基于以太网的嵌入式监控系统的设计与实现.doc

分类号 密 级 U D C 学 位 论 文 基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现 作 者 姓 名 陈 军 指 导 教 师 邓庆绪 副教授 东北大学计算机软件与理论研究所 申请学位级别 硕士学 科 类 别 工学 学科专业名称 计算机系统结构 论文提交日期 2007 年 12 月 20 日 论文答辩日期 2008 年 1 月 27 日 学位授予日期 答辩委员会主席 评 阅 人 东 北 大 学 2008 年 1 月 A Thesis for the Degree of Master in Computer Architecture Design and Implementation of Embedded Monitoring System Based on Industrial Ethernet by Chen Jun Supervisor Associate Professor Deng Qingxu Northeastern University January 2008 I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外 不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意 学位论文作者签名 签 字 日 期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留 使用学位论 文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人同意东北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 交流 如作者和导师同意网上交流 请在下方签名 否则视为不同意 学位论文作者签名 导 师 签 名 签 字 日 期 签 字 日 期 东北大学硕士学位论文摘 要 II 基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现 摘 要 随着信息技术的发展 工业控制网络正逐步朝着数字化 开放化 分散化的方向 发展 工业以太网作为一种新型控制技术 具有开放性好 结构简单 速度快 兼容 性强 易扩展和成本低等优点 受到了工业控制领域的青睐 并获得广泛应用 它实 现了自动控制技术和信息网络技术的融合 为企业办公自动化与生产自动化的无缝结 合提供了契机 同时 随着嵌入式系统在工业领域的广泛应用 嵌入式技术和工业以 太网技术相结合已成为一大发展趋势 因此研究基于工业以太网的嵌入式监控系统是 具有重要的现实意义 本文主要研究了嵌入式工业以太网控制器和简单网络管理协议的相关技术 设计 和实现了一个基于工业以太网的对设备节点具有信息检索 修改和故障诊断功能的嵌 入式远程监控系统 论文首先简要介绍了网络控制系统的组成和发展 阐述了研究的 意义所在 接着描述了工业以太网的发展 分析了工业以太网的优势和存在的问题以 及工业以太网的通信原理和协议体系结构 研究了网络底层接口的工作原理 实现了 由微处理器 S3C44B0X 和网络芯片 RTL8019AS 构成的嵌入式工业以太网络控制器 并 设计了基于实时操作系统和嵌入式 TCP IP 协议栈的软件平台方案 在此基础上 探讨 了用于监控工业设备的嵌入式 SNMP 代理的实现技术 设计并实现了该代理的各个组 成部分 即网络通信模块 编码解码模块 消息处理模块 Trap 模块和 MIB 访问模块 给出了 SNMP 代理扩展的步骤和方法 最后对系统进行了相关测试 并对结果进行了 分析 同时提出下一步需要完善的工作 关键词 工业以太网 嵌入式系统 工业以太网控制器 简单网络管理协议 嵌入式 SNMP 代理 东北大学硕士学位论文Abstract III Design and Implementation of Embedded Monitoring System Based on Industrial Ethernet Abstract With the development of information technology industrial control network is becoming digital open and decentralized Industrial Ethernet as a new control technology has a lot of merits such as good openness simple structure quick speed good compatibility easy expansibility low costs and so on It has been widely used in industrial control field The automatic control technology and information network technology are integrated via industrial Ethernet which provides a chance for integration between enterprise office automation and factory automation Meanwhile the embedded system is being widely used in industry field The production