（计算机应用技术专业论文）网络化的嵌入式系统通信机制分析及改进.pdf

塑堕查兰里三兰些堡奎! 翌竺些壁垒苎墨竺塑望堕垫i ! 坌堕墨垦堕 摘要 y 5 7 3 3 0 9 随着嵌入式应用的广泛发展，计算机技术和通信技术的进步以及i n t e r n e t 的 广泛应用，“后p c 时代”，网络连通性是嵌入式系统的必须要求，研究网络化的嵌 入式系统有重要的实践意义。 本文研究了基于网关和基于r t o s 的两种嵌入式系统i n t e r n e t 互连方案。比 较了两种方案的优劣，并分析了e m i t 和y x w o r k s 实例，提出了嵌入式系统网络化 应用特点和要求。 本文在分析了网络通信过程、k i n u xt c p i p 协议实现和s o c k e t 网络编程接 口的基础上，指出提高协议处理性能的途径，并基于l i n u x 的t c p 和i p 协议实现， 做了适合嵌入式应用要求的改进：1 ) 改变协议数据缓冲区的“分配一使用一释放” 的内存使用模式，建立静态和动态分配相结合，静态分配为主的通信区，采用高 效的“申请一使用一归还”的内存使用模式，实现策略和机制相分离的设计思想。 2 ) 为了减少对存储器访问次数，本文设计应用数据复制到协议缓冲区的同时计算 数据校验和，以满足t c p 差错控制的要求，可以减少一次对应用数据的遍历。3 ) 对应用数据分块，使得数据块大小符合通信子网m t u 有效负载的要求，避免i p 层 分片需要重新分配缓冲区、计算校验和以及数据复制的费时操作。 为了真实测试改进的效果，本文在协议处理中内嵌时间性能测试代码，记载 进入t c p 处理前和完成i p 处理后的系统时间，为了减低由于测试所增加的协议处 理开销，将性能参数写入应用数据中，采用客户n 务器的测试结构，由服务器测 试程序对时问性能参数进行计算和可视化显示。实验表明，修改后的协议栈可以 提高协议处理性能，对于发送1 0 2 4 字节大小的应用数据，性能可以提高1 2 6 6 9 6 。 关键词：嵌入式系统，实时操作系统，网络化，嵌入式t c p i p 塑童查兰要主兰兰笙兰! 翌竺些壁垒些墨堕塑遵堕塑型丝堡垒垦垡一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m h e d d e da p p l i c a t i o n tt h ep r o g r e s so fc o m p u t e r a 珏de 。m 斑旺n i c 8 t i o nt e c h n o l o g y ， a n dt h ee x t e n s i v eu s eo fi n t e r n e t ，n e t w o r k 。! 。c s n n e c t i v it y i s o b l i g a t o r y r e q u i r e m e n t o fe m b e d d e ds y s t e m s i t i s i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c hn e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e m s g a t a w a y 。b a s e da n dr t o s m b a s e de m b e d d e ds y s t e m st h a t c o n n e c tt oi n t e r n e t a r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r ：w ec o m p a r et h ed i f f e r e n c eo ft h et w os c h e m e s ， a n a l y z ee m i ti n s t a n c ea n dv x w o r k si n s t a n c e ，a n de x p o u n d c h a r a c t e r i s t i ca n d r e q u i r e m e n t 。fn e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e ma p p i i c a t i o n 。 b a s e do n a n a l y z i n g t c p i pa r c h i t e c t u r e a n ds o c k e tp r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，a n d o fl i n u xt c p i p s u i t e s i m p l e m e n t a t i o n ，w e m e n d t h e i m p l e 加e n t a t i o nt of i tt h er e q u i r e m e n to fe m b e d d e da p p l i c a t i e n 1 ) w em o d i f y t h e“a l l o c a t e u s e r e l e a s e ”u s em o d e o f p r o t o c o i b u f f e r 。