（测试计量技术及仪器专业论文）基于internet的可重构测控装置的研究.pdf

l 海人学硕上学位论文 摘要 现代测控任务不仅要求测控装置能够采集、处理各种模拟和数字信号，以及 控制各种执行单元，而且要随着应用环境的变化动态地改变输入输出物理特性， 以适应日趋复杂的工业现场测控需要。以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现，使 得对各种测控系统和工业系统进行远程控制、远程监视、远程访问以及远程数据 传送成为可能。 本文在介绍分析了几种嵌入式i n t e m e t 和可重构方案的基础上，提出了一种 科学合理的基于i n t e r a c t 的远程重构技术，并以此研制开发了基于i n t e m e t 的可 重构测控装置。文中主要阐述了基于i n t e r n e t 测控装置实现嵌入式i n t e m e t 的技 术背景和方案，笔者自行研制了以太网通讯控制模块，用以对测控装置进行远程 重构、控制和数据传输；介绍了如何用j t a g 和i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 技术实现测控装置的硬件和软件重构，给出了方案和实现过程。 基于i n t e m e t 的重构技术为现代测控装置提出了一种新的设计理念，即通过 i n t e m e t 远程对用户设计的目标系统重新配置硬件管脚定义、修改数字逻辑及模 拟电路功能，重新下载用户程序，在线地改变原目标系统对外功能和特性，这 新的理念必将对嵌入式测控装置的设计模式产生深远的影响。 关键字：嵌入式i n t e m e t ；t c p i p 协议；可重构；片上系统；j t a g v 海大学钡+ 学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c ei sn o to n l yr e q u i r e dt os a m p l ea n d d e a lw i t ha l lk i n d so fa n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l s ，c o n t r o lv a r i o u se x e c u t i v eu n i t s ，b u t t r a n s f o r mi t si n - o u t p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i cd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ef l u k y c o n d i t i o n w i t ht h er e a l i z a t i o no fn e t w o r k t e c h n i q u e ，r e p r e s e n t e db y e m b e d d e d i n t e r a c t ，i ti sp o s s i b l ef o ri n d u s t r yo rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mt o a c c e s s ，c o n t r o l ，s c o u t ，a n dt r a n s f e rd a t ai nr e m o t em o d e t h i s p a p e r i n t r o d u c e ds o m ek i n d so fm e t h o d so fr e a l i z a t i o no f e m b e d d e d - i n t e r a c ta n dr e c o n f i g u r a b l es y s t e m 。a 1 1 das c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l em e t h o d f o rr e c o n f i g u r a b l et e c h n i q u eb a s e do ni n t e m e ti sp r o v i d e di nt h i sp a p e r , w h i c hi st h e p r i n c i p l et od e s i g nt h er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c eb a s e do n i n t e m e t i ti se x p a t i a t e di nt h i sp a p e rw h a tt h es c h e m eo f e m b e d d e d i n t e m e tt e c h n i q u e i sr e a l i z e di nt h er e c o n f i g u r a b l en l e a s 眦r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c eb a s e do ni n t e r n e t a n dt h ep e n m a nf i n i s h e dd e s i g n i n gt