（电路与系统专业论文）基于μCOSⅡ的嵌入式网络接入技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta i l da p p l i c a t i o n0 ft h ei n t e m e t ，m o r ea n dm o r e e q u i p m e n t sa r en e e d e dt oc o n n e dw i t hn e t w o r l 【f o ra c h i e v i n 窟l o n g d i s t a n c cc o n t r o l a n ds h a r i n er e s o u r c e e m b e d d e ds y s l e m sa r eu s e dm o r cw i d e l v f o rs m a l lp r o f i l e ，l o w p “c ea n dh i g l lp e d i o 皿a n c e t h et e c h n 0 1 0 9 vo fe m b e d d e dn e t w o r ks v s t e m si st h e m a i nt r c n do ff u t u r e 印p l i c a t i o n e i n b e d d e dn e t w o r ks v s t e m ss h o u l dr e s p o n s et ot h er c q u i r c m e n t sf r o ml o c a l 蛆d n e t w o r ke q u i p m e n t sr a p i d l v t h e r e f o r e ，“i sa ne f f i c i c n tm e t h o dt od e a lw i t i l m u l t i t a s k sb ye m b e d d i n gar t o si n t ot h eh a r d w a r es v s t e m t 1 l er t o sc a nd i v i d e p r o g ，a mi n t om a n yt a s k sw i t hd i 矗e r e n ti m p o r t a n c er e s p e c t i v e l va n da l l o c a t ec p u t i m ea n ds y s t e mr e s o u r c ef o re a c ht a s k “c o s i ii sa “n do fi h o sw h o s es o n r c e c o d ei so p e na n ds m a l l i ta l s oh a sv i r t u e so fb e i n ge a s vt ob ec u td o w n ，r e p o t t e da _ n d s o l i d i f i e d s o ，r e s e a r c h e so nt e c h n o l o e yo fe m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb 舔e d o n c y 0 s - i ia r es t u d i e di nt h i sp a p e l f i r s t ，t h eb a c k g r o u n df o rt e c h n o l o g yo fe m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni s j n t r o d u dj h j sp a p e r ，a sw e l l a s h ec o n c e p t i o na n dd e v e l o 口m e n to fe m b e d d e d s y s t e m ，r 7 1 1 0 sa n dt e c h n o l o g vo fe m b e d d e dn e t w o r k s e c o n d ，t h ep r o t o c o lo fn e t w o r l 【c o m m u n i c a t i o na n ds t 粕d a r do ff j e l db u sa r e e x p o u n d e d ，a sw e ua sh a r d w a r es t n l c t u r eo fe m b e d d e dn e t w o r kc o m m u l l i c a t i o n s y s t 啪sa n dc o 盯e l a t i v ec h i p s a 血e ri h a t ，t h et r a l l s p l a n to f 岸c o s - ho ne n h 孤c c d8 0 5 1 c o m d a “b l em j c r o c o n t r 0 1 j e rp 8 7 c 5 2j sd e s c r i b e dj 玎d e t a j l t h i r d ，l h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o