（水声工程专业论文）嵌入式以太网技术的研究.pdf

哈尔滨l ：科人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o no ft h ed a t ai sm a d ep o s s i b l et h r o u g ht h e e m b e d d e du n d e r w a t e ra c o u s t i c e q u i p m e n t s w i t ht h ee m b e d d e de t h e r n e t t e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，a f t e ra n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n t e m b e d d e de t h e m e tt e c h n o l o g y , t w od i f f e r e n ts c h e m e so fe m b e d d e de t h e r n e t c o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n sa r ep r e s e n t e d ：t h ef i r s t ( s c h e m ea ) b a s i n go nt h em i c r o c o n t r o lu n i t ( m c u ) c h i pp l u st h ee t h e m e tc o n t r o lc h i pw i t hm e d i aa c c e s s c o n t r o l ( m a c ) a n dp h y s i c a ll a y e r ( p h y ) f u n c t i o n ，w i t hp c o sa si t so p e r a t i n g s y s t e ma n dl i g h t w e i g h tt c p i ps t a c k ( l w l p ) a si t sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；t h e s e c o n d ( s c h e m eb ) b a s i n go nt h em c u + n e t w o r km i c r o c o n t r o l l e r , w i t hb u i l t - i n f i r m w a r et ow o r ka st h ee t h e r n e tp r o t o c o ls t a c ka n du s i n gt h eb u i l t - i na p i f u n c t i o nd e v e l o p m e n ts o f t w a r et ot r a n s f e rt h ed a t av i at h e e t h e m e t 。i n c o n c l u s i o n ，t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h et w os c h e m e sa r ep r e s e n t e d a f t e ra n a l y z i n gt h ev a r i o u sc o m m o ne m b e d d e de t h e r n e tc o n t r o lc h i p s ， d i f f e r e n ts o l u t i o n sa r ea d o p t e df o r e i t h e ro ft h et w os c h e m e s ：i ns c h e m ea t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ( d s p ) + l a n 9 1 c 1 11 ( n o n - p c ie t h e r n e ts i n g l ec h i p ) a r e a d o p t e d a n di ns c h e m ebt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a + d s 8 0 c 4 10 ( n e t w o r k m i c r o c o n t r o l l e n + l x t 9 7 2 a l c ( p h yc h i p ) i ns c h e m ea ，c o m m o ne m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s ( r t o s s ) a n ds e v e r a lo p e ns o u r c et c p i pp r o t o c o ls t a c k sa r ea n a l y z e da n dc o n s i d e r i n gt h e h a r d w a r ee n v i r o n m e n t ，t h eo p e ns o u r c ee m b e d d e dr t o sg c o s i ia