h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm o d u l e w h i c hi su s e dt or e c o n f i g u r e ，c o n t r o la n dt r a n s f e rd a t ai nr e m o t em o d e i ti sa l s o i l l u s t r a t e dh o wt or e c o n f i g u r et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed e v i c ed e p e n d i n go n t h et e c h n i q u e so fj t a ga n di s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，o nw h i c ht h em e t h o da n d p r o g r e s sa r eb a s e d i ti sp r o v i d e du san e wd e s i g ni d e ab yr e c o n f i g u r a b l et e d m i q u eb a s e do ni n t e m e t ， o nw h i c hi ti sf e a s i b l et h a tr e c o n f i g u r e ，a l t e rd i g i t a lo ra n a l o gf u n c t i o no f u s e r so b j e c t d e v i c ei ns y s t e ma n dr e d o w n l o a du s e r sa p p l i c a t i o np r o g r a m i ti sb e l i e v e dt h a tt h e i d e a o u t l i n e da b o v ew i l lm a k ead e e pi m p r e s s i o no nt h ed e s i g no fe m b e d d e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e k e y w o r d s ：e m b e d d e d i n t e r a c t ；t c p i pp r o t o c o l ；r e c o n f i g u r a b l e ；s o c ；j t a g v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 象了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 戈撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 磊献均已在论文中作_ 明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 交有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 奠公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：恐至基导师签名：墨焦日期：匹! 至! 壁生d 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不 仅已开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器技术带来了自i 所 未有的发展空间和机遇，网络化测控技术与具备网络功能的新型测控装置应运而 生。另外，现代测控任务的要求能对各种测控系统和工业系统进行远程控制、远 程监视、远程访问以及远程数据传送，传统的单一、固定的测控越来越满足不了 复杂、远程( 异地) 和范围较大的测控任务的需求，因此，将以i n t e m e t 为代表的 网络技术与可重构技术相结合，将网络技术作为对可重构测控装置进行远程重构 的工具从而组建基于i n t e m e t 的可重构的测控系统意义深远。 在传统测控装置的设计中，一般采用的设计思想是以测试技术为核心，根据 装置所要实现的功能，大都是由数据采集、分析处理、控制以及人机交互等几部 分组成的。这些装置普遍存在一个突出的问题，就是设计生产出来以后，便有了 固定的功能，普通使用者便无法对其进行改变。这样，用户为了满足其测量多样 性的要求，便需要购买多种多样的专用测控装置；或者因为测控对象的改变而不 得不放弃原来的测控装置，从而重新购买以满足新的需求，这样不可避免地造成 极大的浪费。针对这种情况，我们提出并开展本课题的研究工作，把信息技术中 的可重构理论思想引入智能测控装置的设计中，力求解决这种问题。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 互联网逻辑重构i r l ( i n t e m e t r e c o n f i g u r a b l e l o g i c ) 是x i l i n x 公司针对i n t e m e t 异地重写p l d 提出的技术。它不同我们熟悉的软件编程，而是通过改变硬件逻 辑功能，来对系统重新编程。