df o re m b e d d e dn e t w o r kc o m m u l l j c a t i o n s y s t e m si sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es y s t 锄c a ni m p l e m e n tt c p 仃p b yw h i c hi tc a n c o m m u n i c a t et h m u g l l e t h e m e t ；f u r t h e 姗o r e ， i t c a nc o m m u n i c a t ew “hl o c a l e q u i p m e n t sa c c o r d i n gt or s 2 3 2a n d1 2 cs t a n d a r d t h e r e f o r e ，l o c a le q u i p m e n t sm a y c o n n e c tw i t hi n t e m e tt h r o u 曲i t ；a tt h es 锄et i m e ，o t h e rh o s tc o m p u t e r si nt 1 1 eh l t e m e t c a nc o n t r o ll o c a le q u i p m e n t st h r o u 曲i t ， f i n a l l y t h et e s t i n gr e s u l to f t h i ss v s t e mi sp r e s e n t e d k | e yw o r d s ：i n t e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，p c o s i i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除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经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锲陲辱珏日期：量拉厶垂业 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：龇指导教师签名：丑媳 同 期：翘口，q 窖日期：地! ! ：丛 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 适焦压遁主瞳 逼业垃菹堂暄塑堡丕 电话： 邮编： 引言 o 1 课题研究背景 o 1 ，l 嵌入式系统 随着时代的发展，当今世界除了那些常见的主机+ 显示器+ 键盘+ 鼠标组成的 功能齐全的通用计算机外，另一种新型的电子应用系统越来越受到人们的重视和 青睐，这就是嵌入式系统。这种系统着眼于应用，已被人们定义为“以应用为中 心、阻计算机技术为基础、软件硬件可裁减、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”3 。它以明显的体积小、价格低、 专用性能高的优势在电子应用中逐渐呈现出独占熬头的趋势。目前嵌入式系统 己在国防、国民经济和社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实 验室咀及个人家庭等各种场所，在信息家电和工业控制的各方面都可以看到它的 身影。据统计，这些嵌入式设各在数量上已远远超过通用计算机，其前景倍受人 们看好。 下面是目前比较流行的几种嵌入式系统设计风格。 1 缩减p c 系统 所谓缩减p c 系统，是指利用p c 体系结构设计的嵌入式系统，例如利用p c l 0 4 模块构成工业控制装置就是比较典型的设计。 这种设计是建立在技术已非常成熟的p c 的体系结构之t 的，它的硬件环境往 往是一台单板化的p c 系统。利用d o s 或w i n d 0 w s 操作系统为应用软件提供平台。 这种设计可以利用p c 作为开发工具，可以利用众多的p c 软环境、硬件资源， 在成熟的操作系统支持下，系统可以达到较高的可靠性和稳定性，这些显然是它 的优点。但是这样的设计目前尚难以实现满足小体积、低功耗、低成本等嵌入式 系统的常见技术要求。 2 高级单片系统 所谓高级单片系统，是指那些准备加载l l n u x 操作系统或类l i n u x 操作系统的 嵌入式系统。它的硬件构成的核心是一个集成了丰富功能的单一芯片，一般数据 宽度往往是3 2 位。由于它一般已经包含了几乎全部的系统硬件，使得只需再增加 很少的几个器件，如存储芯片，即可构成全部系统。 生产高级单片的厂家及高级单片型号越来越多了，典型的是以a r m 或m i p s 内 核为核心的荤片机。在这里己经完全没青了p c 体系结构的影子。芯片包容的功能 极其丰富，往往除了太容量存储器以外，系统的硬件几乎都集成在个片子上。 他们的寻址空叫大，数据总线宽，处理能力强，功耗低。 采用高级单片的设计，大都取l i n u x 或类l i m x 操作系统作为系统软件，向应 用软件提供c 语言的开发平台。在l i n u x 操作系统的支持下，系统的可靠性可以得 到保证。操作系统带来的优点可以大大加快系统应用软件的开发效率。