n dt h eo p e n s o u r c e l i g h t w e i g h t t c p i ps t a c k ( l w l p ) a r ea d o p t e d t h e e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g ha d o p t i n g “c o s - i ia n dl w l pa n dc o d i n ga n l a n 91c i11d r i v e r i ns c h e m eb ，t h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g h d e v e l o p m e n to f t h ef i r m w a r e k e yw o r d s ：1 tc o s - i i ；l w l p ；l a n 9 1 c l l l ；d s 8 0 c 4 1 0 ；e m b e d d e de t h e r n e t s o l u t i o n s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孔遮墓 日 期：加og 年以月j7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式软件三部分组成。 嵌入式系统已经成为现代电子信息技术的一个重要实现手段。嵌入式系统广 泛地应用于消费电子、通讯、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表和办 公自动化等领域。嵌入式技术提供了一种灵活、高效和高性价比的解决方案， 即把计算机以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中，软硬件集 成一体，具有小巧、高自动化、响应速度快等特点1 。随着信息技术的发展， 嵌入式技术也已成为各种信息系统硬件设备的基本实现技术。随着信息网络 的飞速发展，各种设备对网络功能的要求目益增加，因此，嵌入式系统的通 信功能设计技术，也已成为嵌入式系统应用设计的重要工作内容。 嵌入式系统因其自身的特点在水声通信领域也得到了广泛地应用。随着 通信、雷达、声纳等技术的发展，地面、空中信息的探测与采集传输技术达 到了比较高的水平，但水下环境中的远程信息采集传输因信道复杂、信号衰 减大等不利因素，实现起来具有相当的难度。很多国家f 在投入大量科研经 费研制开发水下信号的采集传输系统，形成了i t 、测控领域的热点。在水下 环境中，相对于光、电等信号来说，声波信号能较好地传输。但是声波信号 在水中的传输率极低，同时，声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干 扰等因素，使得水声设备直接进行远程数据传输变得困难。本文给出的数据 传输实现方案是一种由水听器探测，经嵌入式系统处理后利用无线网桥实现 空中无线通信的数据传输方式。本文设计研究了两种不同的嵌入式方案，对 它们在数据传输中的实际应用特点进行了分析。 高性能嵌入式数字信号处理器的出现使各种复杂的信号处理算法的实时 完成成为可能，同时促进了嵌入式系统在水声领域中的应用。将嵌入式系统 与各种水下设备相结合是水声学领域的一个必然趋势，嵌入式系统的许多优 秀成果都可以应用到水下设备中。嵌入式以太网将各种功能的仪器设备有机 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 地连接在一起，从而使设备间的远距离通信与互联变得非常方便。 1 2 嵌入式以太网技术 1 2 1 嵌入式系统的特点 一般而言，嵌入式系统是指以计算机技术为基础，以应用为中心，软件 硬件可剪裁，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。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及用户应用软件等部分组成，实现对其它设备监控和管理等功能，它通 常嵌入在主要设备中运行，这种设备可称为嵌入式设备。由嵌入式系统的概 念可知，嵌入式设备是由微计算机发展而来的，但又与微计算机有较大差别， 因为嵌入式设备是针对具体应用而设计的，不具有微计算机系统的一般性、 通用性，它是计算机与特定行业结合的产物。嵌入式系统同通用计算机相比 具有以下特点： 一、嵌入式系统通常是形式多样的面向特定应用的软硬件综合体 嵌入式系统一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效地设计，量 体裁衣，去除冗余；而通用计算机则是一个通用的计算平台。 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。对于通用计 算机系统，操作系统等系统软件和应用软件之间界限分明。在统一配置的操 作系统环境下，应用程序是独立的运行软件，可以分别装入执行。但是，在 嵌入式系统中，这一界限并不明显。这是因为应用系统配置差别较大，所需 操作系统繁简不一，i o 操作也不标准，这部分驱动软件常常由系统设计者 完成。这就要求采用不同配置的操作系统和应用程序，链接装配成统一运行 的软件系统；也就是说，应在系统总体设计目标下将它们综合加以考虑，设 计与实现。 