嵌入式Internet技术及其实现方案

摘 要：嵌入式Internet技术在各行业中应用日益广泛，文章介绍了嵌入式Internet技术的原理和几种实现方案。并讨论了嵌入式TCP/IP协议的原理及在嵌入式系统中实现TCP/IP的问题，最终提出了一种嵌入式网关的应用实例，实现了单片机通过以太网联接Internet的目的。

1. 引言

　　在Internet的日益普及，信息共享程度的不断提高的今天，人们的工作和生活方式已经有了革命性的改变。家庭电器和工业设备中无处不在的充满了单片机或微控制器（MCU）。但目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，而工业上也只是利用孤立于Internet以外的的控制通信网络（如 CAN,I2C,PROFIBUS等现场总线）实现MCU组网 。如果能将嵌入式系统连接到应用广泛的Internet上面，或者在现有网络的基础上利用 Internet为介质，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方，从而进行远程监控 。因此，嵌入式Internet技术就应运而生，并成为业内的一大热点。

2 嵌入式Internet技术原理及方案

　　嵌入式Internet技术，也就是将嵌入式系统与Internet结合起来实现系统网络化，涉及的两个关键问题即传送信息的媒质和采用的协议。与 Internet相联接的途径可以是以太网或者电话线等媒介。而在大多数工作场地都配有以太网，电子装置通过集线器（HUB）可以随时插接。在家庭中，也有电力线和电话线等载体可以利用。如果是与局域网连接，只需要为该装置设置硬的或软的IP地址就可。如果是利用电话线路，可以使用电话用户的ID。现在实现嵌入式电子装置的访问连通，几乎不成问题。所以嵌入式Internet技术的关键问题在于如何在MCU中实现Internet上被广泛使用的 TCP/IP通信协议。但是TCP/IP通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，普通单片机无法达到其要求。根据各种MCU自身的特性，实现 TCP/IP协议的方法可分以下几种：

　　1） 高档MCU芯片

　　采用ARM内核的系列处理器或者386EX等高档MCU，其运算速度快，性能高，在芯片上可以运行实时操作系统（RTOS），同时也可以嵌入完整的TCP/IP协议。

　　2） 32位MCU芯片

　　32位机也有足够的资源和能力运行TCP/IP协议和一些嵌入式操作系统。所以原则上讲，实现思路和高档机一样。

　　3） 8/16位MCU芯片

　　由于8位和16位MCU的处理能力和存储问题，要实现TCP/IP协议是比较困难的。因此要根据其特点，对TCP/IP协议进行简化，保留其最基本的东西。同时，上层协议可不用或者简单实现。即将原来的TCP/IP协议转变成嵌入式TCP/IP协议，我们随后会具体介绍。

　　由TCP/IP协议在MCU中的实现方法和嵌入式系统的要求，一般实现嵌入式Internet的方案有以下几种：

　　1. 把标准网络协议（TCP/IP）一直扩展到嵌入式设备当中，由嵌入式系统自身实现联网功能，每个设备都可与Internet相连。这是解决问题的最佳方案及未来电器、设备的发展方向。例如Netscillon公司的ARM+NET系列芯片，将其嵌入到任何设备中既可实现上网。此方案对微处理器性能的要求较高。

　　2. 通过专用的WEB服务器实现。 在现有的嵌入式系统中大量使用的是8位和16位MCU，并不要求每个设备都直接连到Internet上，用户可以通过Internet接近设备，然后再用轻量级网络扩展到多个设备上。如电力线、RS-485、RS-232、I2C等 。专用WEB服务器可作为子网设备路由器来转换和实现嵌入式系统与外部网的通信。emWare公司专门为嵌入式微控制器设备设计的网络服务器。

　　3. RS232/485,CAN, I2C

　　通过嵌入式网关（emGateway）联接。嵌入式网关运行TCP/IP协议，与嵌入式设备轻量级网络（如RS-232，RS-485，现场总线等）相连接，提供与Internet或局域网的协议转换及路由功能。结构如图一所示。

图一 8/16位MCU嵌入式网关结构图

　　2.1 嵌入式TCP/IP协议概述

　　传输控制协议/网间协议 （TCP/IP）是构建Internet的标准协议，它最早是在PC机上实现的 。由于嵌入式系统与PC机的差别很大，因此在嵌入式系统中实现TCP/IP 协议与PC机操作系统中的实现有很大的不同。图二显示了嵌入式TCP/IP协议与TCP/IP协议各层详细的内容和协议和相对应的OSI模型关系。

图二 三种协议层的结构比较

　　如图所示，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、网络接口层。在嵌入式TCP/IP中，前三层协议是由嵌入式处理器实现的。接口层是由网络控制芯片实现的。

由于嵌入式系统没有一个多任务的操作系统，而且又是直接面对硬件，所以嵌入式TCP/IP协议在应用层上要求简单。同时，不同嵌入式系统对嵌入式 Internet所采用的应用层协议要求不同，而且应用层的协议还要和链路层实现的协议相