c r e a t e e o m m u n i e a t i o na r e ao fc o m b i n e dw i t hs t a t i ca n dd y n a m i ca l l o c a t i o n ，a n d a d o p te f f i c i e n t “a p p l y - u s e r e t u r n ”m e m o r y u s em o d e 2 ) i no r d e rt o r e d u c em e m o r ya c c e s st i m e s ，c o p yd a t aa n dc o m p u t ec h e c k s u ms y n c h r o n o u s l y t of itt h er e q u i r e m e n to fl e r r o rc o n t r o l 。t h e r e f o r e ，i tc a nr e d u c eo n e t i m ed a t ah a n d l i n g ，3 ) d i v i d ea p p l i c a t i o nd a t ai n t ob l o c k st h a tc o n t e n t t h ed e m a n do fe f f e c t i v el o a do fe o m m u n i c a t i o ns u b n e tm t ut oa v e i d i p f r a g m e n t s e m b e d d e dp e r f o r m a n c et e s tc o d ei sa p p i l e da m o n gp r o t o c o lc o d eb yt h i s p a p e r i tc a nl o w e rt e s to v e r h e a d t h ec l i e n t s e r v e rt e s t s t r u c t u r ei s e m p l o y e dt h a tt h es e r v e rt e s tp r o g r a ma n s w e r sf o rc o m p u t i n gp e r f o r m a n c e d a t aa n dv i s u a l l yd i s p l a y i n gt h er e s u l t ，i ti sp r o v e dt h a tt h em o d i f i c a t i o n o ft h ea b o v ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft c p i pp r o t o c 0 1 w h e ns e n d i n g 1 0 2 4b y t e sa p p l i c a t i o nd a t a ，i tc a ni m p r o v e s1 2 6 6 p e r f o r m a n c e 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，r t o s ，n e t w o r k e d ，e m b e d d e dt c p i p 2 塑壁奎兰篓三兰些篓岂! 璺釜垡蓬盎垫至笾塑堕堕翌塑竺! 坠i 皴一，一一 第一章绪论 孽，嚯璎瑟寒嚣、蠢越辫塞义 搴瀑越是主海鎏誊较嚣攘蛰碟羧公霹璞翼。 随着计辫机性能和可靠性的不黼提高，其应鲻甚广泛源入劐人类社食的各个 鼷蠛。疑攀霪毫援拳装蚕裂藩蠢塞鑫，鼠遥售交釜凌蓬簿嚣攘，簌工整控餐蘩黎 蘸仪器仪袭，处处都需要计算机。随着威搿领域不断拓蹴，计算机中的j 陂用程序 慈寒邈菱絷，盎瑟瀵耋袁越寒筵雾。虢焱惩鸯枣，洛黪努曩蠢洼耨诗雾瓠羚类轰墩 入溅计算机和通用计算机。嵌入式计算机瀑统的您义是：以应用为中心、以计辫 巍麓拳受蒸壤、裟溪謦爵簿鼗、逶瘦痤感豢凌对谚戆、霹靠整、戚枣、舔餐、襄 耗严格要对鼋的专用计算机浆统“1 。 1 9 7 0 宰疆窭羧天莲系麓藏惫，奠发蕊缀舞了蜜薅系蕊瓣襞、赛霹豢露惹凌徐 段a 早期的宾对系统，使用个简单的循环控制对外界的控制请求响应黼实现控 裁漤建，按灏懿交毽或者壤攘藜懿壤嚣蘩篱羹重渐进孬竣谤，款释霞舔教罴罨 汇编语言编焉，满嫩不了豳益夏杂的应用隳求。上造纪8 0 年代，如现了多种实时 黎捧系统( r t o s ) ，鼗较祷名熬魏v x w o r k s 、p s o s ，基予r t o s 翡鼗a 蕊藤矮嚣 发的模块他、扩展性好、辨发容舄等优点使得逐湫成为臻拯嵌入u 戏应用搿发的主 藏。 实对蒜缝按计爨结果对对阅终窳豹严格牲可以分为磷实对麟鲳和戟樊时 嗷 臻e 在工竣羧裁系蘸、c t m 8 系统褪实验役器戆煎稼管理系统串要壤诗算撬麓露番 酗外部，舜莎事件髂出立蹦反应，这一类皮月对对间十分壤感，嚣黎系缆必须褒 一窝麓辩溺海俸崮鬣应，添瓣看暴不可颈溺，其磁碡佳还嚣严掊满足时闽约柬， 这一类斑捌霹瑟为磺实对蹴p 跫( h a r dr e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s ) 。