由于l i n u x 的开放性，可以利用的资源也非常丰富。 3 单片机系统 目前称之为单片机的，是指一些8 位或1 6 位数据宽度、寻址空闻较小的芯片。 相对来说，他们的处理能力较弱。但是它们的优点也是不容忽视的，如：低成本、 相对来说，他们的处理能力较弱。但是它们的优点也是不容忽视的，如：低成本、 低功耗，片上集成的外围模块功能丰富而实用等。在应用需求恰如其分的场合， 选择它们是绝对合理的”1 。 0 1 2 嵌入式操作系统 对于一般用户来说，要求计算机系统提供服务，但不需要了解计算机内部是 如何工作的。操作系统就是用户与计算机之间的接口，用户要求计算机能提供各 种服务，使其感到方便好用，计算机实现这些功能过程就由操作系统负责组织的。 因此，嵌入式系统的设计者越来越清楚地认识到，在嵌入式系统中引入操作系统 的必要性。对于嵌入式系统，不言而喻，它比通用计算机具有更简单的结构。它 很可能不配置c r t 显示器，不需要文件系统，由于内存空间较小也没有存储器管 理功能。同时，嵌入式系统总是希望加载的操作系统软件不能占据过大的内存空 间，不能消耗过多的系统软硬件资源。这样就要求嵌入式系统的操作系统与传统 意义上的操作系统有很大区别，要做到代码量小，对堆栈、寄存器、定时器及中 断等系统部件的依赖要少，能在各种不同类型的单片机上实现。 嵌入式系统的操作系统，除了对于缩减p c 系统目前仍采用d o s 等p c 上的流行 操作系统以外，基本上有两大趋势：一类是面向高级单片机的，另一类是针对8 位、1 6 位单片机的。以下是几种目前流行的嵌入式操作系统。 l i n u x 已经成为w i n d o w s 系统问世以来最热门的操作系统之一。它的开放性使 众多的热情开发者为它打造了非常坚实的基础。同时，也派生出众多的类似系统。 2 “c l i n u x 岸c l i n u x 是一个缩减的l i n u x 系统，特别适合于在不需要内存管理的高级单片 嵌入式系统上。 3 e c o s e c o s 是一个代码开放的嵌入式操作系统，具有良好的系统功能和应用支持， 可以在许多单片上运行。 4 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是w i n d o w s 的嵌入式系统版本，具有类似1 】r i n d 侧s 风格的用户界 面，可以与w i n d o w s 环境下的软件很方便的接口。但是，它的代码是不开放的。 5 v x w o r k s v x w o r k s 是一个功能完善的嵌入式操作系统，但是它的代码不是开放的。 6 r t x 5 1 r t x 5 1 是专门针对8 0 5 l 设计的操作系统，代码紧凑、体积小巧。已经很多应用 中证明这是一个成功的8 位单片机的操作系统，代码完全开放。 7 m c o s 芦c o s 是一个特殊风格的嵌入式操作系统，它有很多版本，可以适应从x 8 6 到8 0 5 1 的各种不同类型不同规模的嵌入式系统，代码开放。 d o s i i 是雎c o s 的第二版，是一个高度简洁、可r o m 固化、可裁剪、实 现抢占式实时多任务的操作系统内核，可用于各种微处理器系统，并且可管理多 达5 6 个用户应用任务，该操作系统已被认为是每个希望掌握实时操作系统的技术 人员的经典学习版本。 对于那些希望在自己设计的硬件平台上，构筑面向应用的操作系统的人来 说，p c o s i i 诱人之处就在于它的源代码开放。这使得使用者有可能清楚地了 解陔操作系统的各方面的设计细节，通过自己动手修改源代码，来构造完全适合 2 自己的应用需求的操作系统环境。另外，相对于k e i l 的r t x 5 l 实时操作系统来说， “c 0 s i i 以其对各种硬件环境的适应性，以及其中更加完备的操作系统控制机 制，获得了更为广泛的应用。 对于一个嵌入式操作系统设计者来说，通过学习口a o s i i 操作系统的开放源 代码，能够获得更为全面的嵌入式操作系统的设计规范。 “c o s i i 和所有的操作系统一样，也存在两类源码，其中类和c p u 硬件相 关，一般采用汇编语言编写，而另一类( 绝大部分) 采用c 语言进行编写，这部 分与具体硬件无关，系统实现时，尽量减少汇编语言编写的部分，使p a o s i i 可以很容易地移植到各种各样的c p u 上运行。 0 1 3 嵌入式网络技术 随着i n t e r n e t 应用的日益普及，信息共享的程度不断提高，对以单片机为核 心的小型设备应用系统，怎样利用方便、廉价的i n t e r n e t 资源将嵌入式设备的信 息共享到i n t e r n e t 上，成为当今电子领域中的热门话题。传统的i n t e r n e t 应用将 转向以嵌入式设备为中心。i ( i n t e r n e ta p p l i a n c e ) 概念的流行表明i n t e r n e t 应用已经进入嵌入式i n t e r n e t 时代。据网络专家的预测，未来在i n t e r n e t 上传输 的信息中，将有7 0 的信息来自于小型嵌入式系统。如何通过i n t e r n e t 共享嵌入 式设备的信息，已成为当今电子领域的研究热点。可以预言，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。