基于嵌入式的以太网与CAN总线的网关设计.doc

大连海事大学硕士学位论文基于嵌入式的以太网与CAN总线的网关设计姓名：孙白申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：赵永生20080301中文摘要摘要随着信息与网络技术的发展，嵌入式系统得到广泛的应用。在工业控制领域中，单个设备独立性强、设备间依赖性弱的特点将被取代，而设备资源的有效利用、设备间协同工作及远程传输、监控越来越多地被关注。总线集多种优越性于一身，其应用不再局限于汽车工业，而且发展到过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、医疗器械和传感器等领域，越来越多的工业设备采用总线联网，组成分布式控制系统。以协议为基础的以太网具有远距离传输、通讯和方便快捷的特点，不仅广泛地应用在商业领域中，还进入了工业设备领域。工业设备接入以太网在很大程度上提高了控制系统的分布性。因此，本文提出总线与以太网互联的课题。本文在深入研究以太网和总线的网关理论的基础上，以为硬件平台，以为软件平台，经过硬件连接和软件设计，对总线协议和协议进行转换，实现以太网与总线的互联，允许上层以太网用户对现场任一节点进行访问和控制，实现对生产现场的远程监控。本文的内容主要包括两点：硬件设计和软件设计。硬件设计：选择三星公司芯片￥，其它电路包括电源电路、复位电路、串口电路、模块电路和以太网模块电路等。软件设计：采用嵌入式为软件平台，将安装、下载、移植到目标板上。在环境下，编写的驱动程序、应用程序以及总线和以太网相互转换的应用程序，实现以太网与总线的通讯。本文设计的嵌入式以太网和总线网关在测试中具有较好的稳定性，以太网能够对现场总线进行实时检测、查询和控制，实现了上层以太网对现场总线的监控。关键词：嵌入式；总线；以太网；网关；协议英文摘要，肌，：英文摘要：，、：，、，、，菇，：；：；大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文基王送式的丝盔圈生趔簋线的圆差逡让：。除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：加、百加年月；日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密（请在以上方框内打“，）论文作者签名：如、百导师签名：叱日期：珈年；月；基于嵌入式的以太网与总线的阏关设计第章绪论课题背景计算机、控制、通讯、网络等技术的飞速发展，引起自动化领域的深刻变革，并逐步形成了网络化、全开放、全分布的自动控制体系系统。在当今电子通讯与自动化领域，工业设备联网已成为种趋势。在以前的工业设备中，只是剩用孤立于以外的控制通信网络（如，等现场总线）实现组网，单个设备的独立性较强，设备之间的依赖性较弱。丽随着数字设备大面积替代原有的模拟设备，并伴随通信技术的发展，设备资源的有效利用、设备间的协同工作以及远程距离传输与远程监控等技术得到越来越多的重视。现场总线难是这场深刻变革中的重要技术，它是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网【】。现场总线的关键是把网络化、信息化的概念彻底引用到控制领域和工厂的控制中，构建完整的控制网络和信息网络。它和传统集数控制楣比，具有全开放、全分散、互操作等优点。人们认为，现场总线的如现标志着工业测控技术领域又一个新时代的开始。（）现场总线是一种支持分布式控制系统或实时性控制的串行通信网络【，具有成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强等特性，是最普及的工业现场总线之一。隧着电子商务的发展，较量前许多基予创建的分布式控制系统而言，基于总线的分布式控制系统在稳定性高、传输速度快、多主结构等方面具有明显的优越性。总线现在已经广泛应用于诸多领域，具有较强的市场竞争力【】，但要充分发挥它的组网控制功能，打破地域界限，实现远程控制，就必须借劫于现在被广泛应用的以太网（）技术。所以，人们对工业现场与以太网的整合提出了新的要求，希望通过现有的技术使工厂管理深入到控刳现场。嵌入式由予开发周期短、源代码开放、可以依据需要进行配置、强大的网络功能、可应用于多种硬件平台等特性，在嵌入式领域受到很大关注。基予嵌入式，可以开发出高性价毖的以太嬲与现场总线网间的嵌入式网关，实现工业现场与以太网互联。第章绪论嵌入式系统在工业自动化、国防、运输和航天等领域被广泛应用，而将以太网技术、现场总线技术与嵌入式技术相结合，是顺应工业、生产、生活等各个领域发展需求的结果，也是科技自身发展和融合的必然结果，如果能将嵌入式系统连接到应用广泛的以太网上面，或者在现有网络的基础上利用以太网为介质，则可以方便、低廉的将信息传送到几乎世界上的任何一个地方，从而进行远程监控【。因此，嵌入式一以太网技术就应运而生，并成为业内的一大热点。嵌入式中有现成的协议栈，开发嵌入式上的以太网互联程序比较容易。尽管总线应用较广泛，但国内外基于嵌入式上的驱动程序开发也只是从近几年开始的，开发出的一些上的驱动程序仅实现了控制器的较弱功能，如简单通信控制功能，很难实现较复杂的通信需求。