楚整携壤爱缭帮通臻 技术鼢迅速发展，擦现了大麓酶多媒体应掰，音籁和祝颓旋用要求连续撩放帧， 其计舞绥暴鹞菱稳健与对灏授关，与硬安辩痉臻不秘夔是，其在不溃是游怒豹豪 静情形下r 戳降低繇统穗魏( q o s ) 为代价，这类应用裕为软窳时应用( s o 许 r e a l t i m ea p p l i c a t i o n s ) 。 ， 随着通信技术和褥络的迅速发展，嵌入式系统实现网络连通悭成为t 瞄p c 时 湖南大学硕士毕业论文：网络化敞入式系统b 勺通信机津0 分昕& 改酶 代”的必然要求和发展趋势，网络他的嵌入式计辫系统墩计和实魄成为研究的热 门谍题。赞绫薛互联溺应瓣虢菠袁中心，姆令，互联爨疲建歪麓瓣潋嵌入式浸蚤 为中心，丽i n t e r n e t 的技术路线，是不可阐避的必然选择。如何刹用嵌入式系统 鸯戮静资漾对信惠逐行t c p f i i p 馥处遵，馊之成为嚣露在互装矮上薏蘩静 p 数摄 包，还要满是嵌入式应用的实时确定性和髓好的嶷时性能成为一颈富有挑战性的 研究工雅。 现代傍感技术的发展，菠改变我们传统的认识期改造鼬然世辨的方式，远稷 测辩、远稷控帮成为生产、科攀研究静有效形式，纹器设器等跤入式凌备支捺霹 络曼联戏为必然要袋，研究嵌入式设螯的嬲络体系结构悬我们豹研究耳撂之一。 计算杌技术与邋信技术酷益繁密的蹈合，使褥话算辘褥络技术飞速靛震。进 入8 0 年代中翅班采，孕育予a r 旦a n e t 鹩壬n t e 默瞧t 袋褥迅猛没展，酷经残为 毽界上规模最大稀增长荣快的计算梳嘲络。随着嵌入式应嗣领域的扩大和 i n t e r n e t 敬不颧深入应焉，强缤惑家电、现我纹嚣和测兢产品为代裹熬嵌入式产 品，对嵌入式系绕技术提出了新的挑战。嵌入式系统必须支持目虢增长的功能密 痰、襄活黪阚终连接、轻便豹移动寝瑟窭多媒体倦息处瑷。燕逶建嵌入裳分枣她 理稽构和删终连通憔的要求，嵌入式系统联网成为“后p c ”时代的必然趋势，嚣 求系统整鍪繇建筑一转窝多糖爨终逶售接船。 嵌入式成用是个技术密集、资金密攥、高度分散、举断创新的知识创新系 统“。在我蘑已经魏灭w t o 翁形势下，嵌a 式技术落嚣懿届嚣将彩嫡经济静发 展和技术产龋的竞争力，研究具有自主知识产权的嵌入式设计开发技术具有重大 斡享会帮缀济溪赛潦义。 ，2 饔毽彗录 。芏 谶入式处理器 激入式系统静梭心是戳入式处璇器殛。2 。它要求瓣实辩多任务漆穰疆瀚支持熊 力，能完成多任务羚且有款短豹中断响应时闯；功能很强的存鳢送缳护功能：可 扩鼹翡处璎嚣结构i 簧求较低前功糕。嵌入式处理耨总量醢经超过1 0 0 0 茹种，体 系结构达3 0 多个系列。攫攥其功栽特点可漩分为嵌八式微她理器、嵌入式徽控剥 器、嵌入式d s p 处避器和嵌入式片。上系统。嵌入式微控制穗( m c u ) ，以种微 楚查盔兰篓圭羔兰垄奎! 翌兰些璧垒茎塑丝塑堇塑! ! 丝墼坠一一一 处理器内拨为按心，芯片上集成了r o l v l e p r o m 、r a m 、定时器计数器、总线、 v o 、通信接口等各种毖要萌髓幂l 井设，虫于单片纯，体积大大躐小，渲褥成本帮 功髓降低，可靠矬鼹嵩，是毽兹嵌入式系缝工业的主流。嵌入式微处理器( e m p u ) 基予通用c p u ，保留与嵌入式应用有关的功能，燕篙仡或专用懿微处理器，满怒 巍入袁瘦耀魏转点帮要求。嵌a 式d s p 处理器( e d s p ) 赞对数字滤波、f f t 等 方筒计算特点，对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行d s p 蒋法。嵌 入式片土系缝( s o c ) 饕熬个系统大罄努爨袋到一块芯片中，可以大太减少体积， 降低功耗稍提高可靠性，嵌入式s o c 是目前研究的热点和嵌入式系统设计的发展 方舆。 嵌入式处理器的发展趋势是；1 ) 从姒8 位、1 6 位逐渐发展剽以3 2 位为主漾 戆发震蓬势；2 ) 徽楚理爨书夔技术逐瑟_ 黩攫量l 嵌入式徽楚瑾器申寒；3 耪浚毒 或较少外设资源发展到以搬处理嚣内核为核心，触块芯片集成各种外设资源，提 交s o c f 唧稚p s o c f 5 黪藏念释产燕。4 ，褥泉会运澎舜整鞠鑫琵满足耪霆簸蘼簇域 需求的专用处理器，如d s p 、网络处理器芯片1 6 1 ， 1 2 2 实时操作系统的特点糊发滕 嵌入式系统要求有实时确定性糊实时性能的袋求，通用操作累统一般对实时 谯没骞缮好靛支祷，嚣藤鏊予实辩搡维系统( r t o s ) 蕊嵌入式癜薅瑟蓑模式是爵 前主要的开发模式。分时秽任务0 s 侧重予肘任务的公平她理，耐r t o s 追求的悬 漶度麓突髓链、嫡应鞋褥懿哥凌寇缝、系统瓣熹霹靠毪。i e e e 莉安簿u n i x 委员 会认为实时操作系统应具铸以下的特点叽 l 、舅步静事 孛璃瘟。实蠢毒系统髓在蘩求翡辩游鸯响藏舅多鹋终黎零件，要 求礴异步i o 和中娅处理缝力。i o 响应时阗受内存访问、硬盘访间和处理机总 线速度所隈雠。 2 、切换时间捌中断她迟曩寸闽确定。 3 、试毙级中断和调壤。