庭自动化等的实时应用，已经到了享受网络方便的时候了。如果 嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 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，同时在任何设备中嵌入w w w 服务器，就可以借助网络来访 问行为( a c t i o no v e ri p ) 。有人预计，将来每个家庭平均会拥有5 0 1 0 0 个大规模集 成电路微处理器，它们嵌入在各种设备器件之中，如手机、机顶盒、网络终端、 个人数字助手、各种家电、汽车、安全防盗系统、烟火报警系统等。在工业控制、 航天航空和军事应用上更是举不胜举。 中国计算机学会( c h i n a c o m p u t e rf e d e r a t i o n ) 于1 9 9 9 年6 月举行了“嵌入式系 统及产业化在中国的发展前景”研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计算机 工业中的地位及网络化问题，认为下一代网络没备中嵌入式设备将大大增加，7 0 是嵌入式设备。嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得 更简单、更方便、更普遍、更适用：通用计算机的发展变为功能电脑，普遍进入 社会，嵌入式计算机发展的目标是专用电脑，实现“普遍化计算”，因此可以称嵌 入式智能芯片是构成未来世界的“数字基因”。这将为我们提供无限的创造空间， 嵌入式系统的市场将是一个前所未有的巨大的市场。 东北大学硕士学位妊文第一章；l 富 嵌入式设备与i n t e m e t 的结合称为嵌入式i n t e r n e t ( e i ) ，代表着网络技术的未来。 入 | 、j 预言，二卡一毽纪褥楚一个落撂喇络帮臻建务为主体静信惑纯时 弋，它将 影响到整个社会、经济和人们日常生活的方方面面。到那时地球将被披上一层“电 子皮欣”，它由数以万计的嵌入式设备组成，龟括温度计、血l 压计、污染检测器、 摄像桃、麦克风、麓萄糖传感器、脑电圈仪等等。这些仪器将探测和监视我们的 城市、遭到威胁的物种、大气、船只、商速公路以及穿梭的车流、人们的交流以 及躯 誊，甚至我们熬梦。到那时我们鳇戢球不舞是i n t e m e t 要素懿蟪球懿，露是 个具有电子化皮肤的“地球生物”。设备和设备之间、设备和人之间的通信方式的 变革，必将引导舅辨一场潋i n t e m e t 为簧素静焱入式i n t e m e t 萃鑫”l 。 1 。2 课题的提出 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难谯 予i n t e r n e t 上露兹各稀透信涛议对于诗雾枫存麓器、运算速度等戆要求昆较毫，蔼 嵌入式系统中除部分3 2 6 4 位处理器以外，大量存在的是8 1 6 位的微处理器 ( m c u ) ，绝稍的资澈菲常蠢限，大部努工作于t i n y 模式下；翁一方蕊支挎t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用大量系统资源，实现起来比较困难。如果将现有嵌入式系统 中的m c u 都更换成3 2 位藏6 4 位的商性能处理器，从经济性和现实性上来说都 不大可能适应广大低端用户的要求。因此一个娩够在资源严重受缀的婕熬下，基 于己有的硬件环境，采用浆些技术实现和保持鼹基本的东西，提供一个用户可以 方便秀发斡嵌入式软l 譬开发平台。 微控制器( 即单片机) 作为一种嵌入式产品应用的主流控制芯片，应用十分广 泛，甏支接它的牙发手段在国态还耱对魄较落磊，磊藩我蓬擎片橇嵌入式产品瓣 开发行业中，仍实行个体生产的落后方式，即便技术力量较强的公司，也仍在实 行“投凳穰式”的产品开笈方法，程国外静开缴耜眈，汗发手段帮承平还穗对较低， 标准化程度刁；够、羹复劳动鞍多。这些问题主要是由予单片机开发中缺乏工程化、 标准化管理，缺少行业联合，大凝低水平的重复劳动形成了顽症。采用平台开发 模式实 亍“阶梯模式”的开发方式从根本上解决了“板凳模式”的獒端。 而到目前为止，在国内的资料中还没有查阅到在8 k 程序空间内能够提供网络 缡程接墨葶嚣逶厦熬1 1 0 接翻楚襄入式i n t e m e t 软馋开发平台。逛藏大多数设备著不 需要复杂功能的嵌入式系统，为了降低成本，对嵌入式i n t e r n e t 系统的需求越来 趱大，因磊对开发平台静需求蠢麓来越惫这，以提高汗发效率帮可靠淫。 东北大学计算机系统研究所开发的l a c w e b 是提供了一个能够在8 k 程序空间 下进行嵌入式i n t e m e t 软件开发的平台。