一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器.doc

一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器摘要：针对某些单MCU结构的嵌入式Internet服务器性能价格比低且灵活性差的问题，提出了一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器（DMCUEIAS）。它使嵌入式Internet的用户交互和设备控制分离，用户通过Internet不仅可以监视和控制现场设备，而且利用RAC可以将任务下载到现场；解决了低端单MCU处理能力低高端MCU成本高的矛盾，并能够灵活地实现现场控制程序的功能扩展和升级。 关键词：双MCU结构嵌入式InternetRAC嵌入式TCP/IP协议栈嵌入式Internet是指借助于Internet监视和控制工厂的机器、通信设备、数据采集系统、过程控制系统、医疗设备、机顶盒、车辆控制器、办公机械、个人数字助理（PDA）和其它设备。随着Internet/Intranet的迅猛发展，将Internet延伸到8位、16位、32位单片机，实现基于Internet的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件、自动发送EMALL等功能已经成为嵌入式系统发展的必然趋势。就嵌入式Internet系统而言，实现Internet通信协议及其服务，同时还要控制现场设备将占用大量资源，而嵌入式Internet系统中大量存在的是8位和16位MCU，这些系统在某些环境下实现上述功能将十分困难。如果采用32位或64位的处理器，无疑会增加成本。为此，本文提出了一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器DMCUEIAS。其中一个MCU作为Internet服务器与用户交互（称作InetMCU），它支持TCP/IP协议栈并运行Internet服务程序，形成一个用户可以通过浏览器进行交互的服务器；另一个MCU专门用作设备服务器（称作DevMCU）控制多个设备。InetMCU和DevMCU通过RAC协议实现通信，完成现场设备的控制。这样可以提高性能价格比，具有操作简便、功能易扩展等特点。1硬件结构双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器DMCUEIAS采用ATMEL公司生产的AT90S8515微控制器作为InetMCU，采用AT89S53作为DevMCU，系统体系结构如图1。其中，DevMCU拥有12K字节的Flash程序存储器，256字节的片内RAM，3个可预分频的16位定时储器，256字节的片内RAM，3个可预分频的16位定时器、计数器，32位I/O口和一个内置的全双工UART；InetMCU拥有8K字节的Flash程序存储器，512字节的片内EEPROM，512字节的片内RAM，1个可预分频的8位定时器、计数器，1个可预分频、具有比较、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定时器和计数器，用于程序下载的SPI口，32位I/O和一个内置的全双工UART。InetMCU的时钟频率是8MHz，可以高速地通过ISA口传递数据（约2Mbps）。通过一个时钟周期内执行一条指令，InetMCU可以取得近1MIPS/MHz的性能。通过在单一芯片内将一个增强性的8位RISCCPU与可下载的Flash结合，使它非常适合多种嵌入式应用要求，具有高度灵活性和低成本的特点。DMCUEISA的以太网控制器采用台湾Realtek公司的RTL8019AS（10Mbps）。其采用全双工通信方式，使帧的发送与接收能够在一条通信线路上同时进行。使信道的带宽增加一倍，实现了基于IEEE802.3协议标准的MAC层（MediaAccessControlLayer）的所有功能。内置的双DMA通道FIFO完成简单有效的包管理（数据帧的接收和发送）功能，本地DMA通道的传输速率高达10Mbps。其优越的性能价格比使它非常适合嵌入式Internet系统。在InetMCU的片内Flash中固化的服务程序可以现任务调度、线程支持、文件系统、内存管理、网络系统（TCP/IP）和I/O管理等。