但网络通信的报文实时需求不同，不能实现对信息报文进行分组管理，确定报文发送的优先级；信息帧的字节宽度为个字节，当需传送较大的数据量时，没有确定合理的规范。这些问题都是现场总线通信中的关键问题。因此有必要针对报文信息分组功能及大数据量发送功能进行实现【。从上述分析可以知道，设计和实现嵌入式以太网网关，是将以太网与现场总线两种不同的网络协议基于嵌入式进行通讯，从而弥补现场总线的地域受限问题。将以太网和现场总线结合起来，实现从现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。发展状况网关产品就是将两个异构网络互联，核心工作是将不同网络中的不同协议透明转换。国外的总线厂商在即顺应用户要求，也不放弃自己原有产品的原则下，实现了现场总线协议与协议转换的网关方案。网关应用层协议的转换一般有两种。一种是现场总线数据包在以太网数据包内的传输，典型例子有、工业以太网协会（）和开放的、开发的（高速以太网）、开发的，这些厂商的现场总线协议数据在发送到现场总线以太网的网关后，现场总线报文基本上没有什么变化，作为“用户数据”基于嵌入式的以太网与气总线的网关设计嵌入到数据帧，经网关进入以太网】。另外一种网关产品在现场总线之上传送封装有的数据包，就是这种解决方案，网关将报文分割为若干个小型数据包封装在的参数通道进行传输，其总和帧协议仍保持不变，这些被分割的数据包在接收方重新装配，从而恢复为原来的报文，这种方案对网络节点有较高的要求。现在的网关产晶的协议转换一般采用第一种“封装的方法。国内的现场总线产品起步晚，但在以太网与现场总线联网的设备开发上，已经有很多公司和科研院所投入进来。比如北京和利时工控公司开发了拥有皂己知识产权的大型综合监控系统，由网关控制器实现与局域网联霹的。现在的和的网关产品比较多，所以本文以改造一个基于控制器局域网（）的监控系统为霉标研究。隧关昀开发。专用予协议栈的芯片很少，比如公司的是为数不多的一种，但是它的物理层接墨只支持协议酶串行接墨。大部分以太网产品，协议还是软件实现，硬件只设计以太网接口部分【引。网关硬件组成一般包括三部分：主控制器（），以太网接口模块，总线接口模块。以太网控制器一般采用，等与兼容的鼹卡芯片；总线控制器应耀比较多的是。生产昭和公司的控制器。单从协议栈的实现看，有以下几种方案：一是高档位与嵌入式操作系统的结合实现，由于的高性能和外围丰富的存储资源，以及嵌入式操作系统的组件使得这种方案效果很好，缺点是成本较高；一是位单片机与软件开发包的组合，比如公司的等系列的位单片机与公司的软件的组合，供用户二次开发的模板提供了无版税的协议栈，用户像调用库函数一样来实现自己的网络应用，但是接口还要用户实现；还有就是公司设计的位高速与软第章绪论件包的组合。还有一种技术，该技术利用微机系统或高性能的嵌入式系统作为将现场总线网络与以太网互连，向上提供协议，向下用等轻型网络连接到嵌入式设备，嵌入式设备有驻留程序，与之间的通讯采用产品给定的协议，需要用户了解，这种方案也并不简化。采用以太网和现场总线混合控制网络，可以解决不同协议标准现场总线系统集成问题，构建出真正全开放、全分散的控制网络。两层网络之间采用嵌入式网关（，）实现异质网络之间的无缝连接。嵌入式网关实现了高速以太网和相对低速现场总线网络之间的互联，以及协议到各种现场总线协议的转换。这种混合网络控制方案解决了不同标准现场总线由于不能互操作而带来的分散性和开放性问题，另外，还易于实现基于的远程控制【。总之，随着微电子和嵌入式系统的发展，性能优良的位和位处理器为核心的单板控制系统下在取代微机成为以太网一现场总线网关的主流产品。课题意义与主要任务工业网络的发展迫切需求与顶层信息网络融合，以实现信息的通讯和共享，满足对管理和控制的一体化。因此，实现控制网络与信息网络的融合成为当今的热点问题。本文将现场总线与以太网互联的意义就是实现工业网络中信息的通讯和共享，满足企业需求。总线构成的测控网络与以太网构成的管理信息网络相融合，在测控底层发挥现场总线作为专用控制网络的优势，又在信息管理层又发挥以太网的优势，满足社会各界对工业控制网络的需求。实现互联以后，不仅可以直接在操作室采集现场的测控数据、对现场的设备进行实时的控制，还可以通过互联网进行远程控制和设备维护【们。本文以嵌入式为软件平台，为硬件平台，对进行研究，设计出嵌入式网关转换器，实现总线与以太网的互联和通讯。本文以为目标处理器展开如下研究工作：基于嵌入式的以太网与总线的阏关设计网关主要硬件电路的设计在￥上的内核移植等控制器的驱动程序设计及移植的应用程序设计的驱动程序及应用程序协议转换的程序设计本文将完成操作系统在目标机上的安装、下载和移植等，编写下的的驱动和应用程序，完成在操作系统下的协议转换程序设计，实现总线与以太网这两种不同网络的互联和通讯。小结在本章孛，主要会绍了课题的背景，霹翁匡内外有关嵌入式网关的发展状况，该设计的意义所在，以及在本次设计中的主要几部分任务。第章嵌入式网关技术背景第章嵌入式网关技术背景现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯网络。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统【。