该软件开发平台包括两部分，一个是不同 硬件平台的( a v r g c c 封装) 汇编语言内核：另一个是提供用户二次开发的a v r - g c c 的 c 语言接口、- t c w e b 嵌入式软件开发平台中的网络工具箱的t c p i p 协议各层的接口 查! ! 垄兰翌主兰堡堡查苎二主! i 烹 规范正是在采用c 语言接口。 1 3 论文结构 本文内容共分为六章。第一章是引言，简要介绍了本课题的提出背景；第二 章回顾了嵌入式i n t e r n e t 技术的发展现状并分析了当今8 位m c u 开发平台的技术 特点：第三章介绍了m c w e b 开发平台中网络工具箱的设计；第四章详细介绍了 u c w e b 开发平台中网络工具箱的技术实现：第五章介绍了应用案例与评价：最后 第六章是对全文的总结和对未来工作的展望。 东毙大学硕圭擎位论文 第二章技术背景 第二章技术背景 弟一早汉小日京 2 。1 嵌入式i n t e m e t 技术综述 2 1 1 嵌入式系统综述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 可以定义为：以应用为中心的，以计算机技术 为基础，若且软、硬传可裁剪，逑用于废用系绞对功能、可靠性、成本、体积， 功耗有严格要求的专用计鳟机系统。它般由嵌入式微控制器( m c u ) 、外围硬件 设冬、嵌入式操馋系统隧及震户熬应爱攘序等圜令部分组戏，是子实现对其毽设 备的控制、j 鑫视或管理等功能。 嵌入式系统静孩心是嵌灭式激控剿器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 又稔蕈片 机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m 、 e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定辩器，计数器、w a t c h d o g i o 、串行i z l 、赫 宽调制输出、a d d a 、f l a s h 、e e p r o m 簿各种必要功能和外设。为适应不同的应 用需求，一般一个系列的单片视其有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内孩 都是一样的，不同的是存储嚣秘终设的配置及挝装。这样可以使擎片机最大眼艘 地和成用需求相匹配，功熊不多不少，从而减少功耗和成本。微控制器的最大特 点是擎片纯，嚣蘸大大减小，姨嚣傻功耗亵成本下降、霹靠缝提襄。嵌入式擞控 制器般应具备以下特点： 对实葑多任务有缀强靛支籍雒力，黥完残多任务并且有较短的中颧璃瘟露麓， 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少划最低限度。具有功能很强的存储 区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块稍二，丽为了避免在软件模浃 之阅出理错谈的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件 诊断。可扩展的处理器结构，以便能最迅速地扩展成满足应用的最高性能的嵌入 式系绞。嵌入式微控制器毖矮功缎缀 爰，尤其是零予便携式麴无线及移动豹诗冀 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至g w 缓。 目前嵌入式系统除了部分为3 2 6 4 1 焱微控制器外，大量存在的是8 位和1 6 位 的酝入式徽掩翱器( m c u ) ，嵌入式系统是计算车忍应角的另一释形态，它与通强诗 冀机应用不同。嵌入式计弊机是以嵌入式系统的形式隐藏在备：绅装置、产品和系 统之中的种软硬件高度专业化的特定计算枫系统。 嵌入式系统是犍先进的计算枧技术、半导 本技术积电子技术积各个行业的具 体应用相结台后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、商 东北大学硕士学位论文 第二章技术背景 度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统工业的有其自身的特点，嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散 的工业。从某种意义上来说，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行 业9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l 、a m d 、 c y r i x 等儿家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面， m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。 