（计算机应用技术专业论文）可配置嵌入式TCPIP协议栈研究与实现(1).pdf

中文摘要 摘要 随着i n t e m e t 的发展，t c p i p 已经成为通信领域事实上的国际标准。嵌入式系 统通过嵌入式t c p i p 协议栈连接i n t r a n e t ，甚至i n t e m e t ，将具有更好的实用性和 巨大的经济效益。在对当前国内外嵌入式t c p i p 协议栈产品现状进行调研的基础 上，自主研发了可配置的嵌入式t c p ，i p 协议栈v i p 协议栈。本论文对a r p 、 i p v 4 、i c m p v 4 、u d p 、t c p 等几个协议进行详细剖析，包括协议可配置性分析， 并阐述v i p 协议栈的实现思路及方法。 v i p 协议栈采用分层体系结构，严格按照r f c 国际标准，用a n s ic 实现， 没有任何私有协议，也没有做任何假设，从而确保协议的完整性和一致性。v i p 协议栈在设计上充分考虑了移植性，整个协议栈架构在系统抽象层之上，通过系 统抽象层屏蔽掉硬件体系结构、底层嵌入式操作系统以及编译器等的差异。 由于8 位微处理器资源极其有限，而且考虑到用户的需求会有很大差异，因 此一方面为了保证能在8 位微处理器上可运行，另一方面并不仅仅局限于8 位微 处理器，而同样可以满足1 6 位，乃至3 2 位微处理器的高端需求，v i p 协议栈在设 计上强调细粒度的可配置性。 v i p 协议栈不仅强调可配置性，而且在可配置的基础上也强调可用性。许多嵌 入式t c p i p 协议栈的可用性就比较差，因为它们要求与其通信的另端的t c p i p 协议栈只能是传统的完整t c p i p 协议栈，而不能也是和它一样的嵌入式t c p i p 协议栈。v i p 协议栈强调可配置性，但是对于必要功能将不允许配置，同时对可配 置的各个功能机制之间进行了约束控制，从而保证v i p 协议栈的可用性。 在嵌入式系统中，存储器是非常宝贵的资源，尤其对于8 位微处理器而言， 通常只有几百个字节的r a m ，或者几千字节的r a m 。为了最大限度地提高存储 管理的灵活性和高效性，v 协议栈采用自己独特的存储管理机制。 v i p 协议栈允许针对特定的体系结构进行优化。在v i p 协议栈实现中，对特 别耗时的一些功能做了宏定义，允许用户根据目标体系结构采用汇编等方式重新 实现这些功能，从而达到较好的优化效果。 目前，v i p 协议栈在x 8 6 体系结构下做了比较全面的测试，并对上述各协议分 别给出了测试结果及其分析。 关键词：嵌入式系统，嵌入式t c p i p ，协议栈，t c p i p ，可配置 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t t c p ，口h a sv i r t u a l l yb e c o m et h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r di nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d i ft h ec o n n e c t i o n ，b ym e a n so fe m b e d d e dt c p i p s t a c k ，b e t w e e nt h ee m b e d d e ds y s t e ma n di n t r a n e t , e v e ni n t e r n e tc a nc o m et r u e ，t h e e m b e d d e ds y s t e mw i l lb em u c hm o r ep r a c t i c a la n db r i n ga b o u te n o r m o u se c o n o m i c b e n e f i t s b a s e do nt h er e s e a r c ha n ds t u d yo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ee m b e d d e d t c p i ps t a c kp r o d u c t sh o m ea n da b r o a d ，i n d e p e n d e n t l yt h ec o n f i g u r a b l ee m b e d d e d t c p i ps t a c k v ps t a c kh a sb e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ov i ps t a c k , t h i sp a p e r e x p a t i a t e so na r p 、p v 4 、i c m p v 4 、u d p 、t c pa n do t h e rp r o t o c o l s i n c l u d i n ga n a n a l y s i so fp r o t o c o lc o n f i g u r a t i o n a n da l s oo f f e r st h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do fv i p s t a c k v i ps t a c k ，州mt h ea d o p t i o no f l a y e r e da r c h i t e c t u r e ，c a l lb ec a r r i e do u tb ym e a n so f a n s icl a n g u a g e s t r i c t l ya b i d i n gb yi n t e r n a t i o n a lr f