必须觅许孀户定义中断优先缎藕被谪度任务的任务 优先缎势攒定如钶般务中酾。 4 、抢占式调度。为了傈证响应时间，实时操作系统必须允许离优先级任务 旦准各磐遮罩亍，可以马上捻占低饯隽级经务的执行。 5 、内存锁定。必须累有将程序或部分程序锁定在内存的能力。 实对撩 窜系统翳擐颏发嶷表强农翅下凡个方磊： 一 塑塑查兰嬖圭妻些丝兰! 翌墅堡壅：垒苎墨望整塑蔓垫型堡塑墨塾燮一 一 i 、r t o s 普遍袋用微砖核结构和超微内核结构。6 0 年代以来，u n i x 操作系统 静酶究帮发震菠之这臻几乎穰宠焚静程袋，鉴于u n i x 懋慧黪突蹲多任务攥霈系 统，从内按体系结构来看，普遍采用微内挟的结构( m i c r o k e r n e l ) ，将传统操作 系统中基零功能掏象毒亲，梅成搡俸系统静菝心，鼯镦内禳，真正其谘麓操俸系 统功能则澎构造谯微内核乏外的服务器实现。这娃一种枫制朝繁晦相分离的开放 设计思想，提供了高度的茏活往、模块纯帮可移植往，徽内孩提供任务谱度、强 务之间通穆与弱步、内存管理、对钟管理、中断繁理等蒸本功能，丽其他操作系 统渤能如文件系统、网络劝鼢、g u i 等由徽内棱之井的藤务器来完成。纂于镦露 援媳设诗鼹想，撬挺窝发鼹了褒入茂擞斑犊，鄹越徽蠹棱( n a n o k e r n e l ) 的概念 和密现。禳微内棱是一种非常紧潦的基本内核代粥层，为嵌入式愆褥摄供了可擒 占、侠嚣确定獒安对摄务，霹班灵活逮拇逢各种类型豹、乓理或系统蓉嚣翁、霹 伟缵的嵌入式实时操作系统。因此能满足腋用代码的可重用性和w 伸缩性的需求。 m r i 鳃v r t x s a 是綦予实对怒徽蠹镶缝搀鲍瓣裙，其实嚣懿窝哥纛性骞了缀太煞致 进。文献圄】中e r t o s 介绍了一个嵌入式超微内核船构的嵌入式实时操作蕊统的设 诗。 2 、r t o s 的一体化开发环境。实时成糟软件的特殊能，往往骥求应用程序设 诗卷其嘉定熬实时揉律累装嚣专门絮谖，缝台理戆剡努嫠务，合建翡懿蔗系鲮 以及进行目标系统调试。设计实现个离性能的嶷时应用程序，黼要强肖力的交 叉开发工其黪支持。诲多公逮羹黧合支持基于叁鸯攘季挈系缝鳃藏鼹舞发，漆交了 嵌入式系统的一体化开发环境( i d e ) ，如w i n dr i v e r 的t o m a d o ，他们包括自己 麓霹蕺剪镦疼接实鼹多巍务撵箨系统，聂笈圭辊上辩黎译、诿试、查看簿：翼， 以及利用串口，网络，i c e 等主机与且标系统的潍接工具。可以选用第三方的开 发王其，魏逻辑努据获，代码测试互其，派褥努辑z 巽簿，鼗天式系绞i d e 耳壤 以枣户服务器的悉统结构为基础，具有开放的软件接口。 3 、霞掭系统生黪仿真。鼗入斌系统蕊好发，箴是硬释帮软襻酶紧密集成黪 并行开发，为了提黼开发迸发、减少风险，目标累统豹仿粪功能也应运丽生，可 双在黉薛宠成之兹袁接在奎壤土拜始应蜃软俸煎璃试窥髓囊，尽晕发现较释错误， 开发者可以在不依赖硬件殿型系统的前提下更加谢教地开展工作，硬件设计的缺 陷瞧容易及早发现。 4 、l i n u x 操 乍寒统成为嵌入式应用的麟究熟点。l i n u x 是符合g p l 规则、囱 由瀚、开放潭码、价格低廉、功能强大、戚用丰富酩类u n i x 多任务操作系统。蘸 黄敬入式系统硬件技术麴发展和瘦爝鬟求麴不甄提懿，嵌入式l i n u 。技术虫予其 蝥塞查兰璧圭兰兰兰兰_ 堡兰堡堂垒茎至望篓墨量竖塑坌塑璺墨璧 通爆性、网络让芷成为当兹嵌入式掾 睾系统领域一个新的发展点al i n u x 歪莲与驶 入式设备紧密结合，基于嵌入式l i n u x 的p d a 、数码相机、信息黎电等产晶已经 大爨塑现。 专用的实时操作系统能对硬实时提供很好的支持，但缺乏对鞔实时的考虑。 莠虽俸为专爆系统，往茳缺乏是够戆痤囊支持，嗣嚣寸徐格蠛缀责，如鹰利斌通用 操作系统避行改造，使其能较好地支持硬蜜时应用成为研究的热点。由予l i n u x 嚣救潦霞弱、应嚣事富，瑟凑一般攮终系绫逶建弱强大弱文 孛系统、g u i 、鄹络 支持而成为人们的鬻睐。嵌入式l i n u x 是指在标准l i n u x 基础之上经过裁剪、修 改，逶矮予强人式系统懿专建l i n u x 系统 9 ，螽r t - l i n u x 、k u r t 、r e d l i n u x 、 m o n t a v i s t al i n u x i 等。 文献f 7 】指出，( 1 ) l i n u x 具有缀努翡模块纯，銮翕鬏撼瘟燕嚣要透露糙墨窝 裁剪，非常适用于嵌入式环境：( 2 ) 由于硬件技术的提高，尤其存储资源性价比 逯滚撵高，为体稷较大静l i n u x 瘟瓣于嵌入式设备提供了霹能；( 3 ) 嵌入式应惩 的多样化和网络化，提供了应用的源动力；( 4 ) 嵌入式l i n u x 与桥准l i n u x 有很 驽驹兼容僚，基于称准l i n u x 开发懿设备驻动程痔、两终溅务帮殿霜都霹鞋痤霜 在嵌入式l i n u x 中，产品研发到上市时间短、研发人员少_ 摹研发成本低，因此， 嵌入式l i n u x 有广泛的发震前景。 1 2 3 嵌入式系统的网络纯发展麓势和意义 传统的嵌入式系统应掰，除部分3 2 使处理器辨，丈薰存在瓣楚8 莅耩3 2 穰 的m c u ，醴经广泛艨用在窳庭和工业的备个领域。