这项技术其实早在2 0 世纪6 0 年代就已经被人提出， 但由于i n t e m e t 和p l d 的限制，当时并没有得到重视及应用。随着i n t e m e t 技术 的成熟和广泛应用以及半导体工艺的发展，异地重构硬件已成为可能。互联网重 构技术将在很大程度上改变人们对硬件的看法，也将开辟硬件发展的新领域。通 海大学硕士学位论文 过i r l 技术，人们可以在任意远端p c 上通过i n t e r n e t 下载配置数据到嵌有p l d 的系统中，或者在线对系统进行诊断、监控和升级，而不必派人到现场，这将在 很大程度上减小工作量和开销以及节省时间，提高工作效率，也加快了产品的上 市速度，增强了用户产品的市场竞争力。 由于目前存在的大量测试、测控装置大多不具备网络接入功能，要组建网络 化的测控系统，就必须解决这些装置的联网功能，即开发网络化测控装置。通过 嵌入式i n t e r n e t 技术我们就可以将许多测试装置和系统连接到i n t e m e t ，从而实现 远程监测和远程数据采集，如图1 1 所示。 图1 1 设备网络化远程监测模型 本论文是以上海市科技委员会的一个科研项目为背景，对嵌入式i n t e m e t 技 术的实现以及基于i n t e m e t 的可重构测控系统中一些与重构和在系统编程相关的 关键技术进行研究，并在研究的基础上开发了测控装置的的软硬件，实现了既定 功能。 本课题实际上主要围绕两大关键技术展开研究，即嵌入式测控装置的 i n t e m e t 接入技术和测控系统的重构技术。本节首先简要介绍一下这两项技术的 国内外研究现状及发展趋势。 1 未来的测控系统将是基于网络化的 把t c p i p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场测控装置中，使信号的收、 发都以t c p i p 方式进行，如此测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方 面都以企业内部网络( i n t r a n e t ) 为依托，将测控网和企业内部网及i n t e m e t 互联， 便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中，传统测控装置充当 着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，使实时、动 墒 大学硕上学位论文 态、远程的在线测控成为现实，将这样的测控技术与过去的测控、测试技术相比 不难发现，今天，测控能节约大量现场布线、扩大测控系统所及地域范丽。使系 统护充和维护都极大便利的原因，就是因为在这种现代测控任务的执行过程中， 网络发挥了不可替代的关键作用，它介入了现代测控的全过程。 原则上讲，嵌入式测控装置只要转变为w e b 服务器，再加上t c p i p 网络协 议就可以上i n t e r n e t 网。原则是一个，具体实现的技术有多种多样。下面介绍 些国内外已经实现的方案，以窥一般。 o s i c o m 公司 磺发了n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 是比较正统的方案。它是使用r i s c 技术的4 0 m i p s 的a r m 7 微脑核( m i c r o c o r e ) ，加上以太网( e t h e r n e t ) ；使用下列 网络协议：t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据报协议) 、r a r p ( 反向地址转换协 议) 、i c m p ( 网际控制报文协议) ；还有下列关于i n t e m e t 网的高层软件协议： h t t p ( 超文本传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f t p ( 文件传输协议) ；再包 括p s o s r t o s ( 实时操作系统，i n t e g r a t e d s y s t e m 公司的操作系统) 等组成的s o c 。 a g r a n a t s y s t e m 公司 a g r a n a t s y s t e m 公司在嵌入式设备上创建了具有自己特色的e m w e b 服务器。 在h t m l 文本中嵌入c 语言程序对实时数据进行访问；为h t m l 增加了特殊标 记，使w e b 页上的动态数据与系统软件相接口；再把c 语言库中的t c p i p 揍议 和其它重要的i n t e r n e t 高层软件标准( 如h t m l ，x m l ，r v s a ，t c n 等) 合并 到e m w e b 服务器中去。所以，e m w c b 服务器名之为服务器，实含网络协议，功 能上是二合一的。e m w e b 服务器内部采取了许多独到的措旋，整体容量缩小到 2 5 k b y t e 以下，然而性能还有很大地提高。譬如它内置了状态机，支持h t m l 的 同时性多请求、图形元件的多接口和多用户同时请求。因为它独立于操作系统， 不需要多任务或多线程的支持。尽管如此，e m w e b 还是为了客户应用的方便而 提供了与著名工业级r t o s 的接口，譬如与v x w o r k 、p s o s 、c h o r u s 、n u c l e u s 等的接口。e m w e b 在开发时使用了复合功能的开发平台。