cs t a n d a r dw i t h o u ta n yp r i v a t e p r o t o c o la n da n ya s s u m p t i o n ，s oa st oe n s u r ei n t e g r a l i t ya n dc o n s i s t e n c yo ft h ep r o t o c o l s t a c k i nt h ea s p e c to fd e s i g nv i ps t a c kt a k e sf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h ep r o p e r t yo f t r a n s p l a n t a t i o n t h ew h o l ev i ps t a c ks t a n d so nt o po ft h es y s t e ma b s t r a c tl a y e r ，w h i c h e l i m i n a t e st h ed i f f e r e n c e so fh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n d c o m p i l e r s t a k i n gt h e l i m i t e dr e s o u r c e so f8 - b i tm c ua n dg r e a td i s p a r i t yi nc l i e n t s r e q u i r e m e n t si n t oa c c o u n t ，t h ed e s i g no f v i ps t a c kl a y se m p h a s i so nt h ef i n eg r a n u l a r i t y c o n f i g u r a t i o n ，o nt h eo n eh a n dt om a k ev i ps t a c kp o s s i b l et or u no n ，a n do nt h eo t h e r h a n dt om e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sn o to n l yo f8 - b i tm c u ，b u ta l s oo f1 6 _ b i tm c u ， e v e no f 3 2 b i tm c u v i ps t a c ke m p h a s i z e sn o to n l yt h ec o n f i g u r a t i o n b u ta l s ot h ea v a i l a b i l i t y t h e a v a i l a b i l i t yo fm a n ye m b e d d e dt c p i ps t a c ki sn o tv e r yg o o d ，b e c a u s eo fi t sd e m a n d s f o rt h et r a d i t i o n a la n dc o m p l e t et c p i ps t a c ko na n o t h e rs i d eo f t h ec o m m u n i c a t i o n ，n o t t h es a m ee m b e d d e dt c p b pp r o t o c o ls t a c kj u s ta st h e m t h o u g hv i ps t a c ks t r e s s e s c o n f i g u r a t i o n ，i ti sn o ta l l o w e dt oc o n _ f i g u r ef o rt h o s en e c e s s a r yf u n c t i o n s ，a n ds t r i c t l y c o n s t r a i n st h em e c h a n i s ma m o n gt h ec o n _ f i g u r a b l ef u n c t i o n st om a k es u r et h e a v a i l a b i l i t yo f v i ps t a c k i ne m b e d d e ds y s t e m ，m e m o r yi sv e r yv a l u a b l e ，e s p e c i a l l yf o r8 - b i tm c u ， c o m m o n l yw i t l laf e wh u n d r e db y t e s o raf e wkr a m t h eu n i q u em e m o r y i i i 重庆大学硕士学位论文 m a n a g e m e n tm e c h a n i s mh a sb e e na d o p t e di nv i ps t a c kt oi m p r o v ea g i l i t y a n d e f f i c i e n c yo f m e m o r ym a n a g e m e n tt oag r e a t e rd e g r e e s o m es p e c i f i ca r c h i t e c t u r ei sa l l o w e dt ob eo p t i m i z e di nv 口s t a c k ht h e i m p l e m e n t a t i o no fv i ps t a c k ，m a c r od e f i n i t i o n sh a v eb e e ng i y e nt