嵌入式Internet技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)的研究

梁中華

摘 要：目前世界正處于第三次工業(yè)革命的大潮中，新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，逐漸在許多生產(chǎn)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種順應(yīng)時(shí)代發(fā)展而出現(xiàn)的技術(shù)，他集合了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn)資源共享。該文簡要分析嵌入式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理論，并談?wù)勅绾卧趯?shí)際工作中實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng) 嵌入式 原理 實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（b）-0038-01

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，各個(gè)生產(chǎn)、生活領(lǐng)域?qū)π畔⒔涣?、資源共享的需求不斷提高。為了滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的使用需求，發(fā)達(dá)國家的網(wǎng)絡(luò)工程人員在20世紀(jì)末設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)。作為當(dāng)今第三次工業(yè)革命的杰出成果，嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)嵌入這兩種技術(shù)可以互相彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)整體性能的提升。同時(shí)，嵌入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還妥善地處理了硬件設(shè)備在鏈接互聯(lián)網(wǎng)的過程中遇到的問題，在一定程度上消除了互聯(lián)網(wǎng)的局限性，優(yōu)化了互聯(lián)網(wǎng)的性能。本文，筆者就嵌入技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合的原理展開討論，并分析二者結(jié)合的實(shí)現(xiàn)途徑。

1 嵌入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)理論

1.1 系統(tǒng)嵌入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接介質(zhì)

在常規(guī)的互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)使用的信息傳輸介質(zhì)是電話網(wǎng)和Ethernet，所以嵌入式的設(shè)備可以經(jīng)過Hub等信息生成裝置連接互聯(lián)網(wǎng)，這樣就形成了系統(tǒng)嵌入互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸。在工作生活中使用的電話線路和其他電線都能夠充當(dāng)嵌入互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸中介。在使用時(shí)，只需給設(shè)備設(shè)定一個(gè)IP就能把硬件設(shè)備接入到LAN網(wǎng)絡(luò)中。或者在設(shè)備上輸入電話ID帳號(hào)也可以通過電話線路將設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中?？傊瑥漠?dāng)前系統(tǒng)嵌入技術(shù)的發(fā)展情況看，結(jié)合了嵌入技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)可以使用常規(guī)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，這樣就能有效降低嵌入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及使用成本，讓這種技術(shù)造福更多的用戶。

1.2 系統(tǒng)嵌入網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸協(xié)議

雖然將系統(tǒng)嵌入技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合可以提高網(wǎng)絡(luò)的接入效率，但目前這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)仍然存在一個(gè)很大的問題，就是TCP/IP信息傳輸協(xié)議的落實(shí)問題。TCP/IP信息傳輸協(xié)議對(duì)設(shè)備內(nèi)存的要求較高，并且這種協(xié)議需要ALU支持，但單片微型計(jì)算機(jī)（MCU）難以達(dá)到TCP/IP傳輸協(xié)議的運(yùn)行需求。為使嵌入網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行信息傳輸，必須按照MCU設(shè)備的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸協(xié)議[1]。

根據(jù)。筆者總結(jié)實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議的方式主要有三種。

1.2.1使用較高級(jí)別的單片機(jī)CPU芯片

當(dāng)前市場(chǎng)上最常見的主流單片機(jī)CPU是586EX，這種雙核CPU可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算，并且運(yùn)行性能十分平穩(wěn)可靠，此外，這種處理器芯片可以為TCP/IP信息傳輸協(xié)議提供運(yùn)行條件。

1.2.2 使用組合CPU芯片或32位數(shù)單片機(jī)CPU芯片

在單片機(jī)中使用組合CPU芯片或者32位數(shù)的CPU芯片都可以為TCP/IP信息傳輸協(xié)議提供順利運(yùn)行的條件。但這種方法相對(duì)于使用較高級(jí)別的單片機(jī)CPU芯片而言，需要消耗的成本資金更多。

1.2.3 剔除TCP/IP信息傳輸協(xié)議中占用大量內(nèi)存的多余功能

將TCP/IP信息傳輸協(xié)議中多余的占存功能剔除，這樣在協(xié)議運(yùn)行時(shí)，CPU芯片就不需要承擔(dān)沉重的負(fù)荷，也不需要更換單片機(jī)中的CPU芯片。但這樣的改進(jìn)方式無法滿足高級(jí)的使用要求，所以在成本充足前提下，可以采用更換高級(jí)CPU芯片或使用組合芯片的方式來提升設(shè)備的性能。