在平台上可选用标准 w e b 工具，如m i c r o s o r 的f r o n t p a g e 、m a c r o m e d i a 的d r c a m w c a v e r 等；平台还 同时支持c 、j a v a 、j a v a s c r i p t 的编译和g i f 、h t m l 等文件格式。人机对话可用 w i n d o w s 或u n i x 图形界面。因为功夫下得较多，所以希望把e m w e b 固化于 l 海火学硕上学位论文 a s i c ，推广应用于家庭和工业自动化。 2 未来的测控系统将是可重构的 如上文所述，可重构测控装置能够对各种不同的测控对象进行信息采集和控 制，并且能应对用户的不同需求进行系统重构，不仅能够缩短设计开发周期，而 疆可以随测控对象的不同改变参数设置，充分利用硬件资源，因此必然是未来测 控系统的发展方向。 面对各种不同的测控对象和不同的测控需求，这就要求设计者要有针对性地 设计不同的嵌入式测控系统或测控装置，这无疑增加了设计者的工作量、设计周 期和设计成本。随着微电子技术的飞速发展，可编程逻辑器件p l d 的集成度、 功能、速度有了极大的提高，而成本却大幅度下降，使用者可以很方便地通过对 p l d 的编程实现逻辑功能的重构；1 9 9 9 年l a t t i c e 公司率先推出了高性能的可编 程模拟器件p a d ，使得p a d 能与p l d 一样，通过编程实现模拟电路的重构：近 年来嵌入微处理器核的片上系统( s o c ) 相继推出，如c y p r e s sm i c r o s y s t e m s 公 司的c y 8 c 系列、c y g n a l 公司的c 8 0 51 f 系列等等，这些片上系统不仅能实现硬 件的重构，而且还具有在系统编程( i s p ) 能力，它允许在制造过程和应用现场 对微控制器编程，从而实现软件的重构。因此若采用嵌入微处理器核的片上系统、 若干可编程逻辑器件p l d 和可编程模拟器件p a d 构成通用的测控装置平台，然 后利用软硬件重构技术，那么就能在这通用的测控装置的平台上构筑在某一领域 满足各种不同的测控对象、不同测控要求的各种各样的测控装置。 国内这方面的起步较晚，对于可重构测控器件的应用较多集中于可编程的数 字器件，由于结构复杂，国内测控和通讯领域的专家、学者更多的将之用于数字 图像处理等方面，而在可编程模拟电路、监控对象与i n t e m e t 的互联以及远程监 控方面的应用几乎没有，因此只是应用了s o c 的强大功能的一小部分。 可重构技术的应用已经从信息处理领域发展到生产制造业、航空电子领域、 网络领域、医疗卫生业等很多行业，并且显示了其特殊的优越性，在各个行业均 有着良好的应用前景。从目前我国以生产中低档测控装置为主的现状，以及国内 市场的实际情况来看，还没有这种设计思路的产品出现，相信这种装置沿这种思 路开发，对其软硬件资源进行扩充发展，会具有很广阔的市场前景。 海大学硕二e 学位论文 1 3 课题研究的主要目的、内容及预期效果 基于i n t e m e t 的重构技术提出了一种新的设计理念，即通过i n t e m e t 远程对 用户设计的目标系统重新配置硬件管脚定义、修改数字逻辑及模拟电路功能，重 新下载用户程序，在线地改变原目标系统的对外功能和特性，这一新的理念必将 对嵌入式测控装置的设计模式产生影响。 图1 2 基于i n t e m e t 的可重构装簧系统结构图 图1 3 基于i n t e m e t 的可重构装置软件综合处理流程 图1 2 和图1 3 分别是基于i n t e m e t 的可重构测控装鼍的系统结构图和软件综 合处理流程图。基于i n t e m e t 的可重构测控装置所构成的远程测控系统有三个层 j 二海人学硕士学位论文 次：现场级的就是本课题研究的核心可重构测控平台；通讯控制级的是以太 网通讯控制模块，作为可重构测控平台的远程重构和控制的工具；上位机则是 p c 机，用图形化用户界面( g u i ) 对测控系统进行管理和控制。 因此，本课题的总体目标是要将测控装置接入以太网，实现信息的远程采集 和控制同时提供给用户可重构的软硬件资源，以满足不同测控对象对资源的不 同需求。本装置以可重构性、网络化、交互性为特征，结构比较复杂，其主要研 究内容和要解决的主要技术难点有： 1 可重构测控装置的设计。由于基于i n t e m e t 的可重构测控装置的硬件资源 较多，有处理器、存储器、信息采集单元、控制单元和各种数据交互接口，功能 上涉及到信号采集、控制以及数据流的传输。因此需要对硬件资源进行选择、整 体规划和设计，满足常用测控的需要。 2 嵌入式以太网通讯模块的设计。如上文所述，将对嵌入式i n t e r n e t 技术进 行分析和研究，得出可行的方案将重构装置接入i n t e m e t 。 3 ，可重构装置的硬件和软件设计。要符合现代测控需要，硬件的设计就要充 分考虑硬件系统的可重构性。本装置采用j t a g 和i s p 技术，分别对测控装置的 硬件和软件进行重构；运用p s o c c p l d 、模块化设计来加以实现，如此使硬件 和软件具有可更改性，以满足不同测控对象对硬件资源的不同需求。 4 满足可重构需要的以太网通讯规程设计。 5 上位机测试软件的设计。在通讯规程的基础上，设计图形用户界面，使用 户能够实现远程控制。这部分主要包括提供给用户的功能函数、控制算法、接口 函数；为用户提供的h t t p 、f t p 、t f t p 、s m t p 等数据传输服务。 