combining with embedded technology and industrial Ethernet is very popular and has a bright future So it is important to investigate and develop an intellectualized embedded monitoring system based on the industrial Ethernet The main techniques in industrial Ethernet and simple network management protocol are introduced in this thesis and an embedded monitoring system based on the industrial Ethernet is designed and implemented which has the functions of information retrieval modification and fault diagnosis First the history and the structure of the networked control system are presented in this thesis Meanwhile the significance of research is expressed Then the development direction of industrial Ethernet are described the advantage and disadvantage of industrial Ethernet the communication theory and the protocol architecture of industrial Ethernet are analyzed The working principle of network bottom interface is studied and an embedded industrial Ethernet controller composed of the micro processor S3C44B0X and the network chip RTL8019AS is designed At the same time the software solution based on real time operating system and embedded TCP IP protocol is provided The implementation technique of monitoring and management system based on the embedded SNMP is researched The design and implementation of all parts including network service module encode and decode module message handling module Trap module and MBI access module is discussed detailedly The process and method of extending SNMP agent is introduced Tests are carried out and the performance of this system is analyzed based on these tests Conclusion and future work are given in the last part of this thesis Keywords Industrial Ethernet Embedded System Industrial Ethernet Controller Simple Network Management Protocol Embedded SNMP Agent 东北大学硕士学位论文目 录 IV 目 录 独创性声明 I 摘 要 II ABSTRACT III 第一章 绪 论 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究意义 2 1 3 网络控制系统结构概述 2 1 4 论文内容及安排 4 第二章 相关技术介绍 5 2 1 以太网技术概述 5 2 2 工业以太网相关技术 5 2 2 1 工业以太网介绍 5 2 2 2 工业以太网通信原理 7 2 2 3 工业以太网协议体系 7 2 3 嵌入式系统 12 2 3 1 嵌入式系统综述 12 2 3 2 嵌入式系统的组成 13 2 4 本章小结 15 第三章 工业以太网控制器的设计 17 3 1 工业以太网控制器硬件设计 17 3 1 1 硬件选型 17 3 1 2 硬件平台总体设计 20 3 2 工业以太网控制器软件设计 21 3 2 1 实时操作系统的移植 22 3 2 2 网卡驱动程序的设计 26 3 2 3 嵌入式 TCP IP 协议栈的移植 27 3 3 本章小结 30 第四章 嵌入式监控系统的设计与实现 31 4 1 SNMP 概述 31 4 1 1 SNMP 的发展 31 东北大学硕士学位论文目 录 V 4 1 2 SNMP 的管理模型 31 4 2 E SNMP 代理的开发 32 4 2 1 E SNMP 