嵌入式系統網絡接入的設計思路分析

摘 要：目前，嵌入式系統的設計方案，并無統一標準，并且在嵌入式微處理器、嵌入式操作系統、控制器等方面有眾多選擇。本文從網絡接入的角度，在接口及驅動設計、通訊協議、網絡平臺設計等方面展開論述，分析嵌入式系統的設計思路，以期更加有效的設計、開發相應嵌入式系統。

關鍵詞：嵌入式；網絡接入；思路分析；總結

一、嵌入式系統的概念及其網絡接入的意義

嵌入式系統本身是外延極廣的名詞，凡是結合在一起的具有嵌入式特點的應用或控制系統都可以叫嵌入式系統。本文講的嵌入式系統，是以計算機技術作為支持，在此基礎上進行相關應用，同時在嵌入式系統的功能、性能、體積、功耗等方面具有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統在功能組成上，通常包括嵌入式處理器、存儲器、輸入輸出設備和相應軟件系統。與非嵌入式系統相比，嵌入式系統的硬件結構更為精簡且針對性強，這也是嵌入式系統和其它系統的最大區別。

隨著信息技術的高速發展，嵌入式系統的應用領域逐步擴寬，特別是和網絡技術的融合，通過網絡接入實現數據傳輸、信息通訊，為信息系統的發展帶來新的活力。嵌入式系統目前主要應用于信息家電、智能家居、航天工程、環境工程、醫療衛生等行業領域，同時在物聯網中扮演重要角色。嵌入式系統的發展意義，以其專用性、高效性、節能性等特點來說，將滲入到人們生活的更多方面，更多領域當中，發揮更加重要的作用。

二、嵌入式系統網絡接入的設計思路分析

（一）接口及驅動設計思路分析

為了適應網絡發展的要求，在硬件上要求配備所需網絡通信接口，以及相應驅動程序。嵌入式系涉及接口多，不同處理器具有不同接口功能，外圍器件和接口更是繁多。目前具有嵌入式功能特點的處理器成百上千種，它與普通非嵌入式系統處理器的主要原理相似。較為流行的如ARM架構微處理器，支持ARM指令集和Thumb指令集兩種指令集，尋址方式靈活，效率高，廣泛應用于嵌入式系統。或者DSP芯片，能夠提供特殊DSP指令，快速實現多種數字信號處理算法，在各種儀器上大規模適用。

涉及嵌入式系統網絡接入的接口，主要有串行、并行、SPI、IIC、以太網、藍牙接口等。目前常用的以太網接口，通常采用帶有以太網接口的處理器，或者嵌入式處理器加網卡芯片的組合方式來具體實現。因此，在接口及驅動設計中，要把握好每種接口的基本概念、基本工作原理，以及了解嵌入式系統實現網絡中數據傳輸的具體要求。例如以ARM嵌入式處理器做為硬件核心，利用其豐富的用戶接口功能和自帶相應驅動軟件，采用API函數接口做為接口及驅動設計支持，在媒體數據傳輸上具有優勢，適用于視頻圖像的嵌入式系統。

（二）通訊協議設計思路分析

通訊協議是為了實現不同操作系統、硬件設備之間互聯，進行數據傳輸的一種約定或者定義。主要包括數據格式、同步方式、傳輸控制、糾錯方式等方面，進行統一規定。TCP/IP協議棧獨立于廠家硬件，在全世界范圍內已經成為開放系統互聯的協議，它提供了很好的交互操作能力，因而在嵌入式系統當中，做為通訊協議的首選。嵌入式系統的設計與開發在功能性、時效性、數據的可靠性和流量控制上均有著嚴格要求，并區別于其它計算機系統。

開發適合嵌入式系統的TCP/IP協議棧，在設計思路上以實現的功能和協議精簡為準則，在原來TCP/IP協議棧的基礎上進行修剪更新，或者套用開源TCP/IP協議棧。例如瑞典計算機科學學院Adam Dunkels開發的輕型開源TCP/IP協議棧，能夠實現多網絡接口下IP轉發，同時支持ICMP、PPP、IP fragment。采用tcpip_input（）函數來處理，流程延遲接收造成的頻繁丟包問題。傳輸層則采用擴展性UDP與快速恢復和轉發的TCP，此基礎只需要10KB左右RAM，40KB左右ROM就可以運行，因此非常適合嵌入式系統使用。

（三）網絡平臺設計思路分析

由于嵌入式系統在眾多領域的廣泛應用，在終端設計方面的要求也越來越高。特別是網絡平臺設計，需要考慮眾多因素，如嵌入式處理器、接口及驅動、通訊協議、操作系統、應用程序等。嵌入式網絡平臺通常基于嵌入式WindowsCE操作系統、嵌入式Linux系統、μC/OS-II實時操作系統、VxWorks實時操作系統，或者自主及二次開發的適合嵌入式環境的操作系統，同時采用加上嵌入式網絡控制器，及相應支持軟件組成。

在嵌入式網絡平臺具體設計思路中，可分別考慮硬件與軟件設計，根據基本硬件結構及操作系統進行網絡環境下的分析。主要考慮：接口及接口驅動、通訊協議、網絡控制器的I/O功能、軟件開發平臺的建立、人機圖形界面的設計等方面。例如：采用ARM芯片并在此基礎上實現精簡TCP/IP協議棧，以Web Server為網絡技術核心，能夠實現遠程瀏覽器的動態交互，利用Web瀏覽器進行訪問或控制。

三、嵌入式系統網絡接入的思路總結

嵌入式系統的具有非常廣闊的應用前景，目前在信息家電、智能家居、航天工程、環境工程、醫療衛生等方面，得到有效應用，并展現出強大的活力。隨著網絡化、信息化的要求，嵌入式系統網絡互聯成為必然趨勢。為了適應網絡發展的要求，嵌入式系統將更加注重網絡化應用，具體方面遠不止本文所列舉。此外，在接口及驅動、通訊協議、網絡平臺等方面的設計并非獨立，應從體系結構與功能把握，作為嵌入式系統網絡接入的設計思路考慮。

參考文獻：

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[4] 孫玉芳，梁彬等譯，[美]waynewolf著.嵌入式計算系統設計原理[M].機械工業出版社，2004.

作者簡介：

蘭皓（1986-），男，畬族，江西贛州人，本科，網絡工程師、助理講師，研究方向：現代教育技術、網絡技術。