嵌入式實時網絡通信技術分析

魏瑞興

摘 要 近幾年來，嵌入式系統具備體積小、可靠性強、專用性等優勢逐步得以采用。但隨著獨立的嵌入式系統的功能缺點日趨明顯，新一代嵌入計算體系的功能集成和應用模式使之轉向網絡化嵌入計算的目的發展，嵌入實時網絡通信是嵌入計算技術研討的重點和難點。本文主要簡介嵌入式系統和嵌入式實時網路通信的特點以及發展趨勢，提供相關參考。

【關鍵詞】嵌入式系統 網絡 實時 發展

1 嵌入式體系和其特色

1.1 嵌入式體系

嵌入式體系是“節制、監督或幫助裝配、機器和設備運行的設置裝備擺設；嵌入式體系綜合了軟件和硬件，同時包涵機械等隸屬裝配。目前國普遍認可的定義是：應用作為重點、計算機技術為根本、可裁剪軟件硬件、符合應用系統對功效、可靠性、本金、體積、功耗嚴厲規范的專用計算機系統。

1.2 嵌入式系統的特點

按照嵌入式系統的相關解釋，其具備3個基本特征，“嵌入性”、“專用性”和 “計算機”。

（1）嵌入性。嵌入性經由過程操作初期微型機時代的嵌入式計算機而來，專指計算機嵌入到對象體系中，實現對工具系統的智能把控。當嵌入式體系逐漸能夠自身應變時，嵌入性是指內部嵌有微處理器或計算機。

（2）計算機。計算機是工具系統智能化節制的根本確保。由于單片機向MCU、SoC成長發展，片內計算機外圍電路、接口電路、節制單位逐步增加，“專用計算機系統”轉變為“內含微處理器”的當代電子體系。與傳統的電子體系進行對比，當代電子系統因為自身具有內含微處理器，能具備對工具系統的計算機智能化控制能力。

（3）專用性。專用性是指符合對象節制標準和有關情況下的軟硬件裁剪性。嵌入式體系的軟、硬件裝備安排必須按照嵌入對象的相關標準尺度，計劃成專一的嵌入式應用系統。

2 嵌入式實時網絡通信技術

2.1 簡介嵌入式實時操作系統

遇到外界事件或數據發生，可以接管同時以足夠快的速度進行相關處置，處置結果又在計劃的時間之內來節制生產過程或對處理系統作出快速回應，并確保全部及時任務協調一致運行的嵌入式操作體系。

2.2 嵌入式實時網絡

2.2.1 嵌入式網絡的要求

嵌入式網絡通常應用在惡劣多變情況下，因而對其具備以下要求：

（1）及時性：出產裝備內部多個分布式子系統信息耦合大體上比較縝密，對及時性提出了高標準，因此所用的網絡協議必須具有肯定的實時性能，即最壞情況下的反映時間是肯定的；此外在網絡節點數比較多，或者有些節點對及時反應提有高要求，相關的網絡協議還應撐持優先級調劑，以增強時間緊急型任務的信息傳輸可確定性。

（2）可靠性：嵌入式網絡自身的可靠性對有用功率造成直接影響還有成品率和生產效率，網絡能夠動態增添/刪除節點；惡劣多變的電磁情況下嵌入式收集本身要具有抗干擾本事、檢錯和糾錯能力和快速恢復的本領。

（3） 通信效力：嵌入式搜集通訊的子系統間具有頻繁的通訊，每次的長度很短，因而要求嵌入式收集協議采納短幀結構，且幀頭和幀尾要短，從而提升通信效率和帶寬的利用效力。

（4）雙重混合撐持：工作環境的差異要求嵌入式網絡應具備靈活矯捷的介質訪問協議，不但撐持多種介質（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且撐持夾雜拓撲結構（星型、環型、總線型），有時大概要求同一個嵌入式網絡能同時利用多種介質和多種網絡拓撲。

（5）實現難度和造價：嵌入式體系一般要按照實際請求舉行專門規劃和制造，其中的網絡體系軟硬件要便于運用實施，并和子系統控制部分集成，相關元器件商品化水平高，造價較低。

（6）開放性：嵌入式網絡必須具備杰出的開放性，一方面經由過程企業Infranet連接到Intranet中，對企業生產管理的控制實現一體化；另外應具有公然透明的開辟界面，資料完備，系統硬件、軟件的能夠自立開辟和集成。 此外，嵌入式網絡體系必需設置裝備擺設矯捷、保護簡潔。

一般來講，根據覆蓋范圍的區別，嵌入式收集隸屬于局域網。按照ISO/OSI的觀點，TCP/IP協議簇位于網絡層以上。TCP/IP協議簇明顯越過了嵌入式網絡系統的限定范圍。嵌入式收集含有ISO/OSI七層模型中的物理層和數據鏈路層。數據鏈路層可詳細劃分為兩個子層：介質訪問節制子層（MAC子層）和邏輯鏈路節制子層（LLC子層）。MAC子層涵有物理層接口硬件和能夠對介質訪問協議進行通訊的控制器；LLC子層主要是通過軟件實現（用戶自主開發）。因此，如何選擇合適的介質訪問協議是嵌入式系統設計中網絡通信的研究工作重點。

2.2.2 介質訪問協議的選擇

CSMA/CA（帶沖突避免的載波監聽多路訪問）CSMA/CD即便在節點數目不多、傳輸信息量較少時情況下也具備好的效率；因為令牌的相關協議具備較高的及時性和吞吐能力。人們已研發出一種能綜合以上兩者優勢的夾雜協議—CSMA/CA。CSMA/CA的本質是經由過程競爭時間片來節制沖突。其基本原理與CSMA/CD類似，節點必需等到檢測到網絡呈現出空閑狀態，才可以發出信息；如果兩個或更多的節點發生辯論，就在收集上開啟一個阻塞信號關照全部辯論節點，并同步節點時鐘，開啟競爭時間片；每一個競爭時候片都遵循給定的特定節點，每個節點在其相對應的時候片內如果顯現信息發送便可啟動傳輸；別的節點檢測到信息傳輸后，停止對時間片的推動，等到傳輸結束全部節點從頭重新開啟推動時間片；當全部時間片都失掉作用時，網絡處在余暇狀況。為確保公平性和可確定性，每次傳輸以后，時間片要進行相關的循環模擬。另外，優先時候片（the priority slots）優先于普通時候片的推動，可以撐持高優先級信息的全局優先傳輸。CSMA/CA 協議在可主要劃分為兩種：一是RCSMA（Reservation CSMA），其特色為時間片數和節點數相同。RCSMA在各種傳輸條件下都可以有效進行工作，明顯看出其不適合應用在節點較多的網絡；在另一種是，時間片數比節點數少，且依據沖突最少的原則隨機調整時間片的分配，依據所預測的網絡流量動態地對時間片數進行調整；如Echelon公司推出的普遍利用于智能大廈領域的 Lonwork標準。

另外比如外令牌環、令牌總線也符合于嵌入式網絡。但因為令牌環的細致實施復雜、成本較高，首要采取 CSMA/CA。

參考文獻

[1]蒲艦舸.基于現場總線的實時網絡通信研究與應用[D].電子科技大學，2005.

作者單位

山西省郵電建設工程有限公司 山西省太原市 030012