目前大多数嵌入式系统还处于 单独应用的阶段， 互im c u 为核心，与煎溯、侍旅、指示设备配合实现一定的功 能。在一些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u 之阕的信息交流，剩魁c a n 、 r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 等总线将m c u 组网，僵怒此种网络的有效半径肖限，遥信协议 也少，并且般是孤立于i n t e r n e t 之辨的。 回顾i n t e r n e t 的发展，可以分为三个阶段 1 2 l ：1 ) 1 9 8 0 1 9 9 0 年，是i n t e r n e t 发疑的萌芽鼢段，必了解决异鞫计冀机的夏联和僚怠交换。2 ) 1 9 9 0 2 0 0 0 年，p c 广泛普及，在t c p i p 协议嘲络上发明的e m a i l 和帅w 的潴遍应用，i n t e r n e t 被 广泛接受。3 ) 2 0 0 0 2 0 1 0 年，是搬入式i n t e r n e t 对 弋，嵌入式片上系统成为瘦 服务器。a r u nn e t r a v a l i 预言，在这个阶段，“将会产生比p c 时代多成百上千倍 嚣瘦瓣务器靼超缀嵌入式瘦羧务器，这些痰鼹务器姆与我翻这个避雾像旋想爨的 塑塑奎登塑主望些熊耋! ! 竺些塑垒垄篓鎏塑望堡垫型坌塑墨婆丝 各种物璁信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 网自动的、实时的、方便的、简 簿静提供给需要这些藩意鹄对蒙”。 由于支持t c p i p 等i n t e r n e t 协议， 绫独立于i n t e r n e t 之岁 。涟着懑售技术、 式系统i n t e r n e t 互连成为了现实。 需要大量的计算资源，传统的嵌入式篆 诗冀镌技术移徽毫子技寒菸笈震，袋入 嵌入式系统与i n t e r n e t 静结合越来越紧密，袋入式蘩统鞠麟络诧察i n t e r n e t 暇务器的嵌入化是发展趋势。i n t e r n e t 观己成为社会蕊簧的基础信息设施，悬信 息流通豁重要粱遘，嵌入忒系统镁入i n t e r n e t 研酞方便疆将信惑传送至晁乎嫠箨 上的任何地方。基于嵌入式i n t e r n e t 技术，我们可以实现远稷数据采熊、远程控 制功髓，为i s t ( i n t e r n e ts e n s o rt e c h n o l o g y 黼络传感器) 、h v a c ( 家庭环壤鑫 幼控制) 、信息家电、局部环境爨动监测、智能小区管理，鼹终魍动抄淡、电予稀 务、智能公路管理班及工业自动化等众多领域的应用和发展提供技术镶汪。 3 本文主要工作 随糟计算机性能和w 靠往的不断提高，嵌入式计算系统应糟己广溅深入副人 类社会的各个领域。嵌入式计算系统与i n t e m e t 的互连越必然趋势，网络化的嵌入 式计算系统是热点研究问题，本文主要憝通过对嵌入式系统i n t e m e t 互遴机制和嵌 入式t c p i p 进行研究，主要工终梵： 1 、分析了嵌入式系统i n t e m e t 互连的两种方案，基于网关的互连机制和基于 r t o s 静互遴撬翩，分析魄较了嚣静连秘方案静优劣，撵窭掰络袍嵌入式系统 应用特点和溪求。 2 、由于t c p i p 的广泛应用和成为事实上的工业标准，通过分析t c p i p 的网络 薅系结秘羁s o c k e t 嬲终缓簇搂疆，缮基在不毅变掺议逻辑结秘瓣麓提下，锋 对网络化嵌入式系统应用特点和要求，基于l i n u x 的t c p i p 实现，讨论种 挺裹t c p i p 协议楚疆牲髭懿设嚣惑想震其搭实凌。 3 、设计了客户枫服务器测试结构钓t c p 1 p 协议处理性能测试程廖，通过在 t c p i p 协议处理软件中内嵌测试代码，使得数据包中包含协议处璃时间设能 参数r 测试搬务器款件提取数据包审粒性能参数，避行 卡爨帮可援他显示。 o 潮嘉大学骥士毕业建交。霹终诧媛a 式蓑缝黪运蓐辍蓬l 势辑霆鍪垡 4 论文结构 本文第二章分橱、比较了两种瓣络能激灭式茁统静滤信撬裁。筹三蠢分褥讨f 论了t c p i p 体系结构、网络通信过程吼及s o c k e t 网络编程接口，指出提高协议 照遴淫髓静途径，獾出了锋对l i n u xt c p i p 实蕊静改递诚意。第溷搴攒述了改避 设想的具体实现。第五章设计了客户服势器结构的测试方法，并对测试结果进行 了分析和魄较。策六幸是对本文工作酶总结和避一步研究的讨论。 1 5 小结 嵌入式系统的核心怒嵌入式处理器和实时搡作系统。随着微电子技术和计雾 机技术的发展，嵌入式处理器技术水平越张越高，其功能尊口辨设瓷源越来越丰富， 馓处理器中的技术也逐渐在嵌入式处理器上应用，也出域了满足特定应糟要求的 嵌入式处壤器芯片。实对操作系统经过2 0 多年的发展，罄遍采用徽内核结构，箕 功能越来越完善，出现了体他的开发环境和目标系统的仿真工嶷。嵌入式l i n u x 成为耨的嵌入式研究和应煺热点。 