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统具有广泛的应用前景。现场总线简介与选择现场总线国际标准中采用了种协议类型，以及其他一些现场总线。每种总线都有其生产的背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这个领域的满足度高一些应用多一些，适应性好一些。占有市场左右的总线有六七种，而且其应用领域比较明确，如、适用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，、适用于加工制造业，、适用于楼宇、交通运输、农业。但这种划分布是绝对的，相互之间又互有渗透【。由于这些主要的现场总线标准都有国际上的大型跨国公司做背景和依托，代表了这些大公司的利益，并且它们都有很成熟的技术，都有很多的成功的工程实例，因此这些就决定了在以后相当长的一段时间内必然是多种总线共存】。下面就当前流行的几种现场总线进行介绍和比较：基金会现场总线高速部分：标准：、的工业标准主要性能特点：（）支持，开放性和客户操作性；基于嵌入式的以太网与总线的网关设计（）使用工业级以太网、集线器、交换机等；（）网络层使用行规，传输层使用、行规；（）作为主干网络，局域网、设备可冗余；应用领域：流程工业及其他工业控制；使用情况：爱默生等公司（家）已经有产品通过注册。标准：、；主要性能特点：（）传输速率范围很广，；（）传输介质：技术，双绞屏蔽铜电缆和光纤；应用领域：工厂自动化和楼宇自动化。（）用于连接现场仪表，可本质安全防爆；（）可通过耦合器与相连；应用领域：流程工业。：（）为单元层和现场层的数据通讯，多功能通信；（）可以与在同一总线上传输信息；应用领域：工厂级或车间级通讯；使用情况：应用很广，已有家生产厂商，多种产品。世界工厂仪表协议标准：、；主要性能特点：（）实时工业控制网络；第章嵌入式网关技术背景（）通讯速率：，；（）传输介质：屏蔽双绞线、光纤；（）层次清晰、简捷高校，控制和非控制信息互不干扰，时空一致，确保同步。应用领域：电力工业、铁路、交通、工业控制、楼宇；使用情况：应用较广，已有多种产品。控制器局域网络标准：、和的工业标准：主要性能特点：（）总线式串行通信网络，采用双绞线介质；（）通讯速率和通讯距离：以下，；（）通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性：采用短帧结构，传输时间短、抗干扰；节点分不同优先级，可满足不同的实时性要求；（）仅定义了物理层和数据层，而应用层种类多，便于互联和数据操作，具体有（）和。应用领域：汽车制造、交通运输、机械工业、医疗器械、传感器；使用情况：应用很广，有十多个生产厂商生产支持总线的网络控制芯片、应用接口芯片。总线技术将专用的微处理器置入传统的测量控制仪表内，使它们各自都有了数字计算和数字通信的能力，并采用可进行简单连接的双绞线等方式作为通信介质组建测控网络系统。在现场总线网络系统中，位于工业现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间按照公开、规范的通信协议，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需求的自动控制系统。因此，现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成控制任务的网络。基鼬式的以太网与总线的网关设计综上所述，总线通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，并采用短帧结构，传输时间短、抗于扰；节点分为不同优先级，可满足不同的实时性要求；应用层种类多，便于互连和数据操作，因此本课题中的工业测控网选用总线。总线的特点世纪年代初，德国的公司就提出了用（）控制器局域网络来解决汽车内部的复杂硬信号接线。謦前，其应用范圈已经不再局限于汽车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发震。总线以其独特的设计，低成本、离可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点得到广泛的应用【。年月正式颁布了道路交通运输工具、数据信怠交换、高速通信控制器局域网国际标准高速应用标准，低速应用标准，这为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。具有一些特点：（）为多主方式工作，网络上任节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，丽不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。）网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实对要求，高优先级的数据最多可在内得到传输。）采用破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时囱总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响地继续传输数据，从面大大节省了总线冲突仲裁时闽，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。