os o m ef u n c t i o n s ， w h i c hn e e dm o r et i m et or u n ，a n dc l i e n t sa r ep e r m i t t e dt op e r f o r mt h e s ef u n c t i o n sa g a i n 丽也t h ea d o p t i o no fa s s e m b l yb a s e do nt h et a r g e ta r c h i t e c t u r ef o ro p t i m i z a t i o n n o w , v i ps t a c ki sc o m p r e h e n s i v e l yt e s t e di nx 8 6a r c h i t e c t u r e ，a n dr e s u l t sa n d a n a l y s i so f f e r e do f e a c hp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dt c p 1 ep r o t o c o ls t a c k ， t c p i p , c o n f i g u r a b l e 1 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 建筑智能化是信息化社会各类建筑发展的必然趋势。建筑智能化的核心是系 统集成，而系统集成的关键是各种设备、系统的网络集成。在智能大厦和智能住 宅小区中，除了传统意义上的桌面计算机的网络互连外，在各建筑智能化子系统 之间，建筑智能化子系统内部管理层与现场控制层之间以及各种现场智能化仪表 ( 如智能传感器、智能控制器等) 之间，也必然逐步地要求高度且无缝集成，因 为高度的集成才能实现高度的智能。 随着工业以太网技术的不断深入发展，可以预见在不久的将来工业以太网将 以其很好的性价比逐步占领市场1 3 1 。很自然，在工业以太网上互连各种现场智能化 仪表必然需要相应的通讯机制。目前，随着因特网的普及，t c p i p 协议已经成为 事实上的网络互连协议标准。因此，在各种现场智能化仪表互连时，采用标准的 t c p ，i p 协议，好处十分明显，无论是价格方面，还是设备互连的便捷性以及控制 网络与信息网络的集成等方面都具有巨大的优势。而且，一旦通过t c p i p 对现场 智能化仪表进行互连后，就可方便地实现通过因特网远程对现场智能化仪表进行 各种监控1 4 】。但是，现场智能化仪表和普通的桌面计算机有着显著的不同，它们的 计算资源非常有限。传统t c p 仰协议栈( 包括桌面p c 和服务器中的t c p i p 协议 栈以及一般的基于3 2 位的嵌入式t c p m 协议栈等) 的实现需要大量的存储器资 源。这是因为一方面这些实现的代码量偏大，另一方面在运行时也要耗用大量内 存。这种需求对于存储资源有限的8 位和1 6 位系统而言将无法满足。因此传统的 t c p i p 协议栈不能满足这种需求。因此必须开发使用嵌入式t c p i p 协议栈。目前 各种现场智能化仪表中多采用低端的8 位微处理器，原因很明显，价格比较便宜。 在整个微处理器市场中，8 位微处理器市场仍然十分活跃，占据着绝对统治的地位。 专门从事半导体行业市场研究的s e m i c o 研究公司分析：尽管到2 0 0 6 年，1 6 位和 3 2 位微处理器的销售额越来越大，但是8 位微处理器的发货量仍保持平稳，比前 二者的总和还要多，仍将达到6 0 。所以，一般的嵌入式t c p i p 协议栈也难以满 足这种需求。 1 1 2 研究意义 生产厂商对于每一分钱的成本都会在意，绝不会为了给产品增加连网功能， 就随便提高微处理器的档次。目前，3 2 位微处理器的市场价格在1 5 3 0 美元，1 6 位和8 位微处理器的价格范围分别为6 1 2 美元和l 4 美元。假如国内年产1 0 0 0 重庆大学硕士学位论文 万个智能化仪表( 或嵌入式设备单元) ，使用8 位微处理器，每年将节省至少3 亿 元人民币。 如果能够在8 位微处理器上很好地实现可配置的嵌入式t c p i p 协议栈，必将 对我国智能建筑业、信息家电业、工控领域等很多领域的可持续发展发挥积极作 用，并具有巨大的经济效益。 1 2 国内外研究现状 随着以太网的迅猛发展，加上现场总线群雄割据局面的形成，考虑到成本、 通用性以及互操作性等方面，以太网已经逐步深入到工业控制、楼宇自动化以及 家庭自动化等领域【3 1 。以太网的发展又进一步带动嵌入式t c p i p 协议栈的迅速发 展【4 】。 到目前为止，国内外对嵌入式t c p i p 协议栈的研发已经做了不少的工作。目 前己经存在的t c p i p 协议栈大致可分为两大类：一类沿用了b s dt c p i p 协议栈 实现思路；而另一类则是完全与b s dt c p i p 协议栈无关的独立的实现。 由于b s d 协议栈最初是针对工作站设计的，而并非是针对嵌入式设备设计的。 因此，沿用了b s dt c p i p 协议栈实现思路的一类嵌入式t c p i p 协议栈通常都比 较复杂，而且代码也比较大，所以一般都定位在3 2 位微处理器。 另一类完全与b s dt c p i p 协议栈无关的实现通常都对通信环境做了某些假 设，从而可以使用简化的模型来实现t c p i p 协议栈。在这些假设中，通常都假设 嵌入式t c p i p 协议栈，将只会与那些具有完整标准的t c p i p 协议栈的系统，如 p c ，进行通信。通过依赖于远端完整的标准t c p i p 协议栈，一个简化的t c p i p 模型也可以进行通信。但是，如果远端也是一个简化的嵌入式t c p f l p 协议栈，通 信就很可能会失败。这类t c p i p 协议栈一般都定位在1 6 位，甚至8 位微处理器。 