随着嵌入式应用和i a t e m e t 的广泛发展，在“后p c 时代”，传绕的以p c 为中 心的赠络玻月逐澎转到以嵌入式系统燕中心瓣应爝上来。网络纯是嵌入式系统的 发展趋势，而i n t e m e t 是必然选择，研究嵌入式系统的网络结构憋热点问题。 塑塞查堂堡圭竺些堕兰：塑璺些壁盎苎至望塑塑燕塑型技篓墨垫堂一 2 。 专l 褰 第二鬻霹络化嵌入式系统通信褫澍分桥 嵌入式蓉绞弱网络连蘧愁是“掰憋”黠德豹必然趋势秽要求，装霜i n t e r n e t 的投术路线魑不可阐避的选棒，相应的嵌入试计算祭统需瑟t c p f i p 协议族软件盼 支持。搀餐袭嵌a 式诗算系缝富限资源麴馕掇下，兜戏复杂熬t c p i p 按议她理功 能，使之成为可以程i p 网上传输的数据包，成为嵌入式设餐连两设计和实糯的挑 蕊。本掌讨论了褒入藏系统鳇t n t e r n e t 互连授零熬涎静方寨；弼美十专耀瓣蜘运售 解决方案和辫手r t o s 的解决方案，并分析了两种方案的优劣。 基予网关的通信解决方黎 嵌入式设备满足网络连通性的需要，i n t e m e t 是不可回避的选择，但是细巢嵌 久式浚备零巍零翼餐瓣终功熊凌者仪侵冥簧憩荤魏黼缮臻撩，要袋入t n t e r n e t 霉或 了一个技术勰关。主凝困难在于，i n t e r n e t 基于t c p i p 协议，如果需辩支持t c p i p 运蕊徐议，必须爨计算瓷嚣禳警可懿，鑫予受褒天式嚣雾系统幢魏、检耪鹣绞索， 当设铸难以支持t c p f i p 协议处理的附候，髂翼商一个网络结构的搽决办法l t q 。图 2 1 怒释基予瓣关静瓣终逡揍簿次方寨。 霪2 。 基予溺关戆瀚缮绪桶 瓣决袋天式设备之藩互连兹簿蘸，霉港聚蘑髫靛院较磁熬静专糟黼络技术， 如r s 一4 8 5 、c a nb u s 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 等，使褥嵌入戏设备邋过专用网络互 连奁起，浚备之闷胃蕊霰方便墙谶行通德。设备甄连可鞭采用现场总线技术， 现场总线技术在过程接剑中褥到广泛应熙势薮褥缀大艟成功，我们以纂金会现场 总线标准p 7 t ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 介绍萁体系结构。 1 2 一塑童查茎矍圭兰些兰差! 璺釜垡壅垒茎墨篓塑墨量墨墅坌塑墨墨鎏一一， 现场总线通绩棱体系结鞫是计算机剐络体系结构i s oo s i i r m 的于集。取 o s i i o m 的三层，即物理痿、数辫涟路层藕应用艨。在透信协议棱之上蕊溺户屠a 现螈总线秘理层挺准规定了甥理健埝奔蠼浆类型、鼗据健辕鸵镶号定义、节点供 电方式和信号传输速率。数据链躇层根据实现的功能不同，分为m a c 予层和数 据借送予壤。m a c 予爱慕建蓥绞转载器方法控利对分痰游趣，搜多个没蠡无冲突 地以总线方式或商根树的方式共窜介质的带宽。数据传送子震向上层摄供数据传 送鼹务，纂蔽奔鼷共享熬管理瓣邀黟兹瑗虽翦蓑雾性，以鼹务爨潼夔翦澎式囱上 滕提供具肖特定服务质量的服务。支持无连接无确认服务、有涟接有确认服务稀 鸯连接无礁试三释黢蚤方式。褒甥墓线的庭瑟瑟分菇2 拿予屠：享盎s ( f i e l d b u s a c c e s ss u b l a y e r ) 和f m s ( f i e l d b u s m e s s a g e s u b l a y e r ) 。f a s 利用数据链路层的服 务传送痤薅数据。鼷产静鼗豢簧送翻f a s 予瑟露，囊上融s 燕剡僖意嚣澎瘫融s p d u ，交焓数据镳路层发送。f m s 子层接收用户数据，进行报文煽码，形成f m s p d u ，熬嚣搓交绘f a s 子屡；或者胰f a s 予屡按蔽f a sp d u ，避抒簿褥簿裂掰s 服务参数，提交缭用户进程。f m s 向其服务用户提供多种服务，包括连接的建立 黧释蔽，蠛羲蕙线变量熬读写，魂场控澍饔薛鹣缀告霸处瑾，蠛场凌备疫嫣罄簿 的管理，设备内部数据缩构的操作等。现场总线的用户壤以功熊块应用避程的形 式撬馔。秘缝块惑磅麓块裳蠛代鹚帮参数筑藏，楚完藏一定餮簧磅麓嚣肇嚣，其 中，代码蜜现功就块算法，参数则袭征功能块运瓣的结裂。 采是瑷炀葸绞翡接来鼹线，豢然解决了滚入式设冬菇洼魏瓣瑟，餐是还没蠢 解决如何与n t e r n c t 互连的闯题，对此，我们可以采用离性能的计冀机或者专用的 勰务器佟魏鼹关，箕支持t c p p 协议，并运行h t t p 服务程枣。瘸产霹戳运行澍 荧器远程访问网荧上的照务器。嵌入式设备采用嵌入式计算结构，通过轻置级斌 篱协议( 鼯f f 逶信协议橇) 与瓣关互遥，霜关可戳将帮瘸网络生的篱惠转换洚 t c p i p 协没数据键，然鹾发送到i n l e r n e t 上实现髂息共事， 2 2 。1 e m i t 技求实埂巍入式设备i n t e r n e t 置连 对于8 1 6 挝嵌入式计算系统，诗舞能力燕嫩和魂誊，j 、等蘸统蛙糍缺陷是 i n t e r n e t 强连需耨考虑的重要因豢，e m w a r e 等公司提出了e m i t p t i ( e m b e d d e d m i c r ot n t e r n e t i n g t e c h n o l o g y ) 嵌入式微型t n t e r n e t 曩连技术，著褥到诲多软 硬髂厂商的支持，是目前缀有前最的嵌入式系统i n t e r n e t 互遣技术。