因此当代的通用计算机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f f 和i n t e l9 0 年代初 建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有 哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主 流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。 因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规 模高新技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发 展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发 展的强大动力。器件是嵌入式系统产业的根本，嵌入式系统工业的基础就是以应 用为中心的“芯片”设计技术和面向应用的软件产品开发技术。 嵌入式系统具有自己的产品特征，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向 应用的，如果独立于应用自行发展，则会失去市场。嵌入式控制器的功耗、体积、 成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这 些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件 和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，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对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式 系统要针对用户的具体需求，进行裁剪和添加才能达到理想的性能，但同时还受 用户订货量的制约。因此不同的嵌入式系统面向的用户是不一样的，可能是一般 用户，行业用户或单一用户。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。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘 为载体，可随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样 氏。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然 性跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳 定。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。 一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套 复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 嵌入式控制器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式控制器系 塞北大学矮士学拄论文 篓三兰垫查茎墨 嵌入式系统软件的特征有如统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 下忍点： ( 1 ) 软件耍求固态化存储 为了提离执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中豹软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，丽不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导 奉技术的发疑健m c u 逮艘不叛提裹、片上辔健器容量不骥增抽， 但在大多数应用中，存储空间仍然是宝僚的，还存在实时性的要求。为此要求獠 序编写黧编译工兵懿质量簧赢，戳藏多程序二避餐 弋褥长凌、提赢撬芎亍速度。 ( 3 1 系统软件的高实时性是基本要求 多任务嵌入式系统中，对重蘩性各不相嗣豹任务迸彳亍统筹兼颟的合理调度怒 保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成的，这种任 务调度只能由优化编写的系统软件采完成，因此系统软件的实时性是基零耍求。 遗用计算规具鸯完善的操馋系统和应用程廖接口( n e d ，是计舅规基本组成不 可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在操作系统( 0 s ) 平台上面 运撂，毽一般不是安时懿。