代理的设计 32 4 2 2 E SNMP 代理的实现 33 4 2 3 SNMP Agent 的功能扩展 47 4 3 本章小结 50 第五章 系统测试 51 5 1 测试环境 51 5 2 集成测试 51 5 2 1 以太网控制器的测试 51 5 2 2 E SNMP 代理的测试 52 第六章 总结和展望 57 参考文献 59 致 谢 61 攻读硕士期间参加的项目 63 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1 1 研究背景 计算机技术和信息技术的迅猛发展 对企业自动化和信息化领域的发展产生了巨 大的影响 使控制系统结构从原来基于模拟信号传输的控制系统 发展到了基于数字 化 网络化 分布化 智能化的现场总线控制技术 现场总线使用公开 规范的通信 协议 通过双绞线把位于生产控制现场的多个微机化测控设备 现场仪表与用作监控 管理的远程计算机连接起来 实现数据传输与信息共享 使控制系统成为真正意义上 信息集中 控制分散 的分布式控制系统 虽然总线技术具有系统开放性好 互可操作性与互用性 现场设备智能化 现场 环境的适应性强等优点 但是 随着工业过程系统规模的扩大和技术的发展 基于现 场总线技术的集散控制系统也暴露出了一些问题 1 各个厂家的控制系统协议不统一 相互不兼容 早在 1984 年 国际电工技术 委员会 国际标准协会 IEC ISA 就着手开始制定现场总线的标准 1 至今统一的标准仍 未完成 目前世界上仍然存在着 40 余种现场总线 如 ProfiBus LONWorks CAN MODBus FieldBusFoundation DeviceNet 等 通信协 议的多样性使得不同总线产品间不能直接互连 互用和互可操作 使控制网络的系统 集成与信息集成面临困难 2 数据传输速率低 由于当初在开发自控设备间数据通信技术时 把注意力集中 在满足控制实时要求 工业环境下的抗干扰 总线供电等方面 同时传统控制网络中 要传输的数据量不大 因此那时开发的现场总线的传输速率大都较低 随着自控设备 智能化程度的提高 2 传输的数据量也将越来越大 所以网络传输的高速性在工业控 制中越来越重要 3 信息集成困难 由于现场总线位于整个工业控制系统的底层 缺少统一标准的 构架 不易与 Internet 互联 因此无法实现远程信息共享和与企业信息网的集成 随着计算机 网络技术的发展 企业迫切希望将底层的生产信息整合到统一的全 厂信息管理集成系统中 而工业以太网技术的发展 恰好弥补了现场总线技术的缺陷 带来了新的契机 工业以太网作为一种新兴 统一 快速发展的标准 满足了工业网 络在开放性 互联性 带宽方面提出的高要求 工业以太网技术的广泛应用 使企业 的现场设备层 过程监控层和信息管理层能实现全面的无缝信息集成 真正达到 管 控一体化 为早日实现企业的 一网到底 做好准备 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 2 1 2 研究意义 当前 企业网已渗透到企业的各个领域 推动着企业的发展 在促进产业经济信 息化中也起到了关键性的作用 作为底层网络的现场总线控制网络则是企业网的最重 要的组成部分 它直接关系到一个企业的产品质量 生产效率和经济效益 将嵌入式技术与工业以太网技术相结合 通过 Internet 使所有连接网络的设备彼此 互通互联 从计算机 通讯设备到仪器仪表 现场设备等 已成为当前工厂企业构建 信息化技术平台的发展趋势 其在自动化控制领域的应用前景被普遍看好 因此 研 究基于工业以太网的嵌入式监控系统平台具有重要的现实意义 1 3 网络控制系统结构概述 网络控制系统 NCS Networked Control System 是指将不同地域的传感 控制 执 行等分布对象通过网络互联起来形成闭环的反馈控制系统 是集散控制系统 DCS 和现 场总线系统 FCS 的进一步扩充 正朝着网络化 集成化 节点智能化 分布化的趋势 发展 随着企业综合自动化系统的发展 企业要把市场信息 经营决策 管理 生产调 度 故障诊断等紧密结合在一起 形成一个整体 进行综合信息处理 实现原料供应 产品开发与加工 产品储运 市场信息 企业管理 决策等过程的一体化解决方案 就需要将自动控制 办公自动化 经营管理等各层次计算机互连成网络 实现信息的 沟通汇集与数据共享 企业网络控制系统通常由三个部分组成 即 信息管理层 过 程监控层和现场设备层 如图 1 1 所示 互联网 Internet 内部网 Intranet 现场总线控制网络 信息管理层 过程监控层 现场设备层 图 1 1 企业网络系统的层次结构图 3 Fig 1 1 The Structure of Enterprise Network System 1 信息管理层 信息管理层也被称为企业资源规划层 ERP Enterprise Resource Planning 位于企业 网络系统的最上层 主要用于企业的计划 销售 库存 财务 人事以及企业的经营 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 3 管理等方面信息的传输 这一层使用开放的 TCP IP 协议进行相互通信 数据报文通常 都比较长 吞吐量也较大 因此要求网络具有较大的带宽 主要由快速以太网和千兆 以太网组成 2 过程监控层 过程监控层又被称为制造执行层 MES Manufacturing Execution System 位于企业 网络系统的中间层 主要用于现场设备的监控 管理 调度 趋势分析 设备故障报 警等功能 另外还包括控制组态的设计和安装 这一层的网络节点多为各种计算机和 