聚用e m i t 投零，可鞋将8 建帮1 8 整淞g 角越等嵌a 式设备菝入! 耍t 8 r n e t ，窦理基予i n t e r n e t 塑塞茎兰堡主兰些望兰：翌垒些璧垒壅墨垫墅壁堡塾塑监篓j ! 墨生 的远程数掇果集、邋程控制、上传下载设嵇配置数榴等应用。f f m i t 技术包含3 个 棱心舔俘，8 感i c r 。、e m n e t 蕊。蕊g a t e w a y 。箕嚣臻互连静缩褥蟊辫2 ，2 爨幂： e 州i e ：是骤麓在嵌入式系娩中的微型网络服务器，e m m i c r o 集成剽嵌入式 系统中，鼹予向圈镶传输蕊鬣、_ - g 串、蟊数稻箕憾信息，使得耀络申静蒜户疆鼹 够挂铷翻监视嵌入斌系统以及收蒙数据。e m m i c r o 针对微控制器谢限豹资源进行 了优纯，黄嵌入式系统提供嵩水平伴缩髋、灵活穗和功能键椎葡辩，廷占爝系统 摄小鲢内存( 强字节) 姿灏鄹处理器瓷源。 ie m g a t e w a y e m m i c r o 支持的 ；q t t p 窖户爨 i h 仕p 服器器 嵌入式设备 i ( 两络浏览器) e 璜。勘e 蛙s； 。酬蕊 t 。g 。协。y 撮务j ， m n e t 1 避2 。2e n i t 要涟缍稳辫 e m n e t ；楚褒入或系统连接簸赞穗、轻畿缀翳搿浆霹络给谩。e m n e t 搜褥蹇或 e n 幽l i c r o 的敞入式系统能够釉嵌入戏微控制器网关e m o a t e w a y 进行有效的通讯。 e m n e t 疆子轻羹( 1 i 砖tw e i 嫡幻网络稔议，支耱奁奉建稳建枣裂弱壤鼹缀。 e m g a t e w a y ：嵌入式微控制器阔关，是轻爨缀网络洋口大型搿性能黼络如 ! n t e r n e t 鞠t n t r a n e t 筹之麓熬掭粱，是令凌蕤强大熬客户蕊，震子营瑗多令 嵌入式系统，支持标准的i n t e r n e t 通信互遴以及支持网络浏览器。e m g a t e w a y 是 实残暴穆阚络蔓连帮遂霉雾翰瓣络捺浚转羧粒繇浆。 设备通过固化程设备中的e m m i c r o ，聚阁e m n e t 协议姆e m g a t e w a y 进幸亍通信， 瑶产可滚莲适运孬农矮关上黎耀8 服务器对嵌天式设备送行远程赣褫，远程控籍、 远稷故障诊断以及邀程维护。 2 3 基予r t o s 触通储勰决方案 基于r t o s 的濑信解决方案，魁采用3 2 位高档m p u ，_ 在宴对岁任务操作系 统( r t o s ) 嚣平台上述杼较俘开袋，在嵌入式系统中实蕊t c p i p 髂协议处璎。 比较典型的r t o s 是v x w o r k s ! ”，v x w o r k s 是易 枣簸豹、器扩展的郛可爨的，可 1 4 塑要查兰堡生堡些丝兰：璺竺些璧苎墨塑塑堕篁! ! 楚楚盟墨垦然一 以广泛应用在所有的c p u 平台上。 v x w o f k s 结构始爨2 3 黼示，v x w b r k s 实辩攥傺鬟绫暴鸯w i n d 徽窍菝的镶心功 熊、强大的文件系绕和i o 管理支持、c + 十语言以及其他遴行时库支持a v x w o r k s 酶核心是裔绶率麓w i 霸d 擞森棱，镦蠹捺具有诀遮多任务淀换t 支祷孛馘、捻占 式鲫优先缀旋转调度等实f | 寸系统特性，微内棱设计能减少系统开销，对外部时间 麓有快速帮礴定的喻应。v x w o r k s 箍供了共事痰存( s h a r e dm e m o r y ) 、溺恩酝秘 ( m e s s 娃ea l i e u e s ) 、管道( p i p e s ) 、套接翻( s o c k e t s ) 、邋耀过程调用( r p c ) 以 及信号( s 媳h a l ) 等高效瓣任务阍聪信枫裁，使得柱实茸于系统中，独立任务簿傍僚 变褥缀套臻。对予荚键系绕瓷源熬控制，提供了多釉信号爨：二避翩信嚣羹、计 数信号量和优先级继承前冀j 荦信母爨。 褒丸式赛对疫壤 1 g r a p h 话sm u l t i p r o c e s s i n g t n t e r n c ts t u - p o r t j a v as m - p o np o s i xl i b r a r yf i i es y s t e m w i r t d n e tn e t w o r k i n g o o r e u 苫 j w i n dm i e r o k e r n e l l i 图2 3 ；v x w o r k s 5 4 远行时系统结构图 v x w o r k s 是第个集成了针对实时应膈优化丁的t c p f l p 标准的实件寸操作系 统，v x w o r k s 鼹t c p i p 蛰议攘支耨诲多协议，魏转、 璐嵇、c i d r 、t c p 、u d p 、 a r p 、r i p 、n f s 客户和服务器、p p p 、b 0 0 t p 、d n s 、d h c p 、t f t p 、f t p 、t e l n e t 等，趸骜掭臻翡b e r k e l e y 襄接字霹终骧鬟接鐾， 基于r t o s 的嵌入式系统通信解决方懿，其寅就是在r t o s 搬供的网络编程 接国之主避抒应甭软箨拜攘，察鏊予p c 的应焉嚣没类戳。 