嵌入式Internet技术的实现方法

嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的实现方法
嵌入式系统与Internet技术的结合已经成为嵌入式系统研究领域的一个新兴前沿课题，这就是嵌入式Internet技术。

嵌入式Internet技术是一种设备接入技术或者说是一种异种网络互连技术，它主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理、及维护等操作，从而使用户对接入到Internet上的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力。

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0 引言
近几年来，嵌入式相关技术的发展非常迅速，嵌入式CPU处理能力也越来越强，由8位、16位、升级到32位、64位，使得一些需要高性能嵌入式CPU 支持的嵌入式系统，如掌上电脑、PDA、机顶盒等产品纷纷登场，预示着以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品的兴起。

嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来，为嵌入式市场展现了美好前景。

嵌入式系统与Internet技术的结合已经成为嵌入式系统研究领域的一个新兴前沿课题，这就是嵌入式Internet技术。

1 课题的提出
嵌入式Internet技术是一种设备接入技术或者说是一种异种网络互连技术，它主要解决的问题是通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、管理、及维护等操作，从而使用户对接入到Internet上的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力。

Internet通信协议对计算机系统的CPU速度、存储器容量等的要求比较高，用于PC系统不存在任何困难，但是用于自身资源有限的嵌入式系统就必须根据需要有所取舍，合理选择通信协议的实现和处理方案。

嵌入式Internet与MCU技术密切相关。

利用单片机实现嵌入式互联网方案的技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包。

嵌入式Internet技术就是要最大限度地利用嵌入式系统资源，根据TCP/IP协议对网络数据信息进行最高效的处理。

2 嵌入式Internet技术的实现方法
目前，存在四种实现嵌入式Internet技术的方案。

2.1 PC机网关方案第一种嵌入式Internet的实现方案产生于20世纪90年代中期。

人们采用PC机+网卡+采集插卡组成以太网网关，进行协议转换，将由现场总线连接现场设备组成的分布式系统接入以太网，将管理PC机放在以太网内，组成一个较大的自控系统。

这种组成方式成本很高，只适用于大的自控系统。

东
北大学CNCI研究所提出的ONDC模型（Open Network Device Connectivity）正是这种形式的典型代表。

2.2 嵌入式系统网关在20世纪90年代后期，人们采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网网关以实现嵌入式Internet技术。

这一阶段的嵌入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的PC机。

例如，PC-104结构的单板机实际上就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的PC-486DX计算机，有电子硬盘及各种I/O插口，可装入Windows CE和其他PC机应用软件。

所以，实际上它是第一种网关的简化和微型化。

它的成本比第一种有所下降，但价格还是较高。

2.3 单片机系统实现的方案2000年以来，人们利用单片机加上以太网接口芯片组成了嵌入式Internet网关。

这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展。

它以单片机取代PC机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使整体系统的价格下降到几百元。

这就使现场设备能以低廉的费用，以简捷的方式接入以太网，使网络家电变为现实，使以太网分布式控制系统能得到迅速的发展。

这种方案中的微处理器所含盖的范围很广，有具备较强的计算处理能力的32位处理器，也有8位或16位的微控制器。

通过设计合理的最小系统，能够提供实现Internet网络协议栈所需的资源和性能；在嵌入式操作系统（RTOS）平台上进行软件开发，可以完成TCP/IP协议处理以及其他更多更复杂的功能，实现TCP/IP over PPP（Point-to-Point）或者TCP/IP over Ethernet的方案、设计应用编程接口为高层协议软件提供访问Internet进行通信的函数并不困难。

目前微处理器厂商如Motorola，Intel，AMD，ARM等公司都支持RTOS，软件提供商入Wind River System，Tasking，CMX，Accelerated Technology等公司提供面向不同类型和需求的嵌入式软件产品。

随着微处理器价格急剧下降，利用RTOS开发嵌入式应用系统已经逐渐成为趋势。

根据系统性能的要求，选择合理的微处理器及其开发套件，选取适当的RTOS软件包，可以提高系统开发效率，最终达到系统目标。

但是购买优秀的商用RTOS完整软件包需要支付昂贵的版权许可，而且系统的扩展性和灵活行受到限制。

现在Linux作为开放源代码的多任务操作系统加到嵌入式系统的开发应用中，但是技术尚未完全成熟，因此在开发嵌入式Internet技术时有诸多要素必须权衡。

2.4 SoC技术实现方案第四种是近两年来，随着SoC芯片化技术的不断提高，出现了大量相对于模块化、芯片化的协议转换产品，片上系统（System on Chip）的解决方案在具有模块化协议转换产品的优点之外，还能提供更小的体积，更低廉的价格，更好的连接界面，更稳定的产品特性，更好的易用性，是目前协议转换需求解决方案的发展趋势。

相对应的产品有Rabbit公司的Rabbit2000，UbiCom公司的IP2022，iReady公司的S7600等。

SoC技术利用RISC体系结构技术，在硅片级完全采用硬件逻辑实现TCP/IP协议栈，提供以太网（Ethernet）或串行链路（PPP）介质支持；支持实时操作系统，实现TCP、UDP、ARP、RARP、ICMP等网络基础协议，同时提供的Internet高层协议软件，如HTTP、FTP、SMTP
等的支持。

Internet控制器芯片的处理速度非常快，可高达每秒1亿条指令，支持实时多任务操作，能够实现8位嵌入式系统完全接入Internet。

此方案具有开发时间短，系统成本低的优点。

因此对于开发小型、廉价的信息中间产品是比较好的选择。

3 总结与展望
嵌入式网络通信和实时操作系统是嵌入式工业的新兴应用领域，随着高位微处理器性能提高、价格下降，数字化设备将会具有更强的处理能力，嵌入式系统的开发也越来越复杂。

很显然在目前进行的嵌入式Internet技术的不同方案中，采用单片机系统的方案在现阶段具有更广泛的应用前途，包含更深刻的理论和应用价值。

这也正是本论文工作的重要意义所在。

然而随着嵌入式Internet技术的不断应用和普及，嵌入式产品的需求将变得越来越规范，巨大的市场需求将带动SoC产品的规模化生产。

可以预见，在不久的将来，面向不同需求的系列化嵌入式Internet芯片必将大量上市，而其价格将非常低廉。

参考文献：
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[3]李阔，阮冠春，乔业，赵海．基于Java Bean技术的Embedded Internet 模型及实现[J].东北大学学报（自然科学版）.2000.21(5)：477.
[4]金欢，阮冠春，徐凌宇，赵海．基于嵌入式Internet技术的Webit体系结构研究与实现[J].控制与决策2002.17(5)：541.。