在t c p ，口模型的简化上，最通常的简化方法就是针对一个具体的应用，比如 w e b 服务器，来简化t c p p 协议栈。以w e b 服务器应用为例，由于w e b 服务器 不使用t c p i p 协议栈的紧急数据功能，也不需要维持活动连接( h t t p i 0 协议不 需要活动连接，而h t t p l 1 协议允许使用活动连接来提高性能) 。因此针对w e b 服务器应用来开发一个嵌入式t c p f l p 协议栈，前述功能就不需要实现，从而简化 了协议栈的实现。 1 2 1 国内研究现状 在国内，仅有一两家公司自主开发了嵌入式t c p i p 协议栈，但是这些产品也 都不能在8 位微处理器，甚至一些1 6 位微处理器上工作。 北京科银京成的d e l t a n e t 是一个自主开发的嵌入式t c p i p 协议栈。利用 d e l t a n e t ，开发人员可以为一个嵌入式电子设备增加网络功能。d e l t a n e t 符合 2 1 绪论 t c p i p 协议工业标准，可以同时支持多个应用任务进行并行的网络通讯。在体系 结构上，d e l t a n e t 采用了标准的t c p i p 协议分层结构，并为开发人员提供了标准 s o c k e t 编程接口。d e l t a n e t 本身也是一个可以配置的t c p i p 协议栈，借助科银京 成的l a m b d a t o o l 工具，开发人员可以对d e l t a n e t 进行配置，用户既可以配置 自己所需要的网络组件( 如d n s 、d h c p 等) 或硬件支持，也可以根据具体的需 要配置一些相关的网络参数( 如i p 地址、网关、拨号串等) 。 4 h 目前支持的平台包括a r m 7 、s t r o n g a r m 、x 8 6 、m p c 8 6 0 等，表1 1 列出了 在不同平台上运行p i n g h o s t 演示程序时，d e l t a n e t 占用内存资源的实际情况( 单 位：字节) 。【4 1 】 表1 1d e l t a n e t 占用内存情况 t a b l e1 1d e l t a n e t m e m o r yu s a g e f f a r m 7 m p c 8 6 0 s t r o n 酣。r m f 。8 6 c o d e i l o x l e d c 2o x 2 2 6 8 ao x l f d 2 eilo x l b 4 f 4 b s s0 x 2 a 3 1 4o x 2 a 2 2 0o x 2 a 31 4 |1 o x 2 a 2 d 4 d a t a 1 o x l 4 a 4o x l 4 a do x l 4 a 4lo x l 4 e o 由上可知：科银京成的d e l t a n e t 的配置性粒度太粗，代码尺寸太大，运行时 资源要求过多，因此其不可能在8 位微处理器，甚至一些1 6 位微处理器上运行。 表1 2h o p e n o s 支持的硬件平台 t a b l e1 2h o p e no ss u p p o r t e dh a r d w a r ep l a t f o r m 类别型号 x 8 6n s c 、i n t e l 、a m d 、s t f l a - r j s cw i n b a n dw 9 0 2 1 0 ，w 9 0 2 2 l 3 2 b i tr i s ce p s o ne o c 3 3 x x x i b mp p c4 0 1 4 0 5 、m o t o r o l a p p c8 2 3 p p c p o w e r p c 8 6 0 a r mh y i n 寸d a r m 7 s 仃o n g a r m i n t e ls a 一1 11 0 m i p sn e cv r 4 18 1 、t e l e c r u z et c 7 0 2 6 8 x x x m o t o r o l a d r a g o n b a l l 6 8 e z 3 2 8 6 8 v z 3 2 8 m c o r em o t o r o l am c o r e2 0 0 l 重庆大学硕士学位论文 北京凯思吴鹏软件工程技术有限公司的h o p e no s 是国内比较知名的嵌入式 操作系统，其中h o p e nn e t 就是其自带的一个嵌入式t c p i p 协议栈。h o p e no s 是 一种运行在1 6 3 2 位微处理器上的实时多任务嵌入式操作系统，h o p e nk e r n e l 是该 操作系统的核心部分。h o p e no s 是按照嵌入式系统的要求设计的一个操作系统， 由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心 h o p e n k e r n e l 一般为1 0 k b 左右大小，即便加上其它必要的模块，所占用的空间也 很小，且不失其实时、多任务的系统特征。由于它的高度灵活性，使用者可以很 容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。表 1 2 给出了h o p e no s 支持的硬件平台。1 4 0 j 很明显，由上可知，h o p e no s 也不可能在8 位微处理器上运行。 1 2 2 国外研究现状 目前，国外已经开发了好几个关于这个领域的产品，在这些产品中，一般都 有所定位，即不是针对嵌入式领域的各个层面。对于一些简单的应用，这些协议 栈显得过于庞大复杂；而对于另外一些复杂的应用，这些协议栈有时又显得力所 不及。而且，这些产品中多数并不能很好地在8 位微处理器上工作。 在2 0 0 1 年，c m x 公司发布了m i c r o n e t 协议栈。m i c r o n e t 是一个商业的嵌入 式t c p i p 协议栈。