通过20位（8位A口，8位C口，D口的PD0、PD1、PD2、PD7）I/O口连接到廉价的ISA总线的网卡芯片RTL8019AS卡，能够对外（如Internet上的用户）提供一种通过以太网接口访问嵌入式系统的方法。InetMCU的片内EEPROM存储授权的用户名、密码和其固定的IP地址及MAC地址。远程用户访问DMCUEIAS时，要比较用户名密码，只有合法用户可以通过Internet访问DMCUEIAS。InetMCU的片内RAM存储临时数据，同时外扩了32K字节的SEEPROM。它采用AT24C256存储不同的控制网页，完成必要的文件系统功能，通过WEB页可以实现远程用户与DMCUEIAS的交互。InetMCU用12位（8位B口作为数据口，D口的PD3、PD4、PD5、PD6作为控制口）I/O完成与DevMCU的通信。DevMCU的片内Flash已经固化DCX51嵌入式实时操作系统、通信服务和远程存取控制服务（RAC），负责现场设备的控制。DevMCU的另外16位（8位A口，8位C口作为数据）I/O口与ISP相连，完成必要的逻辑功能，最后由ISP的IO56IO63(8位)通过功率驱动直接驱动设备。2软件体系结构2.1TCP/IP协议由于系统的资源有限，要求实现协议时应从具体需求着眼，而不是以实现完整的协议为主要目的。DMCUEIAS要求能够提供WWW服务，并选择以太网为其运行的网络环境。这样用户可以利用浏览器通过HTTP协议浏览事先下载到InetMCU的SEEPROM中的控制网页，通过该网页传递控制命令到InetMCU。客户端发来的数据以HTTP协议标准发到DMCUEIAS。这是因为HTTP协议是国际标准，它被所有浏览器支持，能保证用户可以通过任何地方的浏览器下达命令。HTTP协议建立在TCP协议的基础上。建立连接时经过三次握手，每次传输数据都要求服务器给予确认；如无确认，则重发，保证从客户端到InetMCU的数据正确、无整。软件部分要实现的协议至少是：应用层上负责Web页面请求和应答的HTTP协议；位于传输层上保证数据进行可靠传输的TCP协议，在数据传输时采用带重传机制的停-等协议，有效保证数据的传输；位于网络层上进行数据传输的IP协议；IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议，它对收到的IP数据报进行分用，提交TCP或ICMP协议处理，对TCP或ICMP报文进行IP封装，交数据链路层装帧发送是IP协议负责的主要任务，因此对这两个功能也要进行实现；实现32位IP地址到48位网卡地址转换的ARP协议，完全可以满足网络上主机对InetMCU的IP地址进行解析的需求；实现网卡的驱动程序。Ping这一常用的网络诊断工具也应该被提供，所以与Ping相应的ICMP协议应该予以实现。2.2DCX嵌入式实时操作系统DMCUEIAS基于实时多任务操作系统“&”，这是一段在DMCUEIAS启动后首先执行的后台程序。用户的应用程序是运行于RTOS上的各个任务，RTOS根据各个任务时要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的DMCUEIAS系统中，每个任务均有一个优先级。DMCUEIAS根据各个任务的优先级，动态切换各个任务，保证实时性的要求。DCX（DistributedControlExecutive）嵌入式实时操作系统相当于实时操作系统的核，本文讨论的DMCUEIAS支持8位的DCX51。DCX51执行程序已固化在DevMCU中，为BITBUS网络上的节点提供多任务能力，并且控制DevMCU和InetMCU之间的通信。DCX51操作系统提供中断处理，能实时地响应外事件发出的中断服务请求、任务间的通讯、任务的同步，内部存储器管理对应用程序代码段和数据区以不同方式管理；定时服务以及其于优先级的抢占式任务调度方法。新建任务如果优先级最高，可立即运行，否则处于就绪状态。就绪队列中的任务按优先级顺序排列，下一次运行的总是就绪阶列中优先级最高的任务，同优先级的任务则按就绪时间顺序排列是。DCX支持多任务，0号任务RAC是系统任务，它管理目标机与上位机通信。含有DCX51的DevMCU作为主控芯片安装到目标机上，分布到工业现场中控制设备。对于每部分功能，DCX都提供系统调用，这些调用就是用户任务与DCX的接口。这些服务综合在一起就实现一个实时系统。这样在DMCUEIAS中，用户主要完成控制外部设备的各个程序模块。2.3RAC任务任务是一个可调度的执行单元，它由执行代码和只能由该任务存取的私有数据组成。