2 。4 秀种方案的琵较分桥 通过怼戳上两释袋天式系统i n t e r n e t 互涟方案瓣分褥，我们对嚣稀方寨豁特点 进行比较分孝厅，分车厅结果如下表2 1 所示： 塑壅查兰篓查兰兰兰茎!登苎篓塑垒茎至篓塑墨堇篓篓坌錾墨璺璧一一 比较内容基于阿关的方寨 基于r t o s 游方黎 嘲终连通性巍九浅设备遥避弼关赛理与i n t e r a c t 嵌八式设蓊可以羲馋是i n t c m e t 的个替 互连，阿关失效，娜所有竣各与i n t e r a c t 点，兵要外部i n t e r n e t 是缅通孵，则可啦 羲连，是蕈患夹黢薅络。晏势，丧于 绦嚣羁终遵遵性，鼙个设备靛失效，不 是异构网络互琏，现场需要多种两络澎畸其他设备的连通性。媳单一勒瓒网 毒线，娄囊a 式谩毙鞍分教辩，毒 络，毒缓嚣要。 线尤矮困难。 嬲络安垒瞧浚冬霹鞋谩藏瀚美提供毫捱诀诞、囊筚令爱备实瑗安全逸较霆蘧，竞奎性摄 密等相应的寮垒服务，通过实施丈部滩保证或者实现代价比较离。 分安垒蓑鏖珂爨孵强葭备爨安垒瞧。 协议一致性需要辞薅关进行协议转抉，褥关鼹异构不需要协议转换，设备本身支持t c p i p 瓣终暨连骜捺黎。露美艨逶痘连攘嵌捺渡蕞敦俘。 入式设备的多种硬件，软件解决嵛禁， 提供纂予髓捌辖携蔹鹁羧魏存取簸 务。 蔽零由予设备一般采用羝糖靛8 1 6 往 觳采爝离挂静3 2 健襄a 式处瑾器鞍褥 m c u ，瓷源要求低，翻趟成本低。业r t o s 和集藏的扦发环境，成本瑚。 可扩震筏增赫黼辩琏能秘座蕊比较嚣难蕊有锾好掬可扩礁性 2 5 网络化搬入式系统豹特点及拦求 网络化嵌入式窳统是i n g e r n e t 对代废熙麴热点，随豢诗葵执技术瓤迸嬉技术 懿发展，箕应用会越来越广泛，箕应用特点是： i ) 弼络琵褒入式系统魏理连按澎式多襻，受成本、掺联，功耗戆严格簧求， 般计算能力不强，存储漆源较少。 2 ) 网络亿嵌入式系统一般是褥向特定应用颁峨，不需要完熬的t c p i p 协议 羧撅磐支持，黠斛终连接支持稷投濡要t c p t p 协议获子集，箕疫霸功魏 比较固定，协议功能可以简化。 6 超枣炎攀蟋土肇鼗避支：鞲烙他凝a 式蒜筑鹦逢博搬趟势壁i ! 堕墨 0 ) 国络纯搬入式菘统一缎成翔在察时环境中，要墩有稂好的宾i 尊确定瞧剜较 簿麓实瓣。整籀。 4 ) l i l 终蹙焱入式臻缝要窭氍擎，爹给接楚溪黪鬻激攀窝对存游蛩添蔫麓裁臻t 邈辩，媸缀觏终量港接卷，链鼹臻热议丈帮分盘辘嚣骥辨实避，部分递黯屡 姥怒秘主鬻各鼷酶议功愁帮蠹搽程系臻缀软终承趱。褥爱臻波楚璞嚣羚嚣蠢藩 爨鲍缓、串区，溺产鼗攒豢遵过秘缓缓游嚣才懿剿达穗镪燧理套矮。黠灏数掇毯 瓣多次爨瓣，拨天淫熬了游惑羧邀熬辩瓣 麓# 笺祭鼹渗议簿瑾援繇举毽臻灏 了漕惑救发熬野镱，彀蠢蓬大凝黪学撩瓷嚣鬻姆器瓣懑。交黻t 2 。l 袭翳，莲滋犊 f t h e r n e t 蛉圭瓿上，3 5 黪逶荣辩阂帮发费在t c p i p 瓣稔汉缝灌露撵稼系统f l 喜舞 镜上，蕊宰s 尊繇麓秘袋爨蹙数溅复鬓嬲谤冀羧龄褥懿缎毽主。盼黠楚络澎襞丸袋 臻绫熬黪庶，必瓣离鼷终馕裁必矮扶臻下死个方鬻寒考您 1 孓o l ； 溅多秘蔽楚遴艨辫鼗摄麓裁靛捩羧，察壤一次鼗霉笺麟，惑薅声发送鼗 掇直接幽爆户察鹂复铡潮接弱硬传熬辍送缓渖隧孛，攘牧熬教糕童撩擞 蕊g 缀渖嚣簧粼瓤廷声攘瞧缓渖嚣。 2 ) 麓踅蛰淡臻魏，案藩鼗式式馥爝串苓祷婺懿爨熬，辩憾渗浚愁壤并锩。 3 ) 增强接器硬势热热议始毽珐畿，将土鼹游议渤艇薤专嬲疆簿潦建成。 2 ，s 、缝 瓣终涟逶熬没诗慧凝入装豢靛塞爱越势裁爨袋，零黎势繇了麟势嵌入式象筑 t n t e r n e t 蔑袋方褰瓣透蘩撬甏：蒸予嚣美淤莲予r t o s 瓣瀵蓿瓣凌方案。e m i t 弑 术可器黪熊搂墩入式设镰蘩天i m e m e t ，黎爨嚣骥黢簧袋蔡，嚣黎控裂舔应露，蕊 嚣藤缳有懿裳兹蒸予鼹装方寨熬蔽零。v x w o r k s 蹩集成了锌对寨辩瘦溺筏纯了瓣 t c p i p 黪议攘懿r t o s ，蕊子v x w o r k s 黪褒a 式添统潮络逮螯麟凌考察，麓爨莲 鬣提供熬瓣络藕搽按西上避蠢随绦盛霜野靛。 享誊从鼹磐懑逶洼、囊全熬、耱谣辫整、艘奉、胃扩震憋骞嚣绻枝了懿静 隽褰豹谯劣，总缡了藏缭纯嵌入霭系统静波霜褥烈和撬髑嵌入戒系统礴络通信穗 熬翡饔裳。 楚塞查兰璧兰兰鎏兰兰：望苎些堡垒茎墨塑篓堡墨垫型笙蔓兰矍垡一 3 ， 孳l 喜 第嚣章l if l u x 的t c p i p 安现分析与改进 t c p t p 蓬嚣藏为了i n t e l q l e t 枣餐上簿王娃褥礁，交予基予t c p i p 蠢广泛应瘸， t c p i p 的网络体黎逻埴结构不能潋变，即从网络编程者殷基于t c p i p 的应用模 蘩苓麓改变。辩瓣络荏麓瓣磷变，器痰势攀着太多嶷中予霹t c p i p 蛰蔽语法嚣葵 法的研究，如拥寒控制和流量控制等算法。本章通过分析t c p i