嵌入式i n t e m e t 和重构技术早在几十年前就有人提出，但将这两大技术相结 合并实际应用还不多见。本论文详细分析了测控装置重构的原理、硬件基础和软 件实现，自行设计了基于嵌入式i n t e m e t 技术的以太网通讯控制模块，并以此为 _ _ _ i = 具实现了远程重构测控装置的硬件管脚定义、修改数字逻辑和模拟电路功能和 重新下载用户程序。初步实现了课题的预期目标。结果表明，基于i n t e m e t 的可 重构测控装置不仅能够适应日趋复杂的工业现场测控需要，而且因为具备以上特 性，能够动态地改变输入输出物理特性，极大地节省了人力、物理和新产品的开 发周期，因此其潜在的社会效益和经济效益不可低估。 l 海大学坝士学位论立 第二章i n t e r n e t 接入方案及重构技术研究 2 1 t c p i p 协议简介 f c p i p 是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为t c p i p 协议族。它 是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发的网络体系结构和协议标 准，咀它为基础组建的i n t e m e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，f 凼为 i n t e m e t 的广泛使用，使得t c p ，i p 成了事实上的国际标准。之所以说t c p i p 是 “个协议族，是因为t c p f i p 协议包括t c p 、1 p 、u d p 、i c m p 、t e l n e l l 、f t p 、 s m t p 、a r p 等许多协议，这些协议一起称为t c p i p 阱议。以下是该协泌族中 一些常用协议的英文名称： t c p ( t r a n s d o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 传输控制协议 i p ( i m e m e t w o r k i n gp r o t o c 0 1 ) 网间网协议 u d p ( u s e r d a t a g r a m p r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议 i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 互联网控制信息协议 s m t p ( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 简单邮件传输协议 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g ep r o t o c 0 1 ) 简单网络管理协议 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输协议 h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 超文本传输协议 a r pf a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 地址解析协议 2 1 1t c p i p 协议模型 t c p i p 模型由四个层次组成，如图2 1 1 所示。 应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如文件传输访问、电子邮件等。 ，一格龅起来，t c p i p 协议只包括下三层( 不含硬件) ，应用程序不能算t c p ，i p 的 部分。就上面提到的常用应用程序，t c p ，i p 制定了相应的协议标准，所以也 把它们作为t c p 几p 的内容。事实上。用户完全可以在网间网( 即传输层之r ) ， 建立自己的专用应用程序，这些专用应飚程序要用到t c p i p ，但不属rt c w i p 建立自己的专用应用程序，这些专用应尾程序要用到t c p i p ，但不属于t c w i p e 海人学硕士学位论文 第二章i n t e r n e t 接入方案及重构技术研究 2 1t c p i p 协议简介 t c p i p 是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为t c p i p 协议族。它 是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发的网络体系结构和协议标 准，以它为基础组建的i m e m e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，币因为 i m e m e t 的广泛使用，使得t c p i p 成了事实上的国际标准。之所以说t c p i p 是 一个协议族，是因为t c p f i p 协议包括t c p 、i p 、u d p 、i c m p 、t e l n e t 、f t p 、 s m t p 、a r p 等许多协议，这些协议一起称为t c p i p 协议。