二、嵌入式系统得到多种处理器类型和体系结构的支持 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且处理器掌握在少数 大公司手里；而嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。在 嵌入式微处理器产业链上，知识产权( i m e l l e c t u a lp r o p e r t y , i p ) 设计、面向应用 的特定嵌入式微处理器设计以及芯片的制造已形成巨大的产业，大家分工协 作，形成多赢模式。目前有上千种嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器 2 哈尔滨i ：榉人学硕+ 学位论文 体系结构可以选择，主流的体系有a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，x 8 6 和s h 等。 三、嵌入式系统通常极其关注成本 嵌入式系统通常需要注意系统的成本，特别是量产的消费类数字化产品， 其成本是产品竞争的关键因素之一。 四、嵌入式系统有实时性和可靠性的要求 嵌入式系统有实时性的要求表现在两个方面：一方面大多数实时系统都 是嵌入式系统；另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，其软件一般是固 化运行或直接加载在内存中运行的，具有快速启动的特点。嵌入式系统对实 时的强度要求各不一样，可以分为硬实时系统和软实时系统。 五、嵌入式系统使用的操作系统的特性 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种类型处理器、可裁剪、轻量 型、实时可靠和可固化的嵌入式操作系统。 六、嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程 一般分为几个阶段：产品定义、软件与硬件的设计实现、软件与硬件集成、 产品测试与发布、维护与升级。 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户 通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该丌发环 境提供专门的开发工具，采用交叉开发的方式进行。交叉开发环境由宿主机 和目标机组成。宿主机一般采用通用计算机系统，是主要的开发环境，丌发 工具的大部分工作由它完成；目标机就是嵌入式系统，是丌发应用的执行环 境，并配合宿主机的开发工作。 1 2 2 嵌入式以太网技术概要 为了适应嵌入式分布处理和系统联网需求，嵌入式系统要求配备标准的 网络通信接口，即嵌入式应用中需要以太网技术。以太网技术应用到嵌入式 场合需要考虑多方面的因素：以太网需要t c p i p 协议支持，而传统t c p i p 协议在数据传送的可靠性以及数据流量的控制上做的很好，但实时性方面做 得不够好；另外传统t c p i p 的实现过于复杂，需占用大量系统资源。而嵌入 式领域的应用一般实时性要求比较高，因此传统t c p i p 协议不能满足实时性 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 i ；i i ii i ；i i ；i 方面的要求；另一方面目前大量存在的是以8 位或1 6 位m c u 为核心的嵌入 式系统，该系统的主要特点是体积小、资源有限，在测控任务之外很难实现 传统的t c p i p 协议。 综合以上考虑，在保留传统t c p i p 协议优点的同时，进行一些必要的精 简和优化改进，提高传统t c p i p 协议的实时性，尽可能地做到代码精简、存 储开销小，从而满足嵌入式应用的要求。这种将以太网技术用于嵌入式系统 联网的技术称为嵌入式以太网技术，主要特点是实时性较强、代码精简和灵 活性。 嵌入式以太网技术是一个生产系统实现信息化的基础。一个传统的生产 系统内部按照分层结构划分可分为四个层次：第一层为现场控制层，包括各 类传感器和执行器，完成各种物理量的采集，执行生产监控层的命令：第二 层为生产监控层，包括各类的嵌入式设备，它们完成信息的收集、处理，向 生产管理层提交现场信息并将生产管理层的任务下达到现场控制层，该层所 提供信息的正确性和及时性将对管理层的决策产生重大影响，发送给底层执 行机构的命令是否正确也会对现场的生产过程产生很大的影响；第三层为生 产管理层，该层实际上是一个管理层与设备层的接口层；第四层为系统经营 管理层。 虽然以太网技术已经得到广泛应用，但目前为止也仅仅是局限在第三层 与第四层之间，也即是说第二层的嵌入式设备以及最底层还没有真正的进入 信息系统中来。主要是这两层采用的嵌入式设备差别比较大而且使用的软件 不统一。如果将嵌入式以太网技术应用到第二层生产监控层与最底层中，使 散落在这些层中的嵌入式设备具有网络功能，这样即可实现测控网络和信息 网络的互联，并且使信息的交换更加有效肛。 嵌入式系统具有的众多优点使它在水声领域得到了广泛应用。嵌入式设 备与以太网技术融合发展将是嵌入式技术未来的发展方向，两者融合产生的 嵌入式以太网技术可以非常容易地实现远程数据采集、远程控制、上传下载 数据文件，必将对智能家居系统、工业测控系统产生革命性的影响。在嵌入 式以太网技术方面的研究对水声设备的远程数据传输、采集具有深远地影响。 4 哈尔滨。啊晕人学硕七学位论文 1 3 课题研究的现状与内容 在水声领域，当前水下和水上单元的信息交换形式多是采用自行设计的 支持p c i 总线或其他总线加驱动的硬件系统进行的。