RAC（RemoteAccessControl）任务，即远程存取和控制，专门负责远程任务的接收和发送。当信息发送到另一节点时，DCX51执行程序发送信息到RAC任务（即任务0）。RAC任务内含通信服务，它已经随同DCX51操作系统一道固化到DevMCU，通过DCX51,可以实现InetMCU与DevMCU的通信。它有两种类型的服务：数据存取和任务控制。数据存取类的服务可以对DevMCU不同的存储器段或I/O空间进行数据的读或写。任务控制类的服务可以下载一个任务的目标代码到DevMCU，建立或删除在DevMCU的一个任务。传到InetMCU的数据通过RAC任务从InetMCU传到DevMCU，再由DevMCU完成远端设备的控制和访问。RAC任务的信息格式如表1。其中，Link是系统用于保存信息表的两字节的参数；Messagelength是RAC命令或回答的字节数。MT(Message-type)：指定信息类型的一位；SE（src-ext）表示产生信息的任务是否在扩展节点上；DE（dest-ext）：表示接收命令信息的任务驻留在扩展节点上，还是在一个设备上；Nodeaddress：只能通过PC系统接口进行传递的信息参数是0xff，当信息从同一节点的一个任务传递到另一个任务时，参数是0；Sourcetask：是源节点发送任务的任务ID(07)；Destinationtask：是目的任务的任务标识符；Command/respond：包含选择规定的RAC任务的参数（不同服务其值也不同），RAC任务的响应信息包含了指示服务结果的状态代码；data：数据，对不同RAC服务而不同。表1RAC信息格式Link(高字节)Link(低字节)MessageLengthMTSEDE00000NodeaddressSourcetaskDestinationtaskCommand/responddata2.3.1RAC任务控制类任务控制类允许用户在远程节点上使用适当的DCX51系统调用，或者控制远程节点自身。在DMCUEIAS中用户可以把指定的任务文件（必须是十六进制格式，如.hex）通过Internet下载到InetMCU里，然后通过下载后，客户端还要发create命令激活下载的文件数据，通过RAC任务create服务把命令传到DevMCU，完成新任务的建立，实现控制设备。用户还可以控制其它服务如deletetask（删除特定的任务，并禁止所有与该任务有关的中断）、resetdevice（全部任务初始化），为此用户必须知道当前运行的任务号。这需用户事前发getfunctionids命令，DevMCU通过RAC任务的getfunctionids服务把ID号传给InetMCU，并通过Internet返回到客户端，用户可对任务进行不同的操作（如删除等）。2.3.2RAC数据存取类数据存取类使用户可以对不同的存储段或I/O空间进行数据的读写。在DMCUEIAS中，客户端可以通过对DevMCU的I/O空间进行数据读写来控制设备，完成数据的写（客户端传来的数据直接控制设备状态）、读（把设备的状态通过网络传给客户端）。RAC任务写服务：写数据到DevMCU的I/O口中。客户端从Internet传来的设备状态码从InetMCU写到DevMCU，完成对设备的控制。RAC任务读服务：把DevMCU的I/O口内容进行读和显示。当前设备的状态（用一字节8位表示，即可同时控制8个设备）从DevMCU传到InetMCU，然后通过Internet返回到远端的客户端，用户就可知道设备的状态。3实验结果本文的实验环境是：通过计算机的RS-232串口把编好的服务程序（采用汇编语言，这样可减少程序代码量，并提高执行效率）固化到InetMCU的Flash存储器里，实现较完整的服务器功能，如任务调度、线程的支持、文件系统、内存管理、网络系统（TCP/IP）和I/O管理。断开程序下载线，双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器（DMCUEIAS）和运行客户端程序的PC机只通过网线连接。了演示实验结果，把8个设备用8个指示灯代替，对指示灯的控制通过二进制0（灯灭）、1（灯亮）实现，即指示灯只有两个状态，完成客户远端控制和读取指示灯的状态。这个实验环境是对用户通过Internet远端控制设备的模拟。验证RAC任务控制类：首先下载文件fd.hex，它控制指示灯，使8个小灯按序接连亮，然后灭，下一个亮，到最后一个灯，再从第1个灯开始，重复循环然后用户发create命令，激活任务，实现实验目的。在这里共有4个任