以下是该协议族中 一些常用协议的英文名称： t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 传输控制协议 i p ( i n t e m e t w o r k i n gp r o t o c 0 1 ) n 间网协议 u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议 i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 互联网控制信息协议 s m t p ( s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 简单邮件传输协议 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g ep r o t o c 0 1 ) 简单网络管理协议 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 文件传输协议 h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 超文本传输协议 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 地址解析协议 2 1 1t c p i p 协议模型 t c p f i p 模型由四个层次组成，如图2 1 1 所示。 应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如文件传输访问、电子邮件等。 严格说起来，t c p i p 协议只包括下三层( 不含硬件) ，应用程序不能算t c p i p 的 一部分。就上面提到的常用应用程序，t c p i p 制定了相应的协议标准，所以也 把它们作为t c p i p 的内容。事实上，用户完全可以在网间网( 即传输层之上1 ， 建立自己的专用应用程序，这些专用应用程序要用到t c p h p ，但不属于t c p i p 海大学硕士学位论文 传输层提供的应用程序间( 即端到端) 的通信。其功能包括：( 1 ) 格式化信息流；( 2 ) 提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认信息 ( a c k n o w l e d g e ) ，并且假如分组丢失，必须重新发送。传输层还要解决不同应用程 序的识别问题，因为在一般的通用计算机中，常常是多个应用程序访问网间网。 为区别各应用程序，传输层在每一分组中增加识别信源和信宿应用程序的信息。 另外，传输层每一个分组均附带校验和，接收机以此校验收到的分组的正确性。 网间网层负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三个方面：( 1 ) 处理来自 传输层的分组发送请求：收到请求后，将分组装入i p 数据报，填充报头，选择 去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接曰。( 2 ) 处理输入数据报： 首先检验其合法性，然后进行寻径一假如该数据报已到达信宿地( 本机) ，则去掉 报头，将剩下部分( 传输层分组) 交给适当的传输协议；假如该数据报未到达信宿， 则转发该数据报。( 3 ) 处理i c m p 报文，处理路径、流控、拥塞等问题。 网络接口层是t c p i p 软件的最低层，负责接收i p 数据报并通过网络发送之， 或者从网络上接收物理帧，抽出m 数据报，交给口层。网络接口有两种类型。 第一种是设备驱动程序( 如局域网的网络接口) ；第二种是含自身数据链路协议的 复杂子系统。 豳2 1 1t c p s p 协议分层模型 海人学坝| j 学位论文 2 1 2t c p i p 协议族常用协议简介 1 t c p i p 与应用层 文件传输：t f t p ， f t p ，n f s l 电子邮件：s m t p 远程登录：t e l n e t 、r l o g i n 网络管理：s n m p 域名管理：d n s 2 t c p i p 与传输层 功能： 流量控制：由滑动窗口实现。 可靠性：由序号和确认实现。 传输层提供两种协议 t c p 面向连接的、可靠的协议。把报文分段，在目的站重新装配还原，重 新发送未被收到的段，在用户应用端之间t c p 提供了一个虚拟通路。 u d p ：无连接的，不可靠的协议。在u d p 层未对发送段进行软件校验。 t c p 段格式( 有1 2 个字段) 源端口：呼叫方端口号 目的端口：被叫方端口号 序号：数据顺序编号 确认号：所期待的下一个t c p 字段的编号 报头长度：报头的字数( 字长为3 2 位) 保留域：设置为0 编码位：控制功能( 如会话的建立和终止) 窗口：发送者愿意接收的字节数 校验和：报头和数据字段的校验和 紧急指针：指明紧急数据的末尾 选项：t c p 段的最大值 数据：上层协议数据 端口号 ：海大学硕十学位论文 功能：用来跟踪同一时间内通过网络的不同会话。 标准端口：f t p2 1 ，t e l n e t2 3 ，s m t p2 5 ，规定低于2 5 5 的端口号用于系 统和公共应用；2 5 5 1 0 2 3 的端口号用于各公司的销售应用；高于1 0 2 3 的端口 号供应用程序。 t c p 三次握手，建立连接 目的：两个终端工作站要进行通信，必须建立或初始化一个t c p 连接，而 且各自的初始序号需要同步。初始序号用于确保包传输时无数据丢失或恢复数 据。 同步过程：带有初始序号和s y n 控制位的数据段的相互交换来实现，任何 方都可开始通信或终止通信。 