这些方法有很大的局限 性，比如测试困难、硬件不规范、传输稳定性差等等。因此有必要开发一种 对各种水下水面单元的信息传输普遍适用并且能够将d s p 等嵌入式系统和 i n t e r n e t 方便快捷地连在一起的规范化的信息传输系统p 1 。 将嵌入式系统与i n t e m e t 相连的主要困难在于：i n t e r n e t 的各种通信协议 对存储器、运算速度等的要求比较高；而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器外， 大量存在的是8 位和1 6 位m c u 。支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量系 统资源，影响本来的功能或根本不可能实现。为嵌入式系统加上以太网技术 需要考虑嵌入式本身的特点。常见的嵌入式以太网的实现，从硬件角度考虑 有以下几种： l 、c p u 芯片+ m a c 芯片+ p h y 芯片。其中c p u 要完成的功能有用户程 序的执行、通信协议的执行、对m a c 芯片和p h y 芯片的控制等。m a c 芯 片实现媒体接入层( m a c ) 所规定的协议，主要负责控制与连接物理层( p h y ) 的物理介质：在发送数据的时候，首先判断是否可以发送，最终将数据以及 控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据时首先校验正确性，最终 将数据传送到上一层。p h y 芯片在发送数据时，收到m a c 发来的数据后增 加检错码，然后把并行数据转化为串行数据流，再按照物理层的编码规则把 数据编码，再变为模拟信号把数据送出去；接收过程相反；同时p h y 还具有 冲突检测和连接指示功能。这种独立芯片组合的方案具有较大的灵活性，兼 容性好；但是占用空间较大，通常要外接存储器，整体性价比不好，通常速 度也不是很高。 2 、( c p u + m a c ) 主芯片+ p h y 芯片。通常m a c 只是主芯片的一个附加功 能模块，主芯片的c p u 能力是首要考虑的因素。这种方案的集成度有所提高。 不同档次的芯片传输速度差别较大。档次低一点的主芯片通常还要外接存储 器。 3 、c p u 芯片+ ( m a c + p h y ) 芯片。这种方案的灵活性要大于前一种主芯 片+ p h y 芯片的模式。最终的传输速度取决于所选用的芯片档次。有些 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( m a c + p h y ) 芯片内部集成了通信协议，方便了开发，同时提高了传输速度。 4 、( c p u + m a c + p h y ) 芯片。单芯片解决方案，占用空间少。高档的这种 芯片具有较快的传输速率，通常带有操作系统和协议栈，极大地方便了丌发 工作。低档的芯片通常是单片机的增强版本，需要自己移植所需的代码；通 常具有较低的价格。 从软件考虑，嵌入式以太网的实现有以下几种： 1 、开发者自己实现以太网协议代码，或者移植已有的协议。最终协议代 码是和用户程序代码结合在一起的。这种实现不利于开发成果的再利用，而 且开发周期比较长。 2 、开发者移植实时操作系统和通信协议。这种方式的工作量是非常大的。 但是，开发成果可以再次利用。 3 、开发者只需在已有的软件环境中实现特定的应用程序。操作系统和通 信协议代码由芯片厂商提供。最终的软件产品具有很好的健壮性。 通常丌发者对硬件的选取就决定了软件丌发工作的内容。硬件上的资金 投入必将会减小软件丌发的难度，缩短开发时l 日j ：同时增强了系统的稳定性， 提高了系统的传输速率。为了探讨不同方案在水声工程应用中的实际效果， 本课题设计了两套方案：( c p u + m a c ) 芯片+ p h y 芯片，c p u 芯片+ ( m a c + p h y ) 芯片。 1 4 本论文的结构 第一章给出论文的研究背景，分析了嵌入式以太网方案在水声信号采集 传输中的应用，同时对嵌入式的特点进行了分析；对嵌入式以太网技术的解 决方案进行了分析与总结。 第二章首先分析了常见的芯片级以太网解决方案，然后论述了本系统的 方案选取；对基于l a n 9 1 c l1 1 的以太网解决方案和基于d s 8 0 c 4 1 0 的以太 网解决方案的硬件系统设计进行了详细地介绍。对d s p 与d s 8 0 c 4 1 0 的连接 设计在本系统中的实现方式以及在工程中独立应用时实现方式的不同进行了 说明。 第三章首先分析了常见的实时嵌入式操作系统，然后给出了适合本方案 的实时操作系统。介绍了uc o s i i 实时操作系统的特点以及内核结构，然后 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 对操作系统在d s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 上的移植进行了详细介绍。 第四章首先介绍了常见的t c p i p 协议栈，然后说明选取l w l p 协议栈的 原因。对l w i p 协议的移植以及l a n 9 1 c 1 1 1 驱动程序的编写进行了详细介绍。 其中协议的移植主要涉及到协议与操作系统的接口以及协议与驱动代码的结 厶 i ：z lo 第五章介绍网络微控器d s 8 0 c 4 1 0 内部r o m 固件的开发流程。 