其代码尺寸在3 k 2 0 k ，其配置粒度相对较细，从而能够较好 的在8 位微处理器和1 6 位微处理器上运行。m i c r o n e t 就目前而言，可以说是国际 上在针对8 位微处理器做得最好的产品之一。但是其在配置粒度上，仍然还有进 一步细化的空间。【4 列 i n t e r n i c h e 公司的n i c h e l i t e 协议栈也是一个商业的嵌入式t c p i p 协议栈。其 代码尺寸1 2 k 左右。其配置粒度较粗，从其技术参数来看，n i c h e l i t e 协议栈偏大， 而不能很好地在8 位微处理器上工作。 在开源项目中，u i p 是一个比较知名的针对8 位微处理器的嵌入式t c p o p 协 议栈，到目前为止，u l p 协议栈最新版本为0 9 。u i p 作为一个开源项目，其在体系 结构上太过杂揉，也就是t c p 、i p 协议交错在一起进行实现。固然这种紧凑的结 构能够节省一定的代码尺寸和运行资源，但是牺牲的是整个协议栈的灵活性，可 维护性和可配置性。其实采用分层的体系结构，在可配置性下足功夫，一样可以 达到节省代码尺寸和运行资源的目的，从整体来看，获得的好处要多得多。 1 3 研究的目的、内容及技术路线 1 3 1 研究目的 本文的研究目的就是通过研究分析t c p b p 协议栈的可配置性问题，推动 t c p i p 协议栈在各种控制领域，信息家电领域，包括智能建筑领域的深入应用。 4 1 绪论 l - 3 2 主要研究内容 本文的研究内容包括以下几个部分： 1 研究t c p i p 协议栈的可配置性； 所谓可配置性就是协议栈功能的高度模块化，可以根据实际需求进行相应的 功能组合来产生恰好满足需求的协议栈；而且在对协议栈可配置性的研究中，尽 可能做到细粒度可配置性。所谓细粒度可配置性，就是研究对单个协议内部的各 个功能子模块的可配置，而不仅仅是多个协议的不同组合的可配置。这需要对每 个协议内部各个子功能进行耦合度分析，尽量使各个子功能之间的关系为松耦合， 最终达到真正意义上的按用户需求进行配置，而且只有如此，才能在资源极其稀 少的8 位微处理器上工作。 2 根据协议栈可配置性的研究结果，进行相应的分析和设计，从而开发和测 试能够基于8 位微处理器的嵌入式t c p i p 协议栈。 根据i e t f 的t c p i p 协议标准，采用a n s ic 至少实现t c p 、u d p 、i p v 4 、 i c m p v 4 、a r p 等5 个协议。同时，在具体实现时尽可能减少对计算资源，如r a m 的要求，尽可能在细粒度上实现各个协议的可配置。 1 3 3 技术路线 考虑到可移植性和性能等因素，将采用a n s ic ，遵循t c p i p 国际标准来设计 和实现可配置的嵌入式t c p i p 协议栈。 采用自底向上方法分析、设计和实现。对于框架的设计开发，采用迭代增量 式方法，从而不断完善框架，确保框架的合理性和灵活性。在具体实现时，为了 更好的控制可配置性，在代码编写上采用数据隐藏方法，从而达到一定的封装效 果。 具体的研发实施步骤如下： 2 嵌入式系统及嵌入式互联网 2 嵌入式系统及嵌入式互联网 2 1 嵌入式系统 通用计算机具有计算机的标准形态，通过安装不同的应用软件，从而应用在 社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐 藏在各种装置、产品和系统中，其典型的如微处理器和d s p 等。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、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。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是 由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船 舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式计算机与家用电器及各种工业设备的结合使计算机像现在的马达一样成为 无处不在的部件。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国嵌 入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式 计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。 美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，福特出售的“计算能力”已超 过了i b m ，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加 州圣何塞举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e m e t 成为一个技 术新热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电 脑1 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院 士9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术 一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 2 1 1 嵌入式系统的特点和要求 1 1 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 重庆大学硕士学位论文 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 等几家公司。