及其外设 通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连 或者通过专门的现场总线接口 实现现场总线网段与以太网段的连接 该层网络的特点是信息的传输具有一定的周期 性和实时性 信息传输量大 对网络的带宽要求也比较高 同时 该层还为实现先进 控制和远程操作优化提供支撑环境 例如实时数据库 工艺流程监控 先进控制以及 设备管理等 3 现场设备层 现场设备层又称过程控制层 PCS Process Control System 位于企业网络系统的最 底层 用于完成生产现场测量控制功能 该层所传输的信息内容包括生产装置运行参 数的测量值 控制值 开关状态的监控 报警状态 设备的资源与维护信息 系统组 态 参数设置等 这些值都具有信息长度小 实时要求高 可靠性好等特点 因此使 用现场总线或其他专用网络构建 现场总线是将应用与生产现场的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制 通信网络 遵循 ISO 的 OSI 开放式系统互连参考模型的全部或部分通信协议 根据现 场总线的协议标准 智能设备采用功能块的结构 通过组态设计 完成数据采集 A D 转换 数字滤波 温度压力补偿 PID 控制等各种功能 并应用智能转换器对传统检 测仪表电流电压进行数字转换和补偿 4 此外 总线上应有 PLC 的接口 便于连接原 有的系统设备 现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上 为保证节点之间实时 可靠 的数据传输 现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构 常见的现场总线网络拓扑 结构有环形网 总线网 树型网和令牌总线网 现场设备层通信介质不受限制 可用 双绞线 同轴电缆 光纤 电力线 无线 红外线等各种形式 在整个网络控制系统中 现场设备层是整个网络系统的基础 也是整个网络系统 的核心 只有确保总线设备节点之间可靠 准确 完整的数据传输 上层网络才能获 取信息以及实现监控功能 当前对现场总线的讨论大多停留在底层的现场智能设备网 段 但为了实现一体化解决方案 应更多地考虑现场设备层与中间的过程监控层 Internet 应用层之间的数据传输与交互问题 以及实现控制网络与信息网络的紧密集成 东北大学硕士学位论文第一章 绪 论 4 1 4 论文内容及安排 本论文所研究的基于工业以太网的嵌入式监控系统充分利用以太网技术和嵌入式 系统的特点 搭建的设备监控系统平台 融合了现场采集控制技术与网络上层通信管 理技术 使得在高速局域网里随时都可以对控制对象进行实时数据监控 可以方便地 应用于工业控制现场等多种领域 本文对工业以太网控制器进行了研究 研究了如何为现场控制器设计并实现由位 微处理器和嵌入式实时操作系统构成的嵌入式工业以太网络控制器 在此基础上 本 文还对嵌入式网络监控和管理技术进行了研究 设计并实现了嵌入式网络管理代理 E SNMP Agent 为工业以太网将来更广阔的应用作了一些探索 全文共分 6 章 各部分内容安排如下 第一章 介绍了项目背景 并指出来了研究的意义所在 同时介绍了网络控制系统 的组成结构 第二章 分析了相关的技术内容 包括以太网的发展历程 工业以太网在现场应用 的优点和不足 工业以太网的通信原理和协议体系结构 嵌入式系统的介绍以及在工 业控制领域的应用前景 第三章 设计和实现了嵌入式工业以太网络控制器 包括硬件电路的设计和系统软 件平台的实现 第四章 详细描述了基于工业以太网络控制器的简单网络管理代理的原理和实现过 程 利用该平台实现对现场设备的远程监控 第五章 系统测试 第六章 总结与展望 总结了本文所做的工作 并指出了其它有待深入研究的问题 和今后工作的重点 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 5 第二章 相关技术介绍 本章介绍了以太网的发展过程 分析了工业以太网的优势和缺点以及工业以太网 的通信原理和协议体系结构 同时介绍了嵌入式系统方面的内容 为后续章节做理论 基础的铺垫 2 1 以太网技术概述 以太网最初由美国施乐公司 Xerox PARC Palo Alto Research Center 研究中心的 Bob Metcalfe 与 David Boggs 于 1976 年研制成功的一种试验网络 该网络采用无源电 缆作为总线来传输数据帧 故以传播电磁波的 以太 命名 5 在 1981 年 数字装备 公司 DEC 英特尔公司 Intel 以及施乐公司 Xerox 联合推出了实现 10Mbps 基带传输 的以太网规约 并于次年公布了第二版以太网规约 DIX Ethernet V2 0 通常所说的以 太网就是指 DIX Ethernet V2 0 所描述的技术 1983 年 美国电气与电子工程师协会 IEEE 在 DIX 规范基础上进行了修改而制定了标准 IEEE802 3 并于 1990 年 2 月被国 际标准化组织 ISO 采纳 正式成为 ISO IEC802 3 国际标准 成为国际上最流行的局域 网标准之一 此后 随着技术的发展 以太网的速度有了很大的提高 从最初的 10Mpbs 以太网发展到了 100Mpbs 在 1999 年和 2002 年 IEEE 又相继发布了千兆以太 网和万兆以太网标准 进入了快速以太网时代 6 随着互联网技术的发展与普及 以太网技术和应用的也得到了快速的发展 以太 网传输速率的提高和交换技术的发展 给解决以太网通信的不确定性问题带来希望 使其从办公自动化领域走向了工业控制领域成为可能 