嵌入式系统接入 i n t e r n e t 后可以有很多应用，如：楼宇智能化远程抄表系统、a f c 自动售票交通 收费系统、l e d 网络控制显示屏系统、智能家居系统、工业智能化从站系统、数 码影像网络监视防盗系统、远程医疗诊测系统所以嵌入式i n t e r n e t 接入技术 具有广阔的应用前景，其研究具有实际意义。 要将嵌入式系统接入i n t e r n e t ，首先要搞清楚以下两个问题： 嵌入式系统的组成：简单的说，嵌入式系统都是由主控器+ 外围辅助控制设 备构成。所以要将这种系统连到i n t e r n e t ，实际上就是要解决嵌入式系统主控器 与i n t e r n e t 的接口问题。 i n t e r n e t 的定义：根据美国联邦网络理事会( f n c ) 在1 9 9 5 年1 0 月2 4 日通过 的决议可以得到如下定义： “联邦网络理事会同意以下语言反映对术语i n t e r n e t 的定义： i n t e r n e t 是指这样的全球信息系统： 1 基于网际协议( i p ) 或其后的扩展改进。通过全球唯一地址空问逻辑的 连接在一起。 2 能够支持使用传输控制协议网际协议( t c p i p ) 族或其后来的发展改 进或其他i p 兼容协议的通信。 3 公开或秘密的提供、使用和访问通用层及在此描述的有关基础结构的高 级服务。1 简单的说。i n t e r n e t 是一个由连成网络的计算机及其用户和数据组成的全 球系统。 而人们常见的力维网w w w ，网页浏览，电子邮件，聊天等服务都只是 i n t e r n e t 上的一种应用。 i n t e r n e t 现有的互联网设旌，已为整个设计提供了现成的中间传输媒介。 要将嵌入式系统连入i n t e r n e t ，只需将嵌入式系统的主控器和这些中间传输媒介 连上即可。国内外关于这方面的研究已经有很多。解决这一问题的方法可分为四 类： 1 3 2 位m c u + r t o s ( 实时多任务操作系统) ：在r t o s 的平台上进行软件开发， 实现t c p i p 协议处理。此方案的优点是可以完成很多复杂的功能。缺点是价格高， 开发周期长；并需购买昂贵的r t o s 开发软件，且要求高能力的开发人员。 2 p c 网关+ 专用网：将一组主控器通过专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 连接到p c 机上。该p c 机起网关作用，完成专用网络上的信息包与t c p i p 协议 数据包之间的转换，此方案的优点是可以连接多种主控器，缺点是依赖p c 作为嬲 关，进行协议转换，在多个主控器系统分散的情况下，专用网络布线极不方便； 且需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，这些软件通常费用较高。另外开发者 还必须熟悉相关专用网的通信协议。 3 主控器+ 协议栈结构芯片+ p h y ( p h y c e i v e r 物理层的接收器) ：采用这种方 法，网络协议由具有协议栈结构的芯片硬件实现。通常在这种芯片内含有一组与 通信协议相关的寄存器。开发者只需向适当的寄存器中放上合适的数据，并按照 一定的顺序启动相应的命令，就可按标准协议上网了。有的甚至可以在v c 中做 网络开发编程，通过调用芯片开发商提供的相应软件包中的函数来完成任务。如 韩国w l z n e t 公司生产的i 2 c h i p w 3 1 0 0 a 芯片，美国s e i k o i n s t r u m e n t s 公司生产 的i c h i p s 7 6 0 0 a 芯片等等。所以这种方案的优点是开发简单，周期短。但缺点是 价格比较贵。 4 主控器+ m c ( 网络接口控制器) ：由n l c 实现网络接口，由主控器执行存 储在系统r o m 中的协议代码来提供其他所需通信协议。这种方法的最突出的优 点是成本极低，缺点是软件设计复杂。 o 2 国内外研究状况 嵌入式系统自出现以来，由于它兼有普通单片机所具有的体积小、功耗低、 应用性强和p c 机所具有的高性能、多任务( 嵌入r t o s 后) 等优点，被广泛地应 于国防、国民经济及社会生活的各领域，以及企业、军队、办公室、实验室以及 个人家庭等各种场所。但大多数应用都是单机应用方式，或采用局部总线相连。 近几年，随着i n t e r n e t 技术和应用群体的飞速发展，将嵌入式系统与i n t e r n e t 相连才成为国内外关注的焦点。1 9 9 9 年s i e m e n s i n f i n e o n 、p h 订i p s 和m o t o r 0 1 a 在内的数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟( e t i ) ”，共同推动这一市 场。可以预言，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的 真正未来。 i n t e r n e t 现已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 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。