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 l 和i n t e l9 0 年代初建立的联 盟1 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。 嵌入式系统种类繁多，应用不胜枚举，嵌入式系统领域的产品、技术和应用层出 不穷。而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。 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。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产 品开发。 2 1 嵌入式系统产品的特征 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。嵌入式处理器的功耗、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。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯 片配置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 此不同的处理器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，可以随意更换， 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长。另外，各个行业的 应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，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。 2 嵌入式系统及嵌入式互联网 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。 3 ) 嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 ( 1 ) 软件要求固化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加， 但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求程 序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 ( 3 ) 系统软件( 0 s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度 是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和没有效 率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时 性是基本要求。 ( 4 ) 嵌入式系统通常要求配备标准的一种或多种网络通信接口 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备标准的一 种或多种网络通信接口，相应需要t c p i p 等协议软件支持；许多嵌入式设备还需 具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应 的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如 w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器。 ( 5 ) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。 4 1 嵌入式系统的开发工具和环境 通用计算机具有完善的人机接口界面，在上面增加一些开发应用程序和环境 即可进行对自身的开发。嵌入式软件的开发方式不同于通用的计算机软件开发方 式。嵌入式系统软件开发一般采用交叉开发方法，在u n i x 或w m d o w s 主机平台上 开发与之连接的目标机。开发环境包括自己的可剪裁的微内核实时多任务操作系 统，主机上的编译、调试、查看等工具，以及利用串口、网络、i c e 等主机与目标 机的连接工具。特点是有各种第三方的开发工具可以选用，像逻辑分析仪、 b d m j t a g 调试器、仿真器、代码测试工具、源码分析工具等，支持多种目标机 体系结构，支持多处理器并行开发。 重庆大学硕士学位论文 5 ) 嵌入式系统软件需要r t o s 开发平台 通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接n ( a p i ) ，是计算机基本组成不 可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在o s 平台上面运行，但一 般不是实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运 行：但是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库函数接 口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠 性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发人员以应用专家为主 通用计算机的开发人员一般是计算机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相结合的，要求更多的计算机以外的专 业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因此开发工具的易学、易用、 可靠、高效是基本要求。 