2 2 工业以太网相关技术 2 2 1 工业以太网介绍 工业以太网即应用于工业自动化控制领域的以太网技术 目前一般定义为在技术 上与商用以太网 即 IEEE802 3 标准 兼容 但在产品设计时 在材质的选用 产品的强 度 适用性以及实时性 可互操作性 可靠性 抗干扰性和安全等方面能满足工业现 场需求的以太网 7 在工业控制领域采用快速以太网技术 以物美价廉的以太网设备 替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备是今后的发展趋势 因为与其他现场总线和 工业通信网络相比 工业以太网具有以下 5 大优点 8 9 10 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 6 1 应用广泛 以太网技术是目前应用最广泛的局域网技术 受到广泛的技术支持 基于国际标 准规范 IEEE802 3 和 TCP IP 协议族的以太网是一种标准的开放式网络 使不同厂商的 设备很容易互联 非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题 2 与信息网络无缝集成容易 由于采用相同的通信协议 工业以太网能轻松实现办公自动化网络和工业控制网 络的信息集成 组建一个统一的企业网络 无论用户处于什么地方 也无论设备资源 的物理位置在何处 都能通过网络对企业地设备状态和生产过程进行监控 能便捷地 访问远程系统 共享数据库等 极大地解除了地理位置上的束缚 3 数据传输率高 目前快速以太网支持的数据传输速率以达到了百兆 千兆甚至万兆 比目前任何 一种现场总线都快 在相同通信量的条件下 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻 而网络负荷的减轻则意味着确定性的提高 并且 随着以太网交换技术的快速发展 使任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发 不存在信道共享引起的竞争问题 4 成本和费用低廉 由于以太网的应用最为广泛 受到了许多硬件厂商的高度重视和广泛的支持 具 有丰富地软硬件资源 存在多种以太网硬件产品供用户选择 以太网产品的价格与现 场总线相比也低廉的多 并且随着集成电路技术的发展 其价格还会进一步下降 同 时 人们对以太网的设计 应用等方面有很多的经验 对其技术也十分熟悉 大量的 软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发 培训和维护费用 从而可以显著降低 系统的整体成本 并大大加快系统的开发和推广速度 5 可持续发展潜力大 以太网是目前最为广泛应用的计算机网络 它的发展一直受到广泛的重视和大量 的技术支持 工业控制网络采用以太网技术 就可以避免其发展游离于计算机网络技 术的发展主流之外 并且工业控制网络与信息网络技术相互结合 相互促进 共同发 展 可以保证技术上的可持续发展 避免将来在技术升级时的再次投入 虽然工业以太网有着许多的优点 但是我们也不能否认目前将以太网技术直接应 用到控制领域仍然有着或多或少的不足和缺陷 首先 最大的障碍是通信的非确定性 存在控制实时性差的问题 其次 缺少统一的应用层协议 导致不同厂家设备之间不 能互相操作性 再次 目前的以太网设备不能适应工业现场环境 无法保证可靠性 最后 以太网的安全性较差 会受黑客 病毒等攻击 造成信息的泄漏 但随着工业 以太网技术的不断发展和完善 相信这些问题都将逐步得到解决 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 7 2 2 2 工业以太网通信原理 工业以太网在技术上兼容商业以太网 因此也采用了相同的载波监听多路访问 冲 突检测的介质访问方法和物理层规范 1 介质访问控制协议 CSMA CD CSMA CD 协议是一种分布式介质访问控制协议 网络中的各个站 节点 都能独立 地决定数据帧的发送与接收 每个站在发送数据帧之前 首先要进行载波监听网络 如果网络忙 它等待直到网络空闲 否则它就立刻传输 如果两个以上的站同时监听 到介质空闲并发送帧 则会产生冲突现象 这使发送的帧都成为无效帧 在传输的同 时 节点一定也要监听和监测消息冲突 每个站必须有能力随时检测冲突是否发生 一旦发生冲突 则应停止发送并等待随机长的时间后重新尝试传输 CSMA CD 的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送 当网络通信量较 小的时候 冲突很少发生 这种介质访问控制方式是快速而有效的 当网络负载较重 的时候 就容易出现冲突 网络性能也相应降低 2 冲突退避算法 在 802 3 以太网中 当检测到出现冲突 就要重发原来的数据帧 冲突过的数据帧 的重发又可能再次引起冲突 为避免这种情况的发生 经常采用错开各站的重发时间 的办法来解决 重发时间的控制问题就是冲突退避算法问题 最常用的计算重发时间 间隔的算法就是二进制指数退避算法 它是根据冲突的历史次数决定本次应等待的时 间 按此算法 当发生冲突时 控制器延迟一个随机的间隔时间 随机时间长度的公 式为 2 1 21 N TAN 公式 2 1 中 A 是时间片 时隙长度等于最差情况下数据在介质上来回传输的时间 按 IEEE802 3 的规定为 51 2us N 是连续冲突的次数 整个算法过程可以理解为 每个帧在第一次发生冲突时的最大退避时间为 1 T 当重复发生一次冲突 则最大退避时间加倍 然后组织重传数据帧 在 10 次碰撞发生后 该间距将被冻结在最大时间片 即 