嵌入式系统剿不同，应爱程序可以没有操佟系统直接 在芯片上运行，但熄为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专 家痒添数接蹬，焉户必矮彝行选激r t o s 开发平台，这样才缆铩谣程 | 事飘行豹突 时陛、可靠性，并减少开发时间，保障软件质蘑。 邋用计弊机其裔完善的入祝接口界蕊，在上面增加一些开发疲瘸程序和环境 p 可进幸亍对自身的开发。丽嵌入式系统本身不具备自举开发能力，日口使设计完成 以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工舆和环境 才能遴行开发，这热工具和珏境是基于通用计算规上的软磺l 牛设备以及巷葶申逻爨 分析仪、混合信号示波器等。 嵌入式系统开发久受戳应溪专家为主，遵羯诗雾壤懿开发人爨一般楚诗算凝 科学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用 籀结合汝，蘩求更雾韵诗弊辊戳静豹专渡知识，萁开发天受往往怒各个应雳领域 的专家。因此嵌入式系统的开发平台的易学、易用、可靠、高效是基本要求。 2 1 2i n t e r n e t 的发展与未来 i n t e m e t 瀚历雯要追溯翻2 0 继纪6 毋年代素7 0 年代静, d l p a n e t ，这怒美国溺 防部高级研究计划周建立的，世爨上最早出现的计算机网络。现代计算机网络的 许多概念和方法，如分组交换技术都来囱a r p a n e t 。a r p a n e t 不仅进行了租用线 互联的分组交换技术磅究，丽且徽了无线、卫爨喇的分组交换技术硖究，其结果 导致了t c p i p 问世。1 9 7 7 1 9 7 9 年，a r p a n e t 推出了目前形式的t c p i p 体系结构 东北大学硕士学位论文 第二章技术背景 和协议。1 9 8 0 年前后，a r p a n e t 上的所有计算机开始了t c p i p 协议的转换工作， 并以a r p a n e t 为主干网建立了初期的i n t e r n e t 。1 9 8 3 年，a r p a n e t 的全部计算机 完成了向t c p i p 的转换，并在u n i x ( b s d 41 ) 上实现了t c p i p 。a r p a n e t 在技 术上最大的贡献就是t c p i p 协议栈的开发和应用。1 9 8 5 年，美国国家科学基金 组织n s f 采用t c p i p 协议将分布在美国各地的6 个为科研教育服务的超级计算 机中心互联，并支持地区网络，形成n s f n e t 。1 9 8 6 年，n s f n e t 替代a r p a n e t 成 为i n t e r n e t 的主干网。1 9 8 8 年i n t e m e t 开始对外开放，从这时起i n t e r n e t 开始在世 界范围内飞速发展。 i n t e r n e t 的发展历程大体经历了三个阶段： 第一阶段：1 9 8 0 年一1 9 9 0 年i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。解决异种计算机的联 网和信息交换，采用t c p i p 协议交换文件和信息，主要解决专业领域如银行、军 用系统采用不同操作系统的大、中、小型计算机的联网问题，这时并不称之为 i n t e m e t ，t c p i p 网络仅是少数计算机专家的概念，这是i n t e m e t 发展的萌芽阶段。 第二阶段：1 9 9 0 年一2 0 0 0 年，p c 作为客户机，i n t e m e t 席卷全球。在t c p i p 协议网络之上发明的e m a i l 和v n g w 普遍应用，i n t e m e t 国际互联网被大众接受，这 时一个重要的条件是p c 普及得非常广泛，即形成了c l i e n t s e r v e r 体系结构( 客户 机服务器) ，进而发展为b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器服务器) ，这时的客户机是已 广泛普及的p c ，而服务器是相对复杂的，价格昂贵的超级计算机，即我们所谓的 “胖服务器”。i n t e m e t 的发展使i t 界的老牌公司也没有料想到会产生路由器的 巨大需求，c i s c o 的成功在于此。另一方面，u 删的应用又造就了一大批以y a h o o 为代表的c o m 公司，以及电子商务公司，这时候所有的人不得不承认i n t e r n e t 象 一场革命改变了世界。 第三阶段：2 0 0 0 年一2 0 1 0 年将进入嵌入式i n t e r n e t 时代。将给地球披上“电 子皮肤”，嵌入式系统成为瘦服务器。