要求：同步各方需发送自己的初始序号或发送一个确认应答，并接受另一方 发送的一个确认和初始序号。 窗口技术和确认 当一台主机发送了一个窗口大小的字节数后，必须等到接收了一个应答后才 能继续传送数据。窗口的目的是改善流量控制和可靠性，并能有效利用带宽。在 t c p 会话过程中，可以动态地修改窗口的大小，以在等待确认期间发送更多数据。 t c p 序号和确认号 t c p 为有序发送的段提供一个前向参考确认号，每个数据段在发送前都赋予 一个编号。在接收站，t c p 把分开的段重新装配为一个完整的报文，如果丢失一 个序号，则要被重发。在给定的时间内，没有得到确认的段，也要被重发。序号 和确认号是有方向性的，序号是相互独立的。 t c p 数据包的结构如表2 1 1 所示 07 1 5 3 源端口目的端口 序号 确认序号 首部长度保留标志窗口 校验和紧急指针 可选项 数据 表2 1 1t c p 数据包的结构 1 0 l ：海人学硕上学位论文 u d p 特点：无窗口技术，不用确认，应用层保证可靠性，适用于不需要把有序段 重新装配的应用。使用u d p 的应用层协议：t f t p ， s n m p ， n f s ，d n s 。 u d p 报头：源端口、目的端口、长度、校验和 3 ，t c p f l p 与网络层 t c p i p 网际层对应于与o s i 网络层的协议：i p ， i c m p ， a r p ， r a r p i p 数据报的功能是对数据报进行无连接的最优的传送路由选择。格式为： 版本号 报文长度：以字为单位 业务类型：数据报的处理方式 总长度：报头和数据总长度 标识、标记、片偏移：对数据报进行分片，允许有不同的m t u 生存时间t t l ：数据报报头的存活时间，一旦该计数为0 ，便丢掉该包，防 止无限寻址 协议：第4 层的协议号，t c p ：6 ；u d p ：1 7 报头校验和：保证报头数据的完整性 源i p 地址和目的i p 地址：3 2 位 i p 选项：网络测试、调试、保密及其它i p 数据报的报文格式如表2 1 2 所示 o371 52 0 版本 首部长度 服务类型 总长度 标识标志片位移 生存时问 协议 首部校验和 源地址 目的地址 可选项 数据 表2 1 2i p 数据包的格式 2 2 可重构装置接入i n t e r n e t 方案研究 嵌入式i n t e m e t 的实现根据使用环境、使用条件、选用的微处理器等的差别 而有所不同，实现的功能也各有不同。下面本人在就国内外有关技术和文献所作 研究的基础上，提出几种较有代表性的嵌入式i n t e r n e t 实现方案。 i 一海大学硕士学位论文 2 2 1 用专用协议来完成系统与网关问的协议转换 该方案利用e m w a r e 公司开发的e m i t 技术，如图2 2 1 所示。根据e m w a r e 公司的电子设备网络协议，在应用系统的单片机内部使用e m n e t 协议，再通过 e m g a t e w a y 与i n t e m e t 网连接。该方案由于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在 p c 机上实现的，应用系统m c u 只使用较简单的e m n e t 协议，因此对m c u 的 要求较低，但应用系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口。m i c r o c h i p 公司和p i l i p s 公司都在此基础上有相关的产品开发平台。 图2 2 1e m i t 方案 e m i t 技术主要有以下三个部分。 1 e m m i c r o 是适合小型电子设备的微型网络服务器。e m m i c r o 留在嵌入式设 备中，是e m g a t e w a y 和嵌入式设备系统软件之间的通信服务模块。e m m i c r o 占 用的字节可以小到t k b ，和e m g a t e w a y 一起，为8 位和1 6 位嵌入式设备提供网 络服务器功能。 2 e m g a t e w a y 是e m i t 分布式网络平台的关键，是轻量级设备( 如r s 一2 3 2 ， r s - 4 8 5 ，c a n 等) 和大型高性能i n f h ( i n l r a n e t ，i n t e m e t ) 之间的桥梁。e m g a t e w a y 提供e m m i c r o 没有包括的网络功能，并且可以与多种用户界面连接，如网络浏 览器、数据库、应用程序等。e m g a t e w a y 可以驻留在p c 、单板机、i s p 服务器 或3 2 位以上的嵌入式处理器上。 3 网络浏览器使用e m o b j e c t s ( 预先建立的j a v a 对象，能够实现从标准网络浏 览器中访问和控制嵌入式设备) 进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。 i 一海 学硕士学位论文 2 2 2 用专用芯片来完成c p u 与网关间的协议转换 在电子设备中内置一块专用的网络接口芯片，将其作为嵌入式设备连接到 i n t e r n e t 网上的桥梁。芯片独立于各种微控制器m c u ，通过标准的输入、输出几， 与所有的微控制器相接。这样微控制器可以通过芯片接收经由i n t e m e t 远程传来 的命令，或将些数据交给芯片发送出去，实现电了设备的智能化。