嵌入式—网络通信的研究

1嵌入式—网络通信的研究嵌入式系统简介嵌入式软件就是基于嵌入式系统设计的软件，它也是计算机软件的一种，同样由程序及其文档组成，可细分成系统软件、支撑软件、应用软件三类，是嵌入式系统的重要组成部分。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式软件就是嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件，它在产业中的关联关系体现为：芯片设计制造→嵌入式系统软件→嵌入式电子设备开发、制造。将嵌入式系统与Internet结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于，Internet上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分32位处理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet协议将占用大量系统资源，或根本不可能。本文将以嵌入式微控制器Internet技术(EMIT)及其在中国的技术开发中心BOL/TASKING公司的解决方案为基础，描述如何实现嵌入式设备的Internet网络化。随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统的快速发展和应用的日益广泛也极大的丰富、延伸了嵌入式系统的概念。嵌入式系统的特点与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点：1．嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型的最大不同之处就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU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，与网络的耦合也越来越紧密。2．嵌入式系统是将计算机技术、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，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌2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。3．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的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。4．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，而不是存储于磁盘等载体中。5．嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。归纳起来嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性与针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系，由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，从而缩短开发周期、降低成本。嵌入式系统的概念在嵌入式系统中，操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于BIOS的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。那么什么是嵌入式系统呢?所谓嵌入式系统((EmbeddedSystem)，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。国际电气与电子工程师协会（IEE)对嵌入式系统的定义为：“嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备”。国内对嵌入式系统的一般定义为：“嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。按照历史性、本质性、普遍性的要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的基本结构3嵌入式系统包括嵌入式软件和嵌入式硬件两部分。硬件是支撑，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应用特制的功能。设计一个成功的嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的软件和硬件平台。一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件，其层次关系如图1-1所示。1．嵌入式处理器嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。2．嵌入式外围设备在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件(MCU、DSP、EMPU、SOC)以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。4存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器(RAM、SRAM)、动态存储器(DRAM)和非易失型存储器(ROM、EPROM、EEPROM、Flash)三种，其中Flash凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括RS-232接口(串行通信接口)、SPI(串行外围设备接口)、IrDA(红外线接口)、12C(现场总线)、USB(通用串行总线接口)、Ethemet(以太网接口)等。由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)和触摸板(TouchPanel)等外围显示设备。3．嵌入式操作系统为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。4．嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。嵌入式系统的发展现状嵌入式系统是软件和硬件的综合体，事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。它最早于六十年代晚期在通信中被用于控制电话交换机中的电子机械交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”(StoredProgramControl)。随着应用的发展，其涵盖范围和领域也越来越广泛，几乎包括了我们周围的所有电器设备，如电视机顶盒、掌上PDA、移动计算设备、多媒体设备，医疗仪器乃至路由器、交换机等。进入加世纪90年代，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也获得了更为广阔的发展空间，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在自动控制领域，嵌入式系统不仅应用于ATM机、自动售货机、工业控制等专用设各，它还与移动通信设备，GPS、娱乐、PDA设备等相结合，发挥出巨大作用。目前，嵌入式系统己经广泛5应用到工业、交通、能源、通信、科研、医疗卫生、国防以及日常生活等领域。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。有些学者断言：“嵌入式技术将成为后PC时代的主宰”。目前对嵌入式系统的研究主要集中在以下方面：1．嵌入式芯片嵌入式芯片的研究包括：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统。目前常用的微处理器有：AMl86，88、PowerPC、ARM系列等。2．嵌入式操作系统操作系统的引入对于嵌入式的开发起到了极大的推动作用。在嵌入式操作系统下设计的应用程序能够实现网络等复杂的功能，能够不再考虑低层设备的管理。从20世纪80年代起出现了各种商用的嵌入式操作系统，它们都是为专用系统开发的如VxWorks，PalmOS，WindowsCE等。目前，由于Linux的内核的可裁减性和稳定性，人们通过对Linux核心的改写和增减功能，便形成了各种适应不同要求的嵌入式Linux操作系统，例如：RTLinux，uCLinux。为了界面的友好性，在其上开发了图形界面系统如：MiniGUI，Microwindows，openGUI等。3．嵌入式产品在特定的嵌入式软，硬件平台下，从应用的角度出发，开发了各种具有特定功能的嵌入式产品如PDA、WebTV等。ARM处理器简介ARM即AdvancedRISCMachines的缩写。既是一个公司的名字，也是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM公司成立于1990年，是知识产权供应商，本身并不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商，ARM公司在世界上的合作伙伴超过100个，其中包括半导体工业的著名公司，从而使其具有大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投入市场。ARM处理器核已经有6个系列产品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、6SecureCore以及最新的ARMll系列。进一步的产品来自于合作伙伴，例如：IntelXScale微体系结构和StrongARM产品。ARM7，ARM9，ARM9E和ARMl0是4个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。ARM家族的所有成员都共享同一个基本指令集即32位ARM指令集，同时不同的产品又可以有不同的扩展指令集，这些扩展指令集包括：16位Thumb指令集、DSP扩展指令集、SIMD扩展指令集和Jazelle扩展指令集。ARM指令集是基本指令集，它包括数据传输、数据处理、流程转向、协处理器指令。ARM对于一般工业控制应用绰绰有余，而其32位RISC的特性使得其性能远比一般的8，16位单片机强大得多，因此也能用在比较复杂的控制领域，如手机内部的控制单元。Thumb扩展指令集是ARM指令集的一个子集，而且被压缩成了16位。现在面市的ARM产品都支持Thumb指令集，Thumb指令集己经成为ARM核的标准扩展指令集。现在，ARM微处理器及技术的应用已经深入到工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等各个领域，并会在将来得到更加广泛的应用。ARM9系列微处理器包含ARM920T，ARM922T和ARM940T三种类型内核，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。目前市场上的主流ARM处理器基本上都是使用了ARM7和ARM9内核。但两者在性能上有不小的差异，不过这也正是符合市场的各种需要。ARM9核将ARM7核的功能显著提高到更高、更强的水平。ARM9也支持Thumb指令集，并支持片上调试。最显著的区别是流水线从3级增加到了5级。其实ARM9使用5级流水线也是受StrongARM流水线的启发而设计的，并针对StrongARM的某些不足加以改进，从而获得了更好的性能。到ARM7为止，3级流水线性价比己经很高，但是随着人们对性能要求不断提高，使得原有的3级流水线无法满足要求，于是ARM9处理器使用了5级流水线。同时具有分开的指令和数据存储器，减少在每个时钟周期内必须完成的最大工作，进而允许使用更高的时钟频率俐。7嵌入式软件技术的开发随着嵌入式软件系统结构越来越复杂，嵌入式软件的开发已成为复杂的系统工程。早期的嵌入式系统中，软件与硬件密不可分浑然一体，开发者多是电子工程、自动控制