1023 上 16 次碰撞后 控制器将停止发送并向高层报告发送失败信息 这个算法中等待时间的长短与冲突的次数有关 一个数据帧遭遇的冲突次数越多 则等待时间越长 这说明当前网络传输的数据量比较大 网络的负荷比较重 2 2 3 工业以太网协议体系 目前 工业以太网协议有多种 其中最主要有 EPA EtherCAT Ethernet 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 8 Powerlink PROFINET Modbus IDA 和 Ethernet IP 等 6 种 根据实时工业以太网扩 展的不同技术方案 可以将实时工业以太网通信协议模型分为 4 类 1 基于 TCP IP 的实时数据交换模型 Modbus 和 Ethernet IP 工业以太网协议是采用在 TCP IP 之上进行实时数据交换的 模型 11 其通信模型如图 2 1 所示 实时应用 TCP UDP IP Ethernet MAC 图 2 1 基于 TCP IP 的实时数据交换模型 Fig 2 1 Real Time Data Exchange Module Based on TCP IP 2 旁路通信模型 PROFINET v2 IDA 工业以太网协议采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信 协议模型 11 其通信模型如图 2 2 所示 实时应用 TCP UDP IP Ethernet MAC 优先权 图 2 2 旁路通信模型 Fig 2 2 Bypass Communication Module 3 集中调度通信模型 EPA Powerlink PROFINETv3 三种工业以太网协议采用集中调度提高实时性的 解决方案 11 其通信模型如图 2 3 所示 实时应用 TCP UDP IP Ethernet MAC 调度 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 9 图 2 3 集中调度通信模型 Fig 2 3 Centralized Dispatching Communication Module 4 集总帧 通信模型 EtherCAT 采用类似 Interbus 现场总线 集总帧 通信方式和在物理层使用总线拓 扑结构提升以太网实时性能 12 其通信模型如图 2 4 所示 实时应用 TCP UDP IP Ethernet MAC 集总帧 图 2 4 集总帧通信模型 Fig 2 4 Centralized Frame Module 但是 它们在本质上仍是基于以太网技术的 对应于国际标准化组织 ISO OSI 的 通信参考模型 工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了 IEEE802 3 标准 在 网络层和传输层则采用被称为以太网上的 事实上 标准的 TCP IP 协议簇 包括 IP ARP ICMP IGMP TCP UDP 等协议 它们构成工业以太网的低四层 在高 层协议中 工业以太网协议通常忽略掉会话层和表示层 而只定义应用层 其通信协 议模型如图 2 5 所示 表示层 传输层 网络层 数据链路层 会话层 物理层 ISO OSI模型 应用层 TCP UDP协议 IP协议 以太网MAC层 工业以太网 应用层 物理层 图 2 5 工业以太网协议层次结构图 13 Fig 2 5 The Architecture of Industrial Ethernet Protocol 1 物理层 物理层位于 OSI 参考模型的最底层 它直接面向实际承担数据传输的物理媒体 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 10 为上一层 数据链路层 提供一个传输原始比特流的物理连接 物理层的传输单位为比特 bit 即一个二进制位 0 或 1 物理层的媒体包括架空明线 平衡电缆 光纤 无线信道等 网络节点的物理层控制网络节点与物理通信通道之间的物理连接 由于 物理连接方式和传输媒体的多样性 物理层协议也相当的复杂 物理层协议规定与建 立 维持及断开物理信道有关特性 包括机械的 电气的 功能性的和规程性的四个 方面 这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节之间正确地收 发比特流信 息 以太网在物理介质中采用的是基带传输技术 按照传输速率分成 10Mbps 100Mbps 1000Mbps 10Gbps 等标准 在 10Mbps 网络中按照物理介质的不 同又分为 10Base5 10Base2 10Base T 10Base F 使用了曼彻斯特编码方式 曼彻 斯特编码将每个比特时间分成两个相等的时间段 在一个周期的前半段时间电压为高 后半段电压为低 表示 1 在一个周期的前半段时间电压为低 后半段时间电压为 高表示 0 在 100Mbps 以太网的国际标准中又被分为 100Base T4 100Base TX 100Base FX 100Base T2 四种 100M 以太网的物理层编码方式与 10M 以太网不 同 在 100Base TX 规范中使用了 4B5B 编码 即每 5 个时钟周期作为一组 每组发送 4 比特 而 100Base T4 则使用了比曼彻斯特编码更高级的 6B 6T 编码方式 2 数据链路层 数据链路可以理解为数据通道 其本质是将不可靠的传输媒体变成可靠的传输通 路 为上一层 网络层 提供透明的 可靠的 无差错的数据传输 由于物理媒体上传输 