嵌入式i n t e r n e t 系统的完成将使得各种智能设备 ( 至少包含一个m u c 或d s p ) 如家用电器、工业控制装置或仪器、安全监控系统、 汽车电子等与i n t e r n e t 互联成为可能。这将会对产品性能，特别会对服务有极 大的提高。无论对智能设备的用户还是生产厂商，都将会从中获利，该技术的应 用领域，如：楼宇智能化远程抄表系统、a f c 自动售票交通收费系统、l e d 网络 控制显示屏系统、智能家屠系统、工业智能化从站系统、数码影像网络监视防盗 系统、远程医疗诊测系统所以嵌入式系统接入i n t e r n e t 的研究具有广阔的 应用前景。 嵌入式系统的技术和市场，在国外发展速度极快，技术日趋成熟，市场格局 4 基本形成。国内发展刚刚起步，市场潜力很大。因此，嵌入式i n t e m e t 技术的应 用是未来发展的必然趋势。开发基于嵌入式系统的网络接入并实现t c p 】 p 协议、 开发基于嵌入式系统的多种通信协议的软硬件接口、在嵌入式硬件中实现嵌入式 实时操作系统等是实现嵌入式h t c m e t 的关键技术，也是本论文的研究内容。 由于目前可以应用于嵌入式系统的各种微处理器、实时操作系统和接口芯片 种类繁多，因此，嵌入式技术的开发及应用不具有垄断性，从不同角度、采用不 同方法进行嵌入式系统开发均具有实用性和实际意义。 所以，本论文的研究具有重要的应用价值，本论文的研究结果对嵌入式网络 接入技术的研究具有重要的参考价值。 0 ，3 课题研究方案 1 研究目标、研究内容和解决的关键问题 本论文对嵌入式网络接入技术的研究主要要实现如图l 所示系统： 簇篓群9 一c a n 总线， 嵌入式设备1 + 盏，黑鬻攀一贴2 3 2 麟_ 嵌入式设备2 l r d a 、r f 等二 1 2 c 总线 嘲络接入系统 图o 1 嵌入式网络接入系统示意图 本论文采用如图o 1 所示结构：采用通用性强的嵌入式处理器作为网络接入 系统，支持t c p i p 等网络协议。该网络接入系统同时提供可以通过r s 一2 3 2 、 r s 4 8 5 、c a n 、i2 c 、红外、射频、无线等方式与多个嵌入式设备进行通信的通信 模块，这样，每个嵌入式设备都可以通过本接入系统与i n t e r n e t 相连，而 i n t e r 舱t 中的其它主机也可以通过该网络接入系统对各种嵌入式设备进行控 制。这种方式的优点在于简化了嵌入式设备连入i n t e r n e t 的复杂程度，同时降 低了对嵌入式设备配置的要求。同时在嵌入式处理器中嵌入实时操作系统( r t o s ) 可以使该网络接入系统便于为用户提供服务并具有二次开发的功能。 由于8 0 5 1 单片机发展历史悠久，应用范围广泛，并且8 0 5 1 单片机构成的应用 系统具有结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高、价格低等优点，因此， 在本论文设计中，嵌入式主控器将采用5 1 内核的单片机：n i c ( 网络接口控制器) 采用以太网网络接口控制芯片( r t l 嚣0 1 9 a s ) 。以太网优势在于成本低、易于组 网、技术支持广泛、并且已被使用多年，具有大量软硬件资源和开发设计经验： 在嵌入式操作系统中我们将采用与8 0 5 1 单片机相符合，代码量少、代码公开的 “c 0 s i i 。 本论文中关键技术嘉跏c o s i i 移植，但由于肛c o s i i 操作系统开放的源代 码和较小的代码量，也给嵌入式系统设计者提供了彻底掌握这一操作系统的有利 条件。 论文中研究内容范围广泛，包括了嵌入式系统网络通信、总线接口、操作系 统移植等，因此，工作量比较大，但本论文很具有通用性，可以方便的更改嵌入 式主控器，操作系统与总线接口可以作相应的变动。 2 ，采取的研究方法、研究手段、技术路线、实验方案 研究方法： ( 1 ) 选取相应的网络接口控制芯片和相关总线接口控制芯片构筑硬件系统。 ( 2 ) 采用c 5 1 语言进行编程，实现各种网络通信、相关总线通信等功能。 ( 3 ) 研究p a o s i i 操作系统，并尝试进行裁剪以适应本系统硬件结构。 ( 4 ) 在芦c 0 s i i 操作系统上实现各种网络通信、相关总线通信等，最终完成 论文。 研究手段： ( 1 ) 采用d p 一5 1 实验系统进行各种总线通信试验。 ( 2 ) 将d p 一5 1 实验系统通过h t e m e t 与p c 机连接，进行各种网络通信试验。 技术路线： ( 1 ) 选取网络控制芯片与5 1 单片机构成通信硬件。r t u l 0 1 9 a s 是一种i s a 类型的网络控制芯片可以方便与5 1 单片机连接。 ( 2 ) 采用c 5 1 语言进行网络通信编程，实现u d p 、t c p 口协议。测试时采用 与p c 机进行通信的方法进行测试。c 5 1 是专门为8 0 5 1 系列单片机设计，是c 语言的一种特殊扩充，具有高级语言的各种特征，又能直接操作系统硬件。 ( 3 ) 选取相关的总线控制芯片与5 1 单片机进行总线通信。r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通 信接口中采用常见的m a x 2 3 2 和m a x 4 8 5 芯片。