（）只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度。（）的直接透信距离最远可达（以下）；通信速率最高可达（此时通信距离最长为）。第章嵌入式网关技术背景（）上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达个；报文标识符可达种（），而扩展标准（）的报文标识符几乎不受限制。（）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。（）的每帧信息都有校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。）的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纾，用户可灵活选择。（）节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操笮不受影响。总线通信协议总线控制器支持种不同的协议帧。数据帧：携带数据由发送器至接收器；数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，数据帧由个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、场、应答场和帧结束。远程帧：通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；激活为数据接收器的站可以借助予传送一个远程帧初始化各自源节点数据的发送。远程帧幽个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、场、应答场和帧结束。出错帧：由检测盘总线错误的任何单元发送；出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各帧的错误标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。超载帧：用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。存在两种导致发送超载标志的超载条件：一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件；另一个是在间歇场检测到显性位。以太网技术以太网是从美国夏威夷大学开发的一种叫的无线电发射系统演变丽来的。年，施乐公司根据系统的原理研制出了一种。舛网络。这种新网络被称为以太网，其特性是能够检测出载波，反射器在尝试基于嵌入式的以太网与总线的网关设计发射前先监听网络上的载波信号渺期。年，（、一数字、英特尔、施乐）研制出一种彳亍业标准的以太网，即。年，小组委员会成立，使以太网成为一种国际标准。年，批准了的以太网，这种以太网被称为快速以太网。以太网发展情况简介回顾的发展和应用历史，可以分为三个阶段：年一年发展的萌芽阶段。解决各种计算机的联网和信息交换，采用协议交换文件和信息，主要解决专业领域和银行、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，网络仅是少数计算机专家的概念。年年，作为客户机，席卷全球。在协议网络之上发明的和普遍成用，国际互联网被大众接受，这时一个重要的条件是普及的非常广泛，即形成了体系结构，进而发展为体系结构，这时的客户机是已广泛普及的，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。的发展使界的老牌公司也没有料想到会产生路由器的臣大需求，的成功就在于此。另一方面，的应用又造就了一大批以为代表的公司，以及电子商务公司，这时候所有的人不得不承认像一场革命改变了世界。和年，嵌入式时代。这个时期，嵌入式技术的飞速发展将给地球披上“电子皮肤，嵌入式片上系统称为瘦服务器。预测未来将向何处去，这是全球科学家关心的问题，美国贝尔实验室总裁的一批科学家对此做出了预测：在这阶段“将会产生比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季中物理信息、生物信息相联接，通过网自动的、实时的、方便的、简单的，提供给需要这些信息的对缘。第章嵌入式网关技术背景由此可见，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时代的关键和核心技术。考虑到这些原因，本设计就通过设计网关实现生产测控网与以太网的联接。协议在整个计算机网络通信中，使用最为广泛的通信协议便是协议。起源于世纪年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目，到世纪年代发展成为计算机之间最为常用的通讯协议。它是网络互联的标准协议，连入的计算机进行的信息交换和传输需要采用该协议。而且，在系统下实现和其他操作系统的联接与通信，以及配置各种专门功能的服务器的过程中，是使用最频繁的一个网络组件引。