2 系統(tǒng)嵌入網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 通過PC協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)嵌入網(wǎng)絡(luò)

通過個(gè)人計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這一方法最早出現(xiàn)在20世紀(jì)末，按照當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)程，使用PC網(wǎng)管的方式以及無法滿足高級(jí)的生產(chǎn)應(yīng)用需求。因此，PC網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)最基本的方法。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員將個(gè)人計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)適配器、采集卡聯(lián)合起來構(gòu)成Ethernet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)實(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)化，把現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)連通的所有設(shè)備與Ethernet網(wǎng)絡(luò)相連，這樣可以讓管理計(jì)算機(jī)處于Ethernet網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，構(gòu)成大規(guī)模的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。采用這樣的方式來實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)需要消耗大量資金成本，因此這種方式并不適宜應(yīng)用在中小規(guī)模的控制系統(tǒng)中，不利于大范圍普及。

2.2 通過嵌入系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)嵌入網(wǎng)絡(luò)

雖然我們可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)管來實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)，但這種方式僅適用于大規(guī)模的控制系統(tǒng)，所以在PC網(wǎng)關(guān)方法面世不久后，又出現(xiàn)了使用嵌入系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的方法。技術(shù)人員將信號(hào)采集卡、Ethernet網(wǎng)絡(luò)適配器、嵌入系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)建起嵌入網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用這樣的方式來構(gòu)件嵌入網(wǎng)絡(luò)，可以提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能，讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可以更為靈活。嵌入網(wǎng)關(guān)中的任何軟體及硬件設(shè)備都能夠根據(jù)使用者的個(gè)人需要來增減。同時(shí)，嵌入網(wǎng)關(guān)還能讓互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)，將PC的功能添加給互聯(lián)網(wǎng)。比如，20世紀(jì)末出現(xiàn)的PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)的單板機(jī)，這種機(jī)器內(nèi)部存在許多I/O接口和固態(tài)硬盤，可以同時(shí)兼容多種不同版本的電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，還能為TCP/IP信息傳輸協(xié)議提供順利運(yùn)行的條件。采用這種方法來實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)需要消耗的成本同樣較高[2]。

2.3 運(yùn)用MCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)

MCU系統(tǒng)構(gòu)件嵌入網(wǎng)絡(luò)的方式與個(gè)人計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)相似，這兩種實(shí)現(xiàn)方法最大的區(qū)別是MCU系統(tǒng)不需要消耗太多的資金成本。隨著嵌入網(wǎng)關(guān)的普及率越來越高，Ethernet分散操控系統(tǒng)也日趨成熟，這樣的技術(shù)環(huán)境促成了家用電器的網(wǎng)絡(luò)化通過MCU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)能夠按照使用者的要求，更改控制系統(tǒng)，較少成本開銷。同時(shí)，TCP/IP信息傳輸協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上順利運(yùn)行，并獨(dú)立處理網(wǎng)絡(luò)信息傳輸任務(wù)，還能像常規(guī)傳輸協(xié)議一樣進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換、建設(shè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)。按照當(dāng)前的程序編輯接口技術(shù)水平，依靠高層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議軟件進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中的函數(shù)較為簡單，每個(gè)專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師都能獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外看，MCU設(shè)備中的CPU價(jià)格低廉，所以通過RTOS設(shè)計(jì)嵌入網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的難度不大。按照控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能來選擇RTOS軟件，可以提升控制系統(tǒng)的靈活性。

3 結(jié)語

總而言之，只有不斷實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，才能提高國家的生產(chǎn)實(shí)力與綜合鍋里。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為了引領(lǐng)社會(huì)變革的核心技術(shù)。遵循一定原理，將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與系統(tǒng)嵌入技術(shù)相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出嵌入網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以提高信息傳輸速度，化解傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的局限性，提高信息數(shù)據(jù)資源共享的效率，因此，作為軟件工程的專業(yè)人員，應(yīng)積極研究嵌入網(wǎng)絡(luò)，將這一技術(shù)應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)

[1] 高小能，王馀鵬，郭志飛.單片機(jī)嵌入式Internet技術(shù)的Web應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010（11）：104-105.endprint