1 2 c 接口器件比较常见，如8 位数码管和6 4 个按键的控制管理芯片z l 酊2 9 0 、p c f 8 5 6 3 等。 ( 4 ) 相关总线通信系统的硬件上采用c 5 1 编程，完成各种总线的通信功能。 ( 5 ) 分析研究c o s i i 操作系统功能及源代码，寻求与本网络接入系统相适 应的裁减方法。 ( 6 ) 在网络接入系统中进行移植，进行功能测试。 ( 7 ) 在c o s - i i 操作系统下进行各相关子系统整合，完成整体网络接入系统 并进行测试，完成本论文。 实验方法： ( 1 ) 构筑嵌入式网络接入系统硬件。 ( 2 ) 采用c 5 1 进行编程实现各功能模块。 ( 3 协c ，o s i i 操作系统移植。 r 4 1 测试系统。 第一章网络通信协议与相关总线标准介绍 1 1 网络通信协议 1 1 1o s i 模型 在2 0 世纪8 0 年代早期，l s o 开始致力于制定一套普遍适用的规范集合，以 使得全球范围的计算机平台可进行开放式通信。i s o 创建了一个有助于开发和理 解计算机的通信模型，即开放系统互连o s i ( 模型) 。o s i 模型将网络结构划分 为七层：即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层 每一层均有自己的一套功能集，并与紧邻的上层和下层交互作用。在顶层，应用 层与用户使用的软件( 如字处理程序或电子表格程序) 进行交互。在o s i 模型 的底层是携带信号的网络电缆和连接器。总的来说，在顶端与底端之间的每一层 均能确保数据以一种可读、无错、捧序正确的格式被发送。 o s i 模型是对发生在网络中两节点之间过程的理论化描述。它并不规定支持 每一层的硬件或软件的模型，图1 1 描绘了o s l 模型和它的层结构，1 3 层提供 了网络访问，4 7 层用于支持端对端通信，各层具体工作过程见有关参考书，在 此不再赘述。 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 图1 ，1o s i 七层网络模型 1 1 2t c p ，i p 模型 1 9 9 0 年以前o s i ( 开放式系统) 七层模型在数据通信和互联网中占据主导 地位，但随着互联网技术的发展，这种模型并没有成为最终的标准，而t c m p 协议族却越来越流行，并在实际的使用中得到不断的测试和完善，以至于在商用 体系结构中成为占据主导地位的协议族。 网络协议通常是在不同的协议层上进行开发，每一层分别负责不同的通信功 能。t c p i p 协议族，是一组不同层次上的多个协议的组合。每一层负责实现不 同的功能，如图1 2 所示。 应用层 传输层 网络层 链路层 c = 匕= = c = = c = = h t t p 、f i t 、e m a i l 代p 、u d p i p 、l c m p 、i g m 旷 以太网驱动程序 图1 2t c p ，l p 协议族参考模型 1 链路层，也称数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中设备的以太 网驱动程序和计算机中的物理接口( 网络芯片) 。 物理接口实现数字信号与模拟信号的相互转化：发送数据时将数字比特流转 化为模拟信号；接收数据正好相反。 以太网驱动程序是链路物理接口与网络层交互的软件接口，网络层数据必须 先交付给以太网的驱动程序，由它将网络层数据打包并交付给物理接口，完成数 据发送。反之，以太网驱动程序在接收到数据时，要按照应用层可以接收的形式 进行处理并交付。 2 网络层，又称作为互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。 在t c p ，i p 协议族中，网络层协议包括口协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t c m e t 互联网控制报文协议) 以及i g m p 协议( i i l t e r i l c t 组管理协议) 。 i p 协议提供了一种不可靠的、无连接的服务，即i p 不提供差错检验和跟踪， 只是尽最大可能发送数据。不可靠的意思是不能保证i p 数据报能完全正确地到 达目的地。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p 协议) 。无连接的意思 是口并不维护任何关于后续数据报的状态信息。因为每个数据报的处理都是相 互独立的，可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数 据报( 先是a ，然后是b ) ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不 同的传输路线，因此b 可能在a 到达之前先到达。 i c m p 协议通常被认为是i p 层的一个组成部分，分为差错报文和查询报文两 类，在i p 数据报内部被传输。我们所涉及的是查询报文，如p i n g 就是一个i c m p 的查询报文，用来测试主机的可达性。 3 传输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 传输层具有几种责任： 创建进程到进程( 程序到程序) 的通信。t c p 和u d p 都使用端口号来完成。 在传输层提供流控制和差错控制机制。