预测未来i n t e r n e t 将向何处去，这是全世界 科学家关心的问题，包括美国贝尔实验室总裁a r u r ln e t r a v a l i 的一批科学家对此做 出了预测：在这阶段“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。这些瘦服务器将与我们这个世界你能想到的各种物理信息、生物信息 相联接，通过i n t e m 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”。 由此可见，如何设计和制造嵌入式瘦服务器已成为嵌入式i n t e r n e t 时代的关键 和核心技术，嵌入式i n t e m e t 广泛应用将使我们这个世界变得更加自动化、智能化 和人性化。 2 1 3 嵌入式设备与i n t e r n e t 互联 单片机或微控制器( m c u ) ，通称嵌入式系统，已经在家庭和工业的各个领域 东北走攀硕士擎位论文 第二章技拳背景 得到了应用。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以微控制器为核心， 与一些箍溺、镯强、猎示设备配合实瑷一定静功能。 利用草片机实现嵌入式i n t e r n e t 目前出现了如下方案： ( 1 ) p cg a t e w a y + 专用嗣 采用专用网络( 如r s 。2 3 2 、r s 。4 8 5 、c a nb u s 等) 把- - d 批单片机连接在一起， 然后荐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，然蓐发到阚上实现信息基享。该方寨可以连接多秘肇片极。 但是存在以下缺点：需要依赖p c 机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散 熬情撼下，专建霹终毒线擞灸不馁：罴簧在p c 极上安装专f j 戆协议转换较l 孛， 该软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。 ( 2 ) 3 2 6 4 位m c u + r t o s 粟用3 2 位的商档单片机，农r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软件 开发，在嵌入式系绕中实现t c p i p 豹协议处理。由于采用高档单片祝，该方案可 以完成很多复杂的功能。您这秽方案存在以下缺点：薅挡单片机的价格鞍贵，开 发周期长；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 8 1 6 经m c u + 软传包 该方案具有如下优点：不依赖p c 机戚高梢单片机，真厩实现8 位或1 6 位单 片极系统壹谈绩入i n t e r n e t ，整个系统竞全垂绘垂是；接熏努圉爨搏少，系统戏 本低。由于近年来i n t e r n e t 及通讯产业的迅猛发展，半导体制造商都试图将通讯协 议、i n t e r n e t 协议、l p 及许多并设集成程一个s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 内。但是这 种方法在实现过程中存在麓很多闷题。解决方案是利用软件来完成协议处理功能。 当然，利用软件来实现硬件功能需要解决处理速度问题。由于科技的发磁，一些 高速度魄廉价单片娥已能够完全满足透露的嵌入式产晶的对处理性能的要求。袋 用软件来实现各种协议处理，便于将来在不改变硬件的情况下，只需改变内置程 序帮霹骨级熬令嵌入式系绞豹功缝。 2 。1 3 。1o n d c 模型与w e b i t l 0 由东北大学计算机系统研究所设计的一种开放网络设备互连模型o p e n n e t w o r kd e v i c e sc o n n e c t i v i t y 搂鳖，篙狡o n d c 搂蘩烈，成葫熬褥辫联场总线 没备接入了i n t e r n e t 。 o n d c 模型楚一种鼗型的集中式管理酶嵌入式i n t e r n e t 模望。该模型的网络 结构，如图2 + 1 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章技术背景 图2 1 0 n d c 模型网络结构图 f i g21o n d cn e t w o r ks t r u c t u r em o d e l o n d c 模型解决的主要问题实际上是异种网络互连的问题，要通过i n t e r n e t 来控制远程现场总线上的设备，首先要解决的是i n t e r n e t 上的数据传输协议与底层 现场总线网络之问的协议转换的问题。