第六章首先介绍了系统的调试过程，然后分析了系统的性能。 哈尔滨工程大学硕士学何论文 第2 章系统硬件平台的设计与实现 2 1 系统总体设计方案的选取 在准备开始设计嵌入式网络系统时，首先需要选择硬件设备和控制硬件 的程序代码。极端情况是自己完成所有工作，即将网络控制器芯片与c p u 连 接，编写支持以太网通信以及设备所用i p 协议的代码。或者，节省一些时间， 从模块开始，模块中包含c p u 、以太网接口、支持以太网通信和网际协议 ( i n t e m e tp r o t o c o l ，i p ) 的软件。或者，选择折中的方案，例如利用已有的软件 库，但设计自己所需的电路。 ， 从硬件实现的角度考虑，嵌入式系统接入以太网时，必须有以太网控制 器；该以太网控制器可以是独立的芯片，或者是其他芯片逻辑上的一个功能 模块。从软件控制的角度考虑，嵌入式系统接入以太网时，需要将t c p i p 协议栈嵌入到系统中，并且最好使嵌入式设备转变为服务器，具体实现的可 能性依赖于采用的硬件的性能。虽然i e e e 8 0 2 。3 以太网标准协议使局域网中 的计算机之间可以互相交换虚拟专用网，实际上，大多数以太网还使用互联 网协议，如网络传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 、用户数据 报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 弄1 1 网际协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 。这些 协议为完成流量控制、灵活寻址和报文选路等通信任务提供了很好的支持方 法。因为t c p 和u d p 都与i p 一起工作，使用t c p 或u d p 的局域网通信必 须使用i p 协议例。 2 1 1 常见的嵌入式以太网方案 l 、高档m p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) 片上系统 这种系统的处理速度非常快，具有很高的实时性和稳定性。如o s i c o m 公司研发的n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) ，将以太网的实现硬件化，使用 r i s c 技术的4 0 m i p s 的3 2 - b i t 的a r m 7 芯片，加上处理以太网事务的硬件部 分。系统集成网络协议栈和实时操作系统p s o s 。协议栈提供a p i 函数供用 户调用。此系统适合于高端应用场合陋1 。 2 、m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) + 智能网络接口芯片 8 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 m c u 可以是单片机、d s p 等主控芯片。智能网络接口芯片通常包含m a c 模块和p h y 模块，并且内部集成了通信协议栈；如$ 7 6 0 0 a 、w 5 1 0 0 这类芯 片。很多嵌入式网络芯片是直接通过软件实现的，但是由于网络协议都比较 大，写入软件后稳定性欠佳，而且客户时常会有新的需求，这种用软件实现 的方式就很难满足频繁更新升级的要求。而智能网络芯片就是将网络协议的 处理独立于系统处理器之外，让应用程序与资料的输入输出分别执行于不同 的硬件，来适应多方面的条件。它将网络协议的处理分成一个由特定处理器 执行的控制部分和一个硬件线路部分。这种方式的优点是具有较短的丌发周 期与较高的弹性，而其主要的成本则来自于处理器本身的授权费。智能芯片 的推出使m c u 可以在没有操作系统的支持下接入i n t e r n e t 网络。 3 、m c u + w e b c h i p + p c 网关 此种方案m c u 应用系统通过w e b c h i p 与网关相连，再接入i n t e m e t 。实 现方法是w e b c h i p 芯片一端通过s p i 三线串行接口与m c u 相连，另一端通 过r s 一2 3 2 ，r s 4 8 5 等接口电路与基于p c 机平台的网关相连。w e b c h i p 芯片 把在嵌入式微型因特网互联技术( e m b e d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , e m i t ) 中由卫星网络服务器e m m i c r o 完成的网络功能独立于原来的微控制 器，它实现了e m i t 技术的- - 4 , 部分功能。实际上，w e b c h i p 芯片在m c u 接入i n t e m e t 的过程中起了对底层协议的编译、解释和转换等功能。此方案 的主要特点是：一是支持不同协议，应用系统设计简单；二是降低了对系统 中m c u 性能的要求，减少了硬件开支，并可充分利用现有的低档微处理器 嵌入式设备。不足之处在于采用w e b c h i p 芯片后仍需要网关的支持峥1 。 4 、采用专用嵌入式网络协议e m i t 技术 e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，是由e m w 撕e 公司 提出的嵌入式微型因特网互联技术。利用该技术，能够将8 位和1 6 位 m c u m p u 等嵌入式系统接入i n t e r n e t ，实现基于i n t e m e t 的远程数据采集、 智能控制、文件传送、e m a i l 收发等功能。