的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错 因此数据链路层就要完成数据链 路的建立 拆除 分离 对数据的差错检查 纠错等基本任务 链路层的数据传输单 元是帧 frame 在 IEEE802 3 标准中 数据链路层分成了两个子层 一个是逻辑链路 控制 LLC 另一个是媒体访问控制 MAC IEEE802 3 以太网 MAC 的帧格式如图 2 6 所示 每帧都以 7 字节的先导字段开始 每个字节的内容都是 10101010 随后是内容为 10101011 的一个字节长的前同步码 表 示帧本身的开始 MAC 帧内容由五个字段组成 前两个字段分别为目的地址字段和源 地址字段 第三个字段为长度字段 它指出后面的数据字段的字节长度 其值为 0 1500 数据字段就是逻辑链路层交下来的逻辑链路帧 最后一个字段为帧校验序列 它对前四个字段进行 CRC 校验 前同步码起始界符目的地址源地址数据长度LLC帧 填充 帧校验序列 数据 MAC帧 716624 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 11 图 2 6 IEEE802 3 MAC 帧格式 13 Fig 2 6 IEEE02 3 MAC Frame 以太网帧与 IEEE802 3 的帧格式略有不同 以太网帧的头部共 14 个字节 其中前 12 个字节与 802 3 相同 后面 2 个字节为类型字段 以太网的帧格式的类型字段定义 了后续数据的类型 其中 0 x0800 表示 IP 数据包 0 x0806 表示 ARP 数据帧 3 网络层 网络层负责相邻计算机之间的通信 主要包括路由选择 中继激活 差错检测与 恢复 流量控制 服务选择 网络管理等功能 在 TCP IP 协议簇中 网络层协议包括 IP 协议 ARP 协议 RARP 协议 ICMP 协议以及 IGMP 协议 IP 是 TCP IP 协议族中最为核心的协议 所有数据报的传输都要经过 IP 协议 以 IP 数据报格式传输 是通信网络与高层协议的边界 IP 协议是一种无连接 不可靠的 数据报传输协议 无连接表示 IP 并不维护任何关于后续数据报的状态信息 每个数据 报的处理是相互独立的 不可靠是指它不能保证 IP 数据报能正确地到达目的主机 任 何要求的可靠性必须由上层来提供 IP 协议主要完成数据包的发送和接收 为将数据 包传送到目的机器 IP 协议需要为每个 IP 数据包添加目的 IP 地址并选择路由 ARP 地址解析协议 是一种将 IP 地址转化为物理地址的协议 ARP 并不使用 IP 的 结构 它有自己的结构 直接与数据链路层进行通信 当主机需要把一个 IP 数据包发 送给对方主机时 是根据物理地址来确定目的地址的 这就需要将 TCP IP 协议栈使用 32 位的 IP 地址 转化成以太网使用 48 位的物理地址 ARP 协议为 IP 地址到物理地址 之间提供动态映射 ARP 协议工作时 首先发送一份称作 ARP 请求的以太网数据帧给 以太网上的每个主机 即在以太网上进行广播 ARP 请求中包含目的主机的 IP 地址 意思是如果你是 IP 地址的拥有者 请回答你的硬件地址 目的主机的 ARP 层收到这 份广播报文后 识别出这是发送端在询问它的 IP 地址 于是发送一个 ARP 应答 这 个应答包含自己 IP 地址及对应的硬件地址 收到 ARP 应答后 发送 ARP 请求的主机 就可以发送 IP 数据报到目的主机了 ICMP 意为 Internet 控制报文协议 用来传递差错与控制报文 ICMP 报文封装在 IP 数据报中通过链路层在网络中进行传输的 与其他高层协议 如 UPD TCP 等 相似 ICMP 最常用的功能是回显请求 PING 命令 通过使用回送请求和应答报文来测试网络 的可达性 4 传输层 传输层负责数据在互联网中的传输 为两台主机上的应用进程提供端到端的通信 在 TCP IP 协议族中 该层包含了两个互不相同的协议 TCP 和 UDP TCP 即传输控制协议 提供一种面向连接的 可靠的字节流服务 面向连接意味 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 12 着两个使用 TCP 的应用程序在彼此交换数据前必须先通过 3 次握手方式建立一个 TCP 连接 当不在需要交换数据时需要断开连接 TCP 协议是一个比较复杂的协议 使用 了数据报校验和 数据报确认和超时重传来保证数据的可靠性 接收方需要对每个接 收到 TCP 数据报发送确认 如果发送方在指定的时间内没有接收到接收方的确认 它 将重发这个数据段 超过指定的重传次数后 TCP 发送方将向应用程序报告发送失败 TCP 提供的是字节流服务 它为每一个发送的数据按字节进行了编号并且保证这些数 据的顺序在传输中不会改变 TCP 协议还提供流量控制和拥塞控制 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间 被称为滑动窗口 TCP 发送方只能根据对方缓冲空间的大小来发送数据 TCP 接收方 在接收过程中动态地调整缓冲空间的大小 每当将接收到的数据存放在缓冲区中 就 缩小窗口的大小以反映可用的缓冲区的减小 当高层的应用程序将数据从缓冲区中读 走之后 就扩大窗口的大小以反映可用的缓冲区的扩大 这将防止较快主机致使较慢 主机的缓冲区溢出 TCP 协议使用了慢启动的方法来实现拥塞控制 每个发送方都维 护一个拥塞窗口 拥塞窗口根据网络的拥塞情况动态调整大小 控制发送方的数据流 量 避免网络拥塞 UDP 即用户报文协议 提供了一种无连接 不可靠的数据报传输服务 它仅仅把 