2 1 2 嵌入式系统的构成 典型的嵌入式系统构成如图2 1 ： 应用软件c 畸p l ic a t io a ) j t0 网络协议值e t w o r k ) 丁上 ， s 3 r ：窆：) 硬件系统f f g e tb o a r d ) 图2 1 一个典型的嵌入式系统的构成 f i g2 1 t h es t r u c t u r eo f a 哆p i c a le m b e d d e ds y s t e m 】o 2 嵌入式系统及嵌入式互联网 f 1 ) 硬件系统 硬件系统由嵌入式处理器及各种外围接口电路构成。 嵌入式处理器部分是硬件电路的核心，主要分为四类：嵌入式微处理器，嵌入 式微控制器，嵌入式d s p ，嵌入式片上系统( s o c ) 。外围电路包括r o m f l a s h 、 r a m 以及各种通信接口如u s b 、u a r t 、p c m c i a 、p c i 等。 ( 2 ) 操作系统 在嵌入式系统中一般都要采用嵌入式实时多任务操作系统( r 1 o s ) ，r t o s 一 般包括实时内核( k e r n e l ) 及用户特定的板级支持包( b s p ) ，它介于硬件系统及上 层软件之间，为所有的上层软件提供一个多任务的实时操作系统环境及一整套 a p i 。r t o s 主要强调任务执行和切换的确定性，以适应工业应用的需要，同时由 于r t o s 提供了对硬件系统的高度抽象，上层所有的软件开发都与硬件细节无关， 从而可大大提高软件的可移植性，加快开发速度。目前，商业化的r t o s 种类繁 多，代表产品有c h o r u s 、l y n x o s 、o s 一9 、o s e 、p s o s 、v r t x 、v x w o r k s 、q n x 、 n u c l e u s 、c m x 等。近年来，随着自由软件的蓬勃发展，嵌入式l i n u x 操作系统 也成了开发嵌入式系统的一种不错的选择。 ( 3 1 网络软件和应用软件 网络软件实质上也属于应用软件范畴，其特点是能为更高层的应用软件提供 网络服务，具有相对的独立性。随着网络技术的发展，很多嵌入式设备都要求有 联网能力，因此网络通信软件就成了这些嵌入式系统软件必备的重要构件。应用软 件则是针对特定的应用需求开发的软件，完成嵌入式系统的主要功能，应用软件 的设计者一般是该特定应用技术方面的专家或者至少对该领域有一定研究的人 员。 2 2 嵌入式互联网 2 2 1 概述 在嵌入式领域，我们或多或少地听说过嵌入互联网j ( e m b e d d i n gt h ei n t e m e t ) 这 个新概念。有人预言，5 年内p c 将不再成为主要的互联网接入设备，互联网设备 正在引领家用电器和工业设备的下一波冲击，从p d a 到水泵，从冰箱到电源板， 从汽车到自动售货机，从仪表到医疗器械，这所有的一切都需要某种形式的在线 互联，否则将很快被淘汰。 回顾i n t e m e t 的发展和应用历史： 第一阶段：1 9 8 0 年一1 9 9 0 年i n t e m 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 重庆大学硕士学位论文 i n t e m e t ，t c p 1 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w w 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 普及的非常广泛，即形成了c l i e n t s e r v e r 体系结构( 客 户机胆匣务器) ，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 的成功正在于此。另一方面，w w w 的应用又造就了一大批以 y a h o o 为代表的t 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 m e t 象一场革命改变了世界。 第三阶段：2 0 0 0 年2 0 1 0 年嵌入式i n t e m e t 时代。将给地球披上“电子皮肤”， 嵌入式片上系统成为瘦服务器。预测未来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 n n 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 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、嵌入式网关和嵌入式因特网路由器已 成为嵌入式i n t e r n e t 时代的关键和核心技术。 i n t e m e t 的伟大之处就在于可以无限地膨胀。数字化生存的作者尼古拉庞 帝来中国讲演时，曾预言未来p c 的市场份额将减少，可能会出现许多非常便宜的 因特网接入设备，他建议的价格只有1 美元单片机或微控制器( 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m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定 的功能。i n t e m e t 现己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， 如果嵌入式系统能够连接到i n t e m 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。将嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的想法其实很