可以包容有线、无线乃至其他各种丰富的通信设备，可以构筑一个统一的网络环境。是一种通信软件，它可以利用网络中的各种各样的硬件设备，并不必限定某种通信方式。是立足于作为通过各种硬件进行各种工作的软件而设计出来的，所以网络的作用很大程度上取决于协议及其应用。实际上是一种层次型协议，是一组协议的代名词，它的内部包含许多其它的协议，组成了协议组【。是一个层次协议集，在参考模型中，把进行网络通信所必须的功能划分为七个层次。包括有：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。在协议的分组中，网络接口层是协议实现的基础，包含和等各种网络标准。提供了专门的功能，解决与各种网络物理地址的转换；网络层包含四个主要的协议：、和。它将多个网络联成一个网，通过网传送数据报，提供可靠的无连接报文分组传送服务，并能够实现逻辑地址（即地址）与物理地址的相互转换；传输层包含两个主要的协议：和，在协议的基础上，提供可靠的面向连接的服务，并使发送方能区分一台计算机上的多个接收者，即不同网络连接的端口号，从而实现两个用户进程之间传递数据报；应用层则定义了各种机型上主要采基丁嵌入式的以太网与总线的网关设计用的协议：、等。对大的数据报进行打包拆包处理，它提供远程访问服务，使用户可以在本地机器和远程机器间进行有关文件的操作和邮件传输，并能将名称解析成口地址。协议栈的结构如图所示。卜一以太网一卜一字一嵌入式系统图口协议栈的结构图嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统【。高实时性是嵌入式系统的基本要求，其次，还要求代码尽可能小，运行速度尽可能快，可靠性尽可能高。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。美国著名未来学家在年访华时预言，若干年后嵌入式智能工具将是继和之后的最伟大的发明【。第章嵌入式网关技术背景嵌入式系统结构嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有三个部分：嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统、嵌入式应用软件，如图中虚线框所示。经过不断的发展，原先嵌入式系统的层结构逐步演化成为一种层结构。如图中实线框所示，这个新增加的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板级支持包，是一个介于硬件与软件之间的中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与系统进行交互，实现操作系统的对硬件的直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式系统的通用化。嵌入式应用系统的设计包含硬件系统设计和软件系统设计两个部分，并且这两部分的设计是互相关联、密不可分的，嵌入式应用系统的设计经常需要在硬件和软件的设计之间进行权衡与折衷。这也是嵌入式应用系统设计与其它的纯粹的软件设计或硬件设计最大的区别【。，、：嵌入式系统三层嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件平台嵌入式系统四层嵌入式应用软件嵌入式操作系统硬件抽象层嵌入式硬件平台图嵌入式系统结构图嵌入式微处理器及其系统的特点嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下个特占、基丁嵌入式的以太网与总线的网关设计对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是需要功耗只有甚至级。嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比较具有以下特点：嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式与通用型的最大的不同就是嵌入式大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。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与各行各业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它不然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。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中对处理器的选择更具有竞争力。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。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，而不是存储于磁盘等载体中。第章嵌入式网关技术背景嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即设计完成以后用户通常不能对其中的程序进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。