数据报发送到网络 但是并不保证他们能到达目的地 同时从网络中接收传来的数据 报 但不能保证按发送顺序接收 UDP 协议设计简单 一般应用于传输延时小 对可 靠性要求不高 传输少量数据的情况 如 DNS TFTP 等 5 应用层 应用层直接向使用网络的用户提供特定的 常用的应用程序 实现多个系统应用 进程相互通信的同时 完成一系列业务处理所需的服务 应用层的协议内容包括文件 传输协议 FTP 域名系统协议 DNS 简单网络管理协议 SNMP 简单邮件传输协议 SMTP 超文本传输协议 HTTP 等 2 3 嵌入式系统 2 3 1 嵌入式系统综述 嵌入式系统 Embedded System 一般是指以应用为核心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁减 以及能够满足应用系统对功能 可靠性 成本 体积和功耗等严格要求 的专用计算机系统 14 嵌入式系统通常具有体积小 低功耗 集成度高 低成本 资 源少 能在恶劣条件下运行等特点 嵌入式计算机系统和通用型计算机系统相比具有以下特点 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 13 1 嵌入式系统通常是面向特定应用 嵌入式处理器与通用型处理器最大的不同是 嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常都具有功耗低 体积小 集成度高等特点 能够把通用处理器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 和网络的耦合也越来越紧密 2 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 3 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 4 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 5 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 6 嵌入式系统本身不具备自主开发能力 即使设计完成以后用户通常也是不能对 其中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开发 2 3 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统的结构由两大部分组成 硬件平台 处理器 存储器 输入 输出 和软 件平台 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件 如图 2 7 所示 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 嵌入式处理器 存储器 软件平台 硬件平台 图 2 7 嵌入式系统组成 Fig 2 7 Constitution of Embedded System 1 嵌入式硬件平台 东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍 14 嵌入式系统的硬件包括嵌入式处理器 外围设备 嵌入式处理器是嵌入式系统的 核心部分 通常是微处理器 微控制器 DSP 等中的一种 它与通用的 PC 处理器的 最大的区别就是集成很多外围控制器接口 有利于嵌入式系统的功耗下降和系统的小 型化 提高可靠性 通常具有以下 4 个特点 a 对实时多任务有很强的支持能力 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 b 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已结构化 为避 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保护功能 同时也有利 于软件的诊断 c 可扩展的处理器结构 从而能更迅速地开发出满足应用而且高性能的嵌入式微 处理器 d 嵌入式微处理器必须功耗很低 特别是用于便携式的无线通信及移动设备中 靠电池供电的嵌入式系统更是如此 外围设备包括 RAM SDRAM FLASH 等存储设备 USB 串口 以太网等通 讯设备和 LCD 触摸屏等显示设备等 2 嵌入式软件平台 嵌入式系统软件包含嵌入式操作系统和嵌入式应用程序 嵌入式操作系统介于硬 件和应用程序之间 负责调度并管理实时应用程序 并完成对硬件的控制和操作 实 时应用程序是基于嵌入式实时操作系统 利用操作系统提供的实时机制完成特定嵌入 式系统具体功能的应用程序 嵌入式操作系统是整个嵌入式的核心 一般是专用的 EOS Embedded OS 或 RTOS Real Time OS 其中实时系统可以分为两类 硬实时系统和软实时系统 实时 嵌入式系统是为执行特定功能而设计的 可以严格地按时序执行功能 其最大的特征 就是程序的执行具有确定性 嵌入式操作系统与通用操作系统相比较 主要有以下几个方面特征 a 体积小 设计者不断在更小空间 更便宜的 CPU 中注入更强的计算能力 并 希望将这些 CPU 集成于各种各样的项目中 通用计算机的传统操作系统一般要求功能 强大 而在嵌入式系统中 在满足相应需求的情况下 则要求占用资源尽可能地少 b 运行时间长 嵌入式操作系统在没有干预的情况下应该能够长时间运行 这意 味着软件与硬件都具有极高的稳定性 c 故障重启 尽管嵌入式系统设计得坚固可靠 但仍不能保证错误发生 因此需 要预防系统出现故