从而把控制信号通过i n t e m e t 传送到嵌入式 i n t e m e t 服务器，再由该服务器把控制信号转换成现场总线上的信号发送到设备上。 o n d c 模型通过使用网关技术完成了协议转换功能，隐藏了数据在异种网络间传 送的细节，向用户提供基于高层协议( 如h t t p 协议) 的控制界面。 从图2l 可以看出，o n d c 模型是一个三层的网络模型，包括底层的f i e l d b u s 网络层，中间的局域网及广域网络层和上层的i n t e r n e t 网络层。在这里，可以把广 域网络层看成是局域网络的延伸，因为可以把它们统一看作采用i n t e m e t 技术组建 的企业内部网。 为了解决底层网络和i n t e m e t 之间互连的问题，该模型中在底层网络与高层网 络之间加了一个o n d c 服务器，实际上o n d c 服务器就是台前置于局域网中的 计算机。o n d c 服务器的主要任务就是为下层网络提供i n t e r n e t 接口，在上下层网 络之间进行协议转换，并提供用户层w e b 服务器。 f i e l d b u s 层在过程控制领域中是底层的现场级网络，它直接和现场设备如传 感器、施动器和p l c 等相连接，通过这些控制设施可以控制所有具有外部电器接 口特性的设备。 f i e l d b u s 在体系结构上又分为三层；物理层、数据链路层、应用层。与i s o o s i 的物理层和数据链路层对应，它的应用层提供了对上层编程界面的支持，即 乐北大学硕士学位论丈 第二章技术蜚荣 f i e l d b u s 提供种外部调用接口，如r a c ( r e m o t ea c c e s sa n dc o n t r 0 1 ) 接口，上联 阏络翼需调1 l 接口命令邵可班控澍底瑟静i 0 动作。这年率外部璃籍接口使褥在 f i e l d b u s 与其它网络之问增加一个网关成为可能。 在图2 i 中，底层网络的f i e l d b u s 环境采用东北大学计算祝系统研究所自行 设计的f 2 0 0 1 接口扳 乍为f i e l d b u s 的主缱点，f 2 0 0 2 板 乍为f i e l d b u s 的从结点， 建立了一个主从式总线网络。每一个主结点可以带最多2 5 5 个从结点，其中在每 个结点f 2 0 0 2 叛上毒1 6 个可读写l ，o 口。 l a n 和w a n 网络层连接着现场o n d c 服务器以及生产管理过程中的客户 祝，整个阚罴蠲豹楚开赦豹t c p i p 秘议。l a n 上麴客户瓿嚣先逶过t c p i p 傍议 提供的s o c k e t 界面，建立与o n d c 服务器的连接，然后通过0 n d c 服务器提供 的阐关强务，实现与f i e l d b u s 的被商通信。 w a n 上的客户机首先采用s l i p p p p 协议通过公共通信网或专线，建立起与 l a n 上的拨号服务器的连接。当连接建立之后，w a n 上的客户机就等同于l a n 上的客户极。 i n t e r n e t 层是这个模型鼹复杂的一层，这层充分体现了集中式管理的嵌入式 i n t e m e t 技术懿思想。 集中式管理的嵌入式i n t e m e t 技术的实现要求在同一个子网中有独立的w e b 黻务嚣释独立豹设备嵌入灏务器。 集中式臀理的嵌入式i n t e r n e t 技术实现的基本方法是，在设备所在端的同一 网段或间一服务器中包吉褥服务器端的应焉程序，濂务器端的应焉程净包括w e b 服务器霉设蠢应用暇务器，设备_ 瞧用服务器被称之为设备嵌入服务器，客户端的 应用以j a v a 小程序的方式保存在w e b 服务器的虚拟目录中，由w e b 服务器通过 提应的h t m l 文档疼它下裁到客户斌的j a v a 袭拟极上运行。虫子客户端的应用怒 运行于浏览器上的，且采用j a v a 技术实现，故可以做到与操作系统平台无关。 酝入式i n t e r n e t 技术实现弱蒺本理论是这棒致，营先客户端与嵌入式设鍪骚 务器端的w e b 服务器建立h t t p 逑接，运行相应的h t m l 文档将客户端j a v a a p p l e t 应蠲獠序通过w e b 鞭务器下载到客户浠，并在测鼗嚣的j a v a 虚叛祝上运季子，运行 于客户端j a v a 虚拟机上的客户程序再建立和设备嵌入服务嚣的网络连接，用户使 用基予图形界面的客户程序完成与设备嵌入服务器的交互过程。服务器端的应鞠 软件饿括网络通信援序模块和一个应躅网关瑕序模块，应用网关稷序完戏糖网络 传来的用户攒令转换成被靛制设备能够识别的指令并下载到设备当中执行，同时 应鬟爨关还憋设备豹状态传送到蹇户蠛，完残客户端对设豢魄远程熬监控、诊凝 和管理的功能。 o n d c 模鳖的i n t e r n e t 露实聪了上述懿过程，竞残了觚i n t e m e t 上豹淄览器控 东北大学硕士学位论文 第二章技术背案 制底层的f i e l d b u s 网络的功能。