下坷以武汉 力源公司丌发的w e b c h i p 网络接口芯片p s 2 0 0 0 为例说明此方案。m c u 应用系 统通过w e b c h i p 网络接口芯片与g a t e w a y 连接，再进入i n t e m e t 网。w e b c h i p 内 部固化了m g u n e t 协议，并与e m g a t e w a y 和o s g i 协议兼容。应用系统设计时 不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e b e h i p 传送过来的指令和数据就可 以实现与i n t e m e t 的网络连接，原理如图2 22 所以。 图2 2 2 专用芯片w e b c h i p 方案 w e b e h i p 的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 e h i p 送来的命令。w e b c h i p 与 m c u 之间的命令有1 7 条。 w e b e h i p 主要由以下4 个部分组成： 1 w e b e h i p 与g a t e w a y 通信及其通信控制单元。通过控制字可选择通信电路 类型，如r s 2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，m o d e m 等。 2 协议转换层。在这个转换层中，完成数据包的识别，校验，有效数据的提 取和判断等。 3w e b c h i p 与m c u 通信及其通信控制单元。 4 中央控制单元。控制以上3 个单元的协调运行，完成对w e b e h i p 的管理。 海人学硕士学位论文 w e b c h i p 主要引脚功能如图2 2 3 所示。 图2 2 3w e b e h i p 主要引脚功能 2 2 3 以太网模块接入方案 以太网模块接入方案是由s o c 片上加上以太网接口芯片组成。系统内部支 持t c p i p 协议，在系统中加上以太网接口芯片通过以太网接入i n t e r n e t ，硬件电 路相对简单。s o c 系统内部实现t c p i p 协议，采用嵌入t c p i p 协议的方法。由 于内部实现了t c p i p 协议，故s o c 系统需要较大容量的程序存储器，而且要求 m c u 有一定的运算速度。l a t t i c e 公司的s o c 芯片、u b i c o m 公司的s x s t a c k 等 芯片的推出，为这种方案的实现提供了方便。 图2 2 4s o c 应用系统以太网接入方案 图2 2 4 给出的是利用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 片上系统实现嵌入式i n t e r n e t 的以太网接入方案的硬件结构。其中选用的主要芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 是c y g n a l 集成产 品公司生产的一款完全集成的混合信号系统级芯片( s o t ) ，具有与m c s 5 l 指令集 完全兼容的高速c i p 一5 1 内核；峰值速度可达到2 5 m i p s ；在一个芯片内集成了构 l 海大学硕0 学位论文 成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功 能部件( 包括p g a 、a d c 、d a c 、电压比较器、电压基准、温度传感器、1 2 c 、 u a r t 、s p i 、定时器、可编程计数器定时器阵列、内部振荡器、看门狗定时器 及电源监视器等) ；具有大容量的可在系统( s p ) 和在应用( 1 a p ) 编程的6 4 k f l a s h 存储器和4 3 5 2 b y t e 的r a m ；以太网控制器选用r t l 8 0 1 9 a s ，它是r e a l t e k 公司出 品的一种全双工以太网控制器，自带1 6 k b 的s r a m ，工作在e t h e r n e ti i 和 i e e e 8 0 2 - 3 、1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t 下，与n e 2 0 0 0 兼容；选用a t m e l 公司生 产的一种串行1 m b l y t e 的f l a s h 存储器a t 4 5 d b 0 8 1 来存储w e b s e r v e r 的网页信 息，它采用c m o s 工艺，通过3 根数据线和外界通信，兼容s p i 总线接口，可设为 硬件写保护，数据从页存储区到缓冲区只要1 2 0 郎的传输时间，超低运行功耗； 常用于保存数字音频、图像文件和数据存储；存储器采用i s 6 2 l v 2 5 6 8 低输入电 压低功耗s r a m ( 2 5 6k x8 b i t ) ，而时钟则采用具有1 2 c 接口的日本精工日历时 钟s 3 5 3 0 a 。当然，它不能像p c 上w e b s e r v e r 中的硬盘那样可以存储大量的页面， 它的容量决定了w e b s e r v e r 的资源文件的大小。 2 2 3 1 以太网通讯的硬件实现 如前所述，系统的m c u 完成主要的控制工作，而网络接口控制器( n i c ) 则是网络协议实现的物理媒介及系统与外部通信媒介之间的接口。系统要实现数 据传输，