嵌入式操作系统通用计算机具有完善的操作系统和应用接（），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平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统应用软件可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配开发平台，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。嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，具有内核较精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。常用嵌入式操作系统选型嵌入式操作系统种类很多，大体可以分为商用型和免费型【。商用型实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的售后服务和技术支持，但是价格昂贵，还要定期收取使用费。免费的实时操作系统在价格方面具有优势，并且使用者较多，网络资源丰富。常见的五种商用型实时操作系统有：操作系统、操作系统、操作系统、操作系统、操作系统。常见的三种免费型实时操作系统有：操作系统、操作系统、嵌入式操作系统。结合国内实情，当前我国对自主操作系统的大力支持，也为源代码开放的的推广提供了广阔的发展前景。还有，对嵌入式系统应用开放者而言，他们需要的是一套高度简练、界面友善，质量可靠、应用广泛、多任务，并且价格低廉的操作系统。因为的强大的网络功能，许多人认为非常适合嵌入式网络设备。而且他们认为可以支持不同的设备，支持不同的配置。对厂商不偏不倚而且成本极低，能够很快成为用于各种设备的操作系统。如今，业基于嵌入式的以太网与总线的网关设计界已经达成共识；使用嵌入式是大势趋势【】。其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸引众多的厂商进入这一领域。嵌入式由于代码开放性以及强大的网络功能，在中、低端的嵌入式网络中应用起来，比起，等专用系统有许多优势，甚至支持蓝牙技术。等对于新技术的支持也远没有迅速。另外，从产品上市时间到产品的功能不断扩充、开发人力的投入都验证了使用嵌入式作为操作系统平台的优势。下表将商用嵌入式实时操作系统与嵌入式作了详细的分析和比较。无论从技术、成本、安全还是兼容性的综合角度来看，都是嵌入式操作系统非常不错的选择【。表专用嵌入式实时操作系统与嵌入式的比较比较项专用嵌入式实时操作系嵌入式统版权费每产生一件产品需要交免费纳一份版权费购买费用比较昂贵免费技术支持由开发商独家提供全世界的自由软件开发者提供支持网络特性较好，一般需另外付费免费而且性能优异软件移植难，因为是封闭系统易，代码开放应用产品开发周期较短，有厂家的技术支持较短，因为许多公开的代码可以参考和移植实时性能好需改进，可以用等模块弥补稳定性好较好第章嵌入式网关技术背景操作系统概述操作系统源于多年前一位芬兰大学生的业余作品，目前的成熟版本已经到了版。作为一个免费的操作系统，并且是从网络上发展起来的，因此的网络系统功能特别稳定和完善。目前被广泛应用于网络服务器，桌面操作系统以及本文将要讨论的嵌入式操作系统。按照专家和提出的操作系统分层方式【，的结构图如下表所示。表系统的结构示意图用户进程系统调用接口内核硬件控制器从表中可以看出，系统由个主要的子系统组成：用户进程。用户应用程序是运行在操作系统最高层的一个庞大的软件集合。当一个用户程序在操作系统之上运行时，它就是操作系统的一个进程。系统调用接口。为了在应用程序中实现特定的任务，可以通过系统调用接口来调用内核中特定的过程，以实现特定的服务。一般认为，这些调用和服务也是操作系统内核的一部分，内核的编程接口也属于这部分。系统调用本身也是若干条指令组成的过程，但与一般过程不同的是系统调用运行在内核模式，而一般的进程运行在用户模式。内核。内核是操纵系统的灵魂，包括内核抽象和对硬件资源的间接访问，它负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动系统并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等。基于嵌入式的以太网与总线的网关设计硬件。硬件包括了安装时需要的所有可能的物理设备。如、内存、硬盘、网络硬件、显示屏等。上述这个层次的关系表现为：上层依赖下层。每个子系统都只跟临近的层进行通信。系统的内核从程序员的角度来讲，操作系统的内核提供了一个虚拟的机器接口。它抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式来进行数据处理，而内核将所有的硬件抽象成统一的虚拟接口。以统一的方式支持多任务，而这种方式对用户进程是透明的，每一个进程运行起来就好像只有它一个进程在计算机上运行一样，独占内存和其他的硬件资源。实际上，内核在并行的运行几个进程，并且能够让几个进程公平合理地使用硬件资源，也能使各个进程之间互不干扰地安全运行。将系统的一些