e m i t 技术主要包括e m m i c r o 、 e m n e t 、e m g a t e w a y 三个核心模块。e m m i c r o 是驻留在嵌入式系统中的微型 网络服务器，用来实现e m m i c r o 部分与e m g a t e w a y 网关之间的通信。它只 占用嵌入式系统很小的内存( 约1 k b 左右) 资源和处理器资源。e m n e t 是一 种轻型网络协议，它使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器 9 哈尔滨+ r ：n 人学硕十学何论文 网关e m g a t e w a y 进行有效的通讯。e m g a t e w a y 即嵌入式微控制器网关，是 轻型设备网络( 如r s 2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，c a n ，红外，射频等) 和大型网络( 如 i n t r a n e t s 和i n t e m e t 等) 之间连接的桥梁。如果嵌入式系统有足够的资源，则 可以将e m m i c r o 和e m g a t e w a y 同时装入嵌入式系统中，实现与i n t e r n e t 的直 接互连。否则，只将e m m i c r o 装入嵌入式系统中，而将e m g a t e w a y 和网络 浏览器结合在一起。 5 、m c u + 普通网络接口芯片 这类方案中网络接口芯片主要提供m a c 和p h y 部分的功能，与智能网 络接口芯片不同，这类芯片内部没有固件。一般需要用户自己实现网络协议 栈的功能。这种方案灵活性比较大，但是集成度低，通常需要外界存储器。 常见的芯片有l a n 9 1 c 1 1 1 、c p 2 2 0 x 、c s 8 9 0 0 等：此类芯片内部没有协议栈， 需要开发者自己实现。 6 、低档单芯片解决方案 这种方案与高档m p u 片上系统的不同在于他们没有实时操作系统和协 议栈；最主要的特点是：相对于高档m p u 片上系统，以低廉的价格实现了 高度的集成。如i p 2 0 2 2 、飞思卡尔的m c 9 s 1 2 n e 6 4 。m c 9 s 1 2 n e 6 4 单片机通 过一个微控制器单元提供完整的以太网连接解决方案；它是一款1 6 位微控制 器，可与第三方的t c p i p 协议栈相匹配。 7 、完全解决方案 从开发周期、难度、系统稳定性、速率等方面考虑，有时完全解决方案 也是一个选择。这个方面的最新信息可以从网页w w w l v r c o m 获得。完全解 决方案为以太网和互联网通信提供了硬件和程序代码。硬件一般包括一个含 c p u 、以太网控制器以及相关组件的电路板。程序代码包括对以太网协议、 t c p h p 和其它互联网协议的支持。如r a b b i t 半导体公司的r c m 3 2 0 0 和 n e t b u m e r 公司的m o d 5 2 8 2 。 r c m 3 2 0 0 模块：带有多个i o 接口的快速z 8 0 系列c p u 、低电磁干扰 ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i ) 以及带c 编辑器的完整开发系统。支持 1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 以太网。r c m 3 2 0 0r a b b i t c o r ec 程序以太网模块 是一个包含r a b b i t 公司r a b b i t3 0 0 0 微处理器的电路板。r a b b i t3 0 0 0 是由 z i l o g 公司有纪念价值的z 8 0 处理器发展而来的。r c m 电路板外观比信用 哈尔滨：科人学硕十学何论文 卡还小，并支持多种i o 接口。此系统已经获得f c c 美国联邦通讯委员会的 认证，并且遵守e m i 电磁干扰的规则。r c m 3 2 0 0 模块包含一个时钟为 4 4 2 m h z 的r a b b i t3 0 0 0 及支持以太网通信的存储器和组件。具有5 1 2 k b 的 闪存用于程序存储，2 1 5 k b 的快速r a m 用于装载可执行代码，2 5 6 k b 的r a m 用于存储数据。在软件方面，r a b b i t 公司提供了d y n a m i cc ，其中包含实时 操作系统pc o s i i 模块。 m o d 5 2 8 2 ，此模块包含一个具有很多存储器和i o 口的快速3 2 位c p u 。 支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 以太网。运行速度很高，并且具有丰富的资 源。n e t b u m e r 公司的m o d 5 2 8 2 处理器模块包括m o t o r o l a 公司的3 2 位 c o l d f i r em c f 5 2 8 2 处理器，该芯片有5 1 2 k b 的l 人j 存和6 4 k b 的r a m 。在 m o d u l e5 2 8 2 开发包中还包括支持以太网和互联网协议的软件、免费软件 g n uc c + + 编译程序、调试程序和配置实用程序。丌发包中包括实时操作系 统i t c o s i i 模块h 1 。 