在这个模型中，o n d c 服务器就是一个设备嵌入 服务器，提供了从t c p i p 协议到f i e l d b u s 网络的r a c 协议之间相互转换的网关 功能。 在该模型中，由于设备嵌入服务器和w e b 服务器都是运行于个人计算机上的， 所以无须考虑w e b 服务器的实现，因此模型的核心是设备嵌入服务器，即0 n d c 服务器，而o n d c 服务器的核心就是网关技术的实现。0 n d c 模型中i n t e r n e t 层 功能实现的示意图，如图22 所示。 这样，分布在世界上任何一个角落的客户机，只要安装了w e b 浏览器，就可 以通过h t t p 协议建立与w e b 服务器的连接，连接建立后，从w e b 服务器上下载 并运行o n d ci n t e m e tc l i e n t ( j a v aa p p l e t ) 应用程序，该应用程序会建立起与o n d c 服务器的连接，从而把控制传到底层。这样，一条从i n t e r n e t 客户机到f i e l d b u s 网络的通信信道就透明地建立起来了。至此，i n t e m e t 客户就可象在本地客户一样 透明地监控、管理、维护f i e l d b u s 的现场设备。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 设备 一一 l 。_ _ ( 客a p 户p 应l e 用t ) 设备网关”7 、 浏姻 哪服务器jj 服嚣络 操作系统操作系统操作体统 。t 一一。t 一 一_ _ 一 一一，、，。，、。，。一，i 一 f s o c k e t 【 一 连接j 、-，一一 图2 2o n d c 模型i n t e m e t 层功能示意图 f i g22i n t e r a c tl a y e rf u n c t i o no f o n d cm o d e l 从上面关于o n d c 的描述可以看出，该模型确实成功的将一种现场总线设备 嵌入了i n t e r n e t 。但是它利用了一台通用p c 机作为嵌入式i n t e r n e t 服务器实在是太 奢侈，而且系统的体积庞大，可移植性也不好，不适合在一些特殊场合下应用。 东北大学计算机系统研究所开发的一种的基于专用计算机的嵌入式网关一一 w e b i t l 0 的工作原理就是参考了o n d c 模型的思想。 2 1 3 2 基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器w e b i t 2 0 前面e m b e d d e d i n t e r a c t 技术已经实现了a c t i o n o v e r i p 的目的，但是它们是依 靠集成的嵌入式网关。如果要使每台被控制设备的前面都放置一台p c 计算机或专 厢的计算机，从实用化的角度来讲是不够方便的，因为有些设备本身就很小a 随着嵌入式技术的发展，微控制器( 单片机) 的应用越来越多。嵌入式i n t e r n e t 表北大学硕士学位论文 g ：- 章棱拳鹜繁 技术的发展也要求有基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器来真正嵌入到没备中 去。 基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器就魑以微控制器为核心，能够实现嵌入 式阚关功能懿嵌入式系统。这样的系统黉实现嵌入式网关的功筏，一般必须要膏 某种形式的t c p i p 协议栈在芯片中运行，必须要有某种形式的w e b 服务器运行 在t c p i p 协议栈之上。而这种w e b 服务器又必须有能力完成嵌入式网关协议转 换的功能。典型的鏊予徽控毒4 器的嵌入式i n t e m e t 服务器的王 乍愿理图，如图2 。3 所示。 这糖在没备中嵌入激控割篓豹芯冀戆方式，使每令设备都篷获褥羲立潮终羧 口、i p 地址和w e b 服务器，摆脱对集中式服务器的依赖，对一个设备的管理独立 予其它设备，使系统酌应躅范圉甏广。遮释蓦予镦控澍器静强入式i n t e r n e t 技术的 管理方式被称为分数式管理。 翻2 3 基于微控制器的嵌入式模式 f i g 2 3e m b o d d 磋m c um o d e l 猩快速发展的嵌入式i n t e m e t 领域，有不少基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服 务器的产品已经出现了。例如美黼e m w a r e 帮p i c o w e b 等公司已经推出了其基于 单片枧的嵌入式网哭产品。这些产品能够完成一些篱单的