t c p 提供全面的差错检验机制，而 u d p 不提供流控，提供的差错检验机制的水平也较低。 为应用程序提供连接机制。t c p 协议中，发送端建立与接收端的连接，将上 层协议传来的数据分为可运输的块并编号，逐个发送；接收端等待接收属于同一 进程( 由端口号标识) 的所有不同单元，并交付给应用程序。u d p 协议不用建 立连接，只从进程接收数据，并不可靠地交给应用程序。 在t c p i p 协议族中，有两个不同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 是一个面向连接的、可靠的传输协议，它使用滑动窗口协议完成流控制， 使用确认分组、超时和重传来完成差错控制，因此它为i p 服务添加了面向连接 和可靠性的特点。t c p 可以在两台主机之间提供高可靠性的数据通信。它所做的 工作包括把应用程序交给它的数据按照对方主机的窗口分成合适的小块交给下 面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于传 输层提供了高可靠性的端至b 端的通信，因此，应用层可以忽略所有这些细节。 u d p 则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是数据报分组从一台主机发 送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端，因此，任何必需的可靠性 必须由应用层来提供。这两种传输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用 途。 4 应用层，负责处理特定的应用程序细节。 1 1 3t c 加p 的分层与封装 1 协议分层 以太网分层结构，如图1 3 所示。 垆脓序特| | 删裂亏r r j 制 端 l i c m p t c p ( o x 0 6 )u d p ( o x l l ) 1 依i 端 la r p ( o x 0 8 0 6 ) i p ( o ) 【0 8 0 0 ) m 嘘p ( ( 0 8 0 5 ) 斗 f 依j 以太网 的i 驱动程序 图1 3 以太网分层结构 图1 3 是按照t c p ，i p 协议的四层参考模型而设计的，实际上是以太网进行数 据接收时的流程，同时也体现了一种以太网数据分用的思想。 链路层的以太网驱动程序负责接收以太网数据帧( 接收机理后面介绍) ，剥 离以太网数据帧的首部信息，形成i p 数据或a r p 、鼬讯p 分组。根据以太网数 据帧的上层协议类型并分别交付给上一层。如果是i p 数据报，则被送交网络层。 网络层在接收以太网驱动程序送到的i p 数据后，按照i p 数据帧中的协议种 类对数据进行处理，去掉i p 首部数据，形成t c p 或u d p 或i c m p 报文。如果 得到t c p 或u d p 报文，则把数据交付给传输层，否则对i c m p 报文进行处理。 传输层在 ：导到u d p 报文后，按照u d p 协议中的端口号分别送给不同的应用 程序。若传输层得到t c p 报文，则要根据t c p 的状态转换图进行处理。 a r p 协议和r a r p 协议提供逻辑地址和物理地址之间的动念转换。i p 数据 报必须封装成帧才能在以太网中进行传输，这就表示发送站必须有接收站的物理 地自e 。 2 协议的封装 应用层的数据要想在以太网进行传输，就必须按照以太网的帧格式进行封 装，而且这是一个逐级封装的过程，数据封装过程，如图1 4 所示。 匣丑二蚓 卜一以太网帧一 卜一1 6 1 5 0 0 字节叫 图1 4 数据封装示意图 由于u d p 、t c p 、i c m p 等协议可以向网络层传送数据，因此口数据报中必 须对i p 的上层协议进行标识。 网络层的i p 协议，以及地址解析协议a r p 都可以向链路层传送数据，因此 也必须在以太网的帧首部中加入指明数据来源的类型域。 3 t c 眦p 协议的实现方法 通过上述介绍可知，在以太网的数据接收过程中，体现的是数据分用的思想； 丽在以太网数据发送的过程中则体现了数据封装的思想。这就为t c p 口协议的 实现提供了一种很好的思路。 下面介绍一种比较常用的思路： ( 1 ) 首先，实现以太网驱动程序，后面有详细论述。 ( 2 ) 其次，实现a r p 协议：应用程序的数据装成i p 报文后，要想在以太 网上传送数据仅仅知道逻辑地址是不够的，必须知道发送端主机和接收端主机的 物理地址，这就是a r p 协议的职责，即实现i p 地址和物理地址的动态映射。它 的实现步骤如下： 发送站知道目标i p 地址，产生一个请求a r p 报文，填入发送站的物理地址、 发送站的1 p 地址以及目标口地址，目标物理地址字段则填入o 。 这个报文发送给数据链路层，在这一层它被封装成帧，使用发送站的物理地 址作为源地址，而将物理广播地址作为目的地址。 每个主机或路由器都收到这个帧。因为这个帧包含了广播目的地址，所有 的站都将此报文送交a r p 。除了目标主机外，所有的机器丢掉这个分组。目标 机器识别这个i p 地址。 目标机器用a r p 报文进行回答，此报文包含它的物理地址，且是单播方式。 发送站收到这个回答报文后就知道了目标主机的物理地址。 携带数据发给目标主机的i p 数据报现在封装成帧，用单播方式发送给目的 站。 ( 3 ) i p 协议的实现。我们的实现中没有考虑分片( 程序中定义的最大m r u 在 i p 的分片范围之内) 、路由以及服务，仅仅局限于l p v 4 的实现，i p 协议需要进 行检验和运算。 发送端： 将传输层待发数据封装成为i p 数据报。 计算i p 校验和，将其插入到i p 首部的检验和字段。 调用以太网驱动程序，发送数据。 接收端： 从数据链路层接收数据，对口首部进行校验。 如果校验错误，丢弃i p 报文，若正确，贝根据上层协议类型进行分用。 ( 4 ) u d p 的实现：无需建立连接，因此相对简单一些，但需要注意其校验和 的处理( u d p 的校验需要对三部分进行，u d p 伪校验，u d p 首部，以及从应用 层来的数据) 。 ( 5 ) t c p 的设计：主要是围绕状态转移图进行设计，可分客户和服务器两个 方面。 1 2 相关总线标准 1 2 11 2 c 总线 1 1 2 c 总线的特性 在现代电子产品开发过程中，为了简化系统，提高系统的可靠性，缩短产品 开发周期，增加硬件构成的灵活性，p h i l i p s 公司推出了一种高效、可靠、方便 的1 2 c 串行总线。在单片机应用系统中推广1 2 c 总线后将会大大改变单片机应用 系统结构、性能、对单片机的应用开发带来以下好处： ( 1 ) 可最大限度的简化结构。二线制的1 2 c 串行总线使得各电路单元之间只 需最简单的2 线连接，而且总线接口都已集成在器件中，不需另加总线接口电路， 这样减少电路板面积，提高了可靠性，降低了成本。 ( 2 ) 可实现电路系统的模块化、标准化设计。在1 2 c 总线上各单元之间没有 其它连线，用户常用的单元电路基本上与系统电路无关，故极易形成用户自己的 标准化、模块化设计。 ( 3 ) 1 2 c 总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路能在互不影响的情 况下，甚至在系统供电情况下，接入或撤掉，且系统可方便地对某一节点电路进 行故障诊断与跟踪，有极好的可维护性。 ( 4 ) 1 2 c 总线系统构成具有最大的灵活性，当系统改型设计、或对已加工好的 电路板需扩展功能时，对原有设计及电路系统影响最小，同时标准1 2 c 总线模块 的组合开发大大地缩短了新晶的开发周期。 所有这些特点使得支持1 2 c 总线的器件大量涌现，1 2 c 总线也得到了广泛的 应用。 2 标准模式1 2 c 总线规范 1 2 c 总线通过2 根线一串行数据( s d a ) 和串行时钟( s c l ) 线连接到总 线上的任何一个器件，每个器件都应有一个唯一的地址，而且都可以作为一个发 送器或接收器。此外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机。 发送器：本次传送中发送数据( 不包括地址和命令) 到总线的器件。 接收器：本次传送中从总线接收数据( 不包括地址和命令) 的器件。 主机：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，它可以是发送器或接 收器。主机通常是微处理器。 从机：被主机寻址的器件，它可以是发送器或接收器。 1 2 c 总线是一个多主机的总线，即可以连接多于一个能控制总线的器件到总 线。当2 个以上能控制总线的器件同时发送传输时，只能有一个器件能真正控制 总线而成为主机，并使报文不被破坏，这个过程叫做仲裁。与此同时，能使多个 能控制总线的器件产生时钟信号的同步。 s d a 和s c l 都是双向线路，连接到总线的器件的输出端必须是漏极开路或 集电极开路，因此，都需要通过个电流源或上拉电阻连接到正电源电压，这样 才能够实现“线与”功能。当总线空闲时，这2 条线路都是高电平。在标准模式 下，数据传输的速度为o 一1 0 0 k b i 临。 ( 1 ) 位传输 1 2 c 总线上每传输一个数据必须产生一个时钟脉冲。 数据的有效性： s d a 线上的数据必须在时钟线s c l 的高电平周期保持稳定，数据线的电平 状态只有在s c l 线的时钟信号是低电平时才能改变，如图1 5 所示。在标准模式 下，高低电平宽度必须不小于4 7 u s 。 s c l r o l 数据确定数据改变 图1 51 2 c 总线的位传输 起始和停止条件： 在1 2 c 总线中，唯一违反上述数据有效性的是起始( s ) 和停止( p ) ，如图 1 6 所示。起始条件( 重复起始条件) ：在s c l 线是高电平时，s d a 线从高电平 向低电平切换，停止条件：在s c l 线是高电平时，s d a 线由低电平向高电平切 换。 s d a s c l 开始条件 停止条件 图1 6 起始和停i r 条件 起始和停止条件一般由主机产生。起始条件作为一次传送的开始，在起始条 件后总线被认为处于忙的状态。停止条件作为一次传送的结束，在停止条件的某 段时间后，总线被认为再次处于空闲状态，熏复起始条件既作为上次传送的结束， 也作为下次传送的开始。 ( 2 ) 数据传输 字节格式： 发送到s d a 线上的每一个字节毖须为8 位。每次传输可以发送的字节数量 不受限制。每个字节后必须跟一个应答位。首先传输的是最高位( m s b ) ( 见图 1 7 所示1 。 ： ： 五蚤一小公 开始或 重新启动信号 从机应答信号 从机产生中断 在中断退出前 。