2 1 2 本系统中采用的设计方案 嵌入式系统在水声工程中的应用已有一定的基础。在考虑嵌入式以太网 技术在水声工程中的应用时，必须考虑到已有的嵌入式系统应用资源。与任 何一个项目一样，对目标的熟悉程度决定着进行该项目的难易程度。在软件 方面，c 语言和j a v a 语言都是流行的嵌入式网络系统编程语言。如果曾经用 过其中一种语言，就会偏爱它。在硬件方面，如果曾经用过某类c p u ，也会 尽可能地使用它。同时，如果有一种产品完全符合要求，但需要时间掌握它， 这或许值得去挖掘，学习其中的新东西，尤其是这些知识可能在以后的其它 项目中还用得上。 目前关于嵌入式以太网的设计方案大多是基于单片机的，缺点是速度慢、 成本太高。d s p 芯片作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，具有嵌入的协处 理器和用于快速数据处理的并行数据通道，而且d s p 在语音图像信号处理方 面也具有强大功能。在嵌入式网络设备中引入d s p 技术，可以使嵌入式以太 网变得更快，成本更低，也更容易进行功能扩充。同时，在嵌入式系统中引 入d s p 便于继承已有的相关硬件和软件资源。 考虑到上述因素以及已有的与d s p 相关的丰富的软件资源和在硬件设 哈尔滨。r ：稃人学硕十学位论文 计上对d s p 的熟悉度，在系统设计时选取的两种方案中都包含了d s p 器件。 考虑到最终产品的稳定性，以及丌发工作的复杂度，此次设计选取了两种以 太网通信方案：一种是数字信号处理器+ 以太网控制器，在这路方案中需要丌 发者移植实时操作系统和网络通信协议栈：另一种是网络微控器+ 以太网收发 器，在这路方案中，开发者只需要调用相应的a p i 函数实现应用程序即可实 现以太网通信。 在系统的a 路嵌入式以太网通信方案中采用的是d s p + l a n 9 1 c 11 1 的模 式。l a n 9 1 c 11 1 是专门用于嵌入式产品的1 0 1 0 0 m 快速以太网控制器，该以 太网控制器集成了m a c 和p h y 模块，与智能网络接口芯片不同，其内部没 有网络通信协议栈。l a n 9 1 c 1 1 1 的价格比智能网络接口芯片低的多。采用这 种方案的a 路以太网通信系统整体成本较低，但是相对于智能网络接口芯片 来说，其通信速率没有受到较大的影响。 从降低开发的难度和复杂度，增加系统稳定性，缩短丌发周期等角度考 虑，在系统的b 路嵌入式以太网通信方案中采用的是d s p + 网络微控器 d s 8 0 c 4 1 0 + 以太网收发器的模式。b 路中不包括d s p 即可实现以太网通信功 能，添加d s p 器件主要是考虑到它的数字信号处理功能。网络微控器 d s 8 0 c 4 1 0 内部固件中含有以太网通信协议栈，开发者只需要调用相应的接 口函数即可实现以太网通信。芯片厂商提供了丰富的应用软件资源和支持c 语言与j a v a 语言的开发环境，方便开发者的选择。 本系统使用的d s p 是t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，l q f p 封装，所有的讨论都基 于这个事实。系统总体框图如图2 1 所示，为了减小电路板的面积，a d m 2 0 2 、 a d s 8 3 2 0 、d s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 这些器件以及它们周围的辅助元器件被a 、 b 两路共用。a 路中包含的器件相对来说比较少，主要是为了实现与串口设 备的通信、对信号的采集处理功能、以太网数据传输功能。b 路包含了a 路 的功能，但此路的控制功能远大于a 路。如果在应用中需要复杂的控制功能， 可以充分利用网络微控器的串口收发器、c a n 2 0 b 控制器、o n e w i r e 主机、 丰富的i o 引脚实现对外设的控制。 1 2 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 图2 1 系统总体框图 2 2 基于d s p 和l a n 9 1 c 11 1 的硬件平台的设计 d s p 控制此路的整体运行，l a n 9 1 c 111 控制系统与以太网的通信。在硬 件上实现了r s 2 3 2 电平接口和差分平衡电平接口。这两种接口可以和p c 或 者其它设备( 比如g p s 定位系统) 对应的接口连接。此方案主要是以最少的 器件实现必需的功能。 以太网具有灵活性、速度快、易用和支持范围广等特点，但以太网并不 能满足嵌入式系统通信的所有需求。当传输数据量较少时，以太网的效率并 不是很高，同时如果设备对于功耗有要求，有时以太网并不是最好的解决方 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 案。对于某些系统，有更合适、廉价和简单的组网方式。所以在系统设计时 留出了r s 2 3 2 电平接口和差分平衡电平接口。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的低8 位数 据线与t l l 6 c 7 5 2 的数据线相连，t l l 6 c 7 5 2 的三条地址线与d s p 的a 1 、a 2 、 a 3 相连。t l l 6 c 7 5 2 与a d m 2 0 2 相连实现r s 2 3 2 电平接口，与m a x 4 8 8 相 连实现差分平衡电平接口。在外部设备接入时可提供灵活的选择。同时，可 以在程序中控制以太网控制器的功耗；某段时间内，如果系统不需要以太网 的传输功能，可以让l a n 9 1 c 1 1 l 进入休眠模式，需要传输数据时再唤醒它。 2 2 1t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 简介 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是t i 公司推出的继c 5 0 0 0 系列c 5 x 、c 5 4 x 后的新产品， 其中，c 5 5 x 和c 5 4 x 源代码兼容。c 5 5 x 将功耗降到了一个新水平：3 0 0 m h z 的c 5 5 x 和1 2 0 m h z 的c 5 4 x 相比，性能提高5 倍，而功耗则降到1 6 。c 5 5 x 的不同部分可独立关闭以节省功耗。 c 5 5 x ，系列具有统一的c p u 内核，由四个功能单元组成：指令缓冲单元 ( i 单元) 、程序流单元( p 单元) 、地址一数据流单元( a 单元) 和数据运算 单元( d 单元) 。c 5 5 x 包括了统一的存储空间和i o 空间。 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 片内共有3 2 0 k b 存储空间，包括6 4 k b 双访问r a m 、 1 9 2 k b 单访问r a m 和6 4 k br o m 。外部最大可寻址1 6 m b 空间，由片选信 号c e 0 ：3 来选择，可扩展的存储器类型包括异步s r a m 、异步e p r o m 、同 步d r a m 和同步突发s r a m 。整个1 6 m b 空间即可作为程序空间也可作为 数据空间。c 5 5 x 的i o 空间与程序数据空间分开，共有6 4 k 字。 d s p 的片内外设完成的主要功能包括采集原始数据、输出处理结果、控 制其它设备等。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的主要片内外设有： a d c 模数转换器：采集电压、旋钮的输入值，把它们转换为数字量。 可编程数字锁相环时钟发生器( d p l l ) ：时钟频率可达2 0 0 m h z 。 外部存储器接口( e m i f ) ：可与各种存储器无缝连接。 直接存储器访问控制器( d m a ) ：六个通道，在无c p u 干涉的情况下， 为六个独立信道的上下文提供数据活动。 三个多通道缓冲串口( m c b s p s ) ：可以和多种工业标准串行接1 ：3 提供 无缝连接，可以和1 2 8 个独立信道通信。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 两个多媒体卡控制器。 增强型主机接e l ( e h p i ) 一个1 6 位并行接口，用于提供主处理器对 d s p 上的内部存储区的访问，可被配置为复用和非复用模式，以给 更多的处理器提供无缝接口。 二个2 0 位的通用定时器。 八个可配置的通用i o 引脚和一个通用输出引脚( x f ) 。 1 2 c 接口。 h p i 接口将在b 路( 含网络微控器器件) 中详细介绍。本系统通过 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的e m i f 接口扩展以太网接口芯片，使本系统具有了接入 i n t e r n e t 的能力p 1 。 2 2 2e m i f 扩展存储器接口 从图2 2 可以看到，e m i f 存储器接口除了对异步存储器的支持外，还提 供对同步突发静态存储器( s b s r a m ) $ t l 同步动态存储器( s d r a m ) 的支持。异 步存储器可以是静态随机存储器( s r a m ) 、闪存等存储设备，也可以是a d 转换器件、并行显示设备等，只是使用这些设备需要额外增加一些外部逻辑 器件来保证设备的正常使用。 e m i f 和h p i 共享d s p 的并行口，e b s r 寄存器b i t l 和b i t 0 的值决定了 并行端口的工作模式：d a t ae m i fm o d e ( 0 0 b ) 、f u l le m i fm o d e ( 0 1b ) 、 n o n m u l t i p l e x e dh p im o d e ( 10 b ) 和m u l t i p l e x e dh p im o d e ( 1 lb ) 。e b s r 寄存器 的复位值由g p i o 引脚的值决定弘1 ，在本系统中，可通过跳线帽来设置；也可 以通过软件修改。d s p 通过e m i f 接口与以太网控制器连接。e m i f 工作在 异步存储器模式下，d s p 的1 6 位数据线与网络微控器相连，对应于e m i f 的1 6 b i t s 工作模式。此时要注意d s p 的a 0 地址线不能与以太网控制器的a 1 引脚相连接。当5 5 0 9 ae m i f 被配置为8 - b i t 的接口模式时，d s p 的a 0 引脚 被使用：当e m i f 被配置为1 6 - b i t 模式时，最后一条地址线a 0 总是零。 2 2 3l a n 9 1 c 111 结构特点及连接方式 l a n 9 1 c 1 1 l 是s m s c 公司生产的专门用于嵌入式产品的1 0 1