嵌入式internet是近幾年隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而興起的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)。單片機(jī)或微控制器(mcu,micro controllerunit)被廣泛應(yīng)用在家庭和工業(yè)的各個領(lǐng)域,通稱嵌入式系統(tǒng)。

　　1　引言

　　嵌入式系統(tǒng)具有以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪等特點(diǎn),贏得了巨大的市場,在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機(jī)。隨著internet/intranet的發(fā)展,各種家用電器,從空調(diào)到微波爐,都產(chǎn)生了連入互聯(lián)網(wǎng)的要求。

　　如何通過internet共享嵌入式設(shè)備的信息,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問、控制和管理,對接入到網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)的設(shè)備實(shí)時監(jiān)控,這就是設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)需要解決的問題。tcp/ip協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如果能把tcp/ip協(xié)議嵌入到設(shè)備的mcu中,就可以通過它在設(shè)備和internet之間建立通信鏈路,這樣就解決了設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2　simplified tcp/ip協(xié)議棧的特點(diǎn)

　　和嵌入式系統(tǒng)面向特定的應(yīng)用一樣,分析嵌入式tcp/ip協(xié)議棧的特點(diǎn)和對傳統(tǒng)的tcp/ip協(xié)議棧進(jìn)行簡化也要針對特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用 背景。離開了特定的系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用背景來討論嵌入式tcp/ip協(xié)議棧的特點(diǎn)和對tcp/ip協(xié)議棧進(jìn)行簡化是沒有意義的。這里所討論的嵌入式tcp/ip協(xié)議棧是針對那些低檔的8位/16位嵌入式系統(tǒng)能支持嵌入式internet直連體系結(jié)構(gòu)而提出的。

　　嵌入式系統(tǒng)有限的處理能力以及存儲資源相對缺乏,因此在嵌入式internet環(huán)境里使用標(biāo)準(zhǔn)tcp/ip協(xié)議棧是不合適的。把tcp/ip協(xié)議棧從普通的pc機(jī)移植到mcu,內(nèi)存和內(nèi)存管理成了瓶頸。為了既實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能又節(jié)省系統(tǒng)資源,需要對協(xié)議棧進(jìn)行有針對的模塊化裁減。針對家電系統(tǒng)中的8位/16位mcu結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個tcp/ip協(xié)議簇的子集,稱之為simplified tcp/ip協(xié)議棧。其中包括ip、udp、arp和icmp等協(xié)議的全部或部分功能,對協(xié)議進(jìn)行了有選擇的實(shí)現(xiàn),盡最大可能保持協(xié)議功能和機(jī)制上的完整。

　　simplified tcp/ip協(xié)議棧按照網(wǎng)絡(luò)體系分層思想設(shè)計,其中每一層都被設(shè)計成一個功能相對獨(dú)立的模塊,負(fù)責(zé)處理各自的數(shù)據(jù),通過函數(shù)調(diào)用把控制權(quán)交給上層或下層的模塊。

　　低檔嵌入式系統(tǒng)中一般沒有實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)支持,所以simplified tcp/ip協(xié)議棧直接面對硬件。mcu中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式。嵌入式處理器的時鐘頻率低,地址、數(shù)據(jù)總線窄,所以一個ip包的處理要花很多的時間。如果采用中斷處理方式,勢必影響其他中斷和任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)中有實(shí)時數(shù)據(jù)采集、串口通信中斷、鍵盤中斷等實(shí)時任務(wù)時,則會造成沖突。設(shè)計時需要合理劃分中斷處理程序,將無實(shí)時要求和費(fèi)時的simplifiedtcp/ip協(xié)議棧處理放在主程序順序循環(huán)中。對網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片采用查詢式,即在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理simplified tcp/ip協(xié)議棧,以犧牲響應(yīng)速度換取系統(tǒng)可靠性．

　　3　tcp/ip協(xié)議棧的裁減

　　普通操作系統(tǒng)可支持完整的tcp/ip協(xié)議族,但嵌入式系統(tǒng)中大多很難做到,也不需做到。嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議要根據(jù)各個系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能來進(jìn)行設(shè)計。tcp/ip協(xié)議族中,只實(shí)現(xiàn)與實(shí)際需要有關(guān)的部分,而不使用的協(xié)議則一概不支持。simplified tcp/ip協(xié)議棧中支持的協(xié)議。

　　3. 1　地址轉(zhuǎn)換協(xié)議—arp協(xié)議

　　arp協(xié)議是某些網(wǎng)絡(luò)接口(如以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng))使用的特殊協(xié)議,arp的地址解析功能是為ip地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址提供動態(tài)地址映射。通用計算機(jī)系統(tǒng)中,arp高速緩存一般設(shè)計成雙向數(shù)據(jù)鏈的形式,這樣整個緩存可以方便地動態(tài)增減。但是這種非線性存儲的鏈表式緩存結(jié)構(gòu),在進(jìn)行表項(xiàng)匹配查找時比較費(fèi)時,不適用于嵌入式系統(tǒng)。因此arp的地址緩存采用了線性數(shù)組形式的結(jié)構(gòu)。它在內(nèi)存中是連續(xù)線性存儲的,查找速度快。嵌入式應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)不是很多,即arp緩存容量不需要很大,因此將arp高速緩存設(shè)計成固定大小。被動的嵌入式服務(wù)器主要是接收來自客戶的服務(wù)請求,為客戶提供服務(wù),即嵌入式服務(wù)器不會主動向某一主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)幀。既然如此始終處于被動狀態(tài)的服務(wù)器完全不需要向任何主機(jī)發(fā)送arp請求,設(shè)備只要能處理arp請求并返回arp應(yīng)答即可。鑒于這種情況,arp協(xié)議中選擇對arp應(yīng)答部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

　　3. 2　網(wǎng)際協(xié)議—ip協(xié)議

　　ip協(xié)議是tcp/ip協(xié)議簇中最為核心的協(xié)議,提供不可靠的無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)。所有的tcp、udp和icmp數(shù)據(jù)都以ip數(shù)據(jù)報的格式傳輸。ip協(xié)議非常重要,實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。從實(shí)現(xiàn)simplified tcp/ip協(xié)議棧的要求出發(fā),約簡ip協(xié)議需要把握兩個原則:①對接收到的ip數(shù)據(jù)報進(jìn)行處理,向上層協(xié)議進(jìn)行提交;②負(fù)責(zé)對udp報文進(jìn)行封裝,交給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行裝幀。當(dāng)設(shè)備收到發(fā)給自己的數(shù)據(jù)報時,首先判斷是否是自己的數(shù)據(jù)報,若不一致則丟棄該數(shù)據(jù)報;否則進(jìn)行ip校驗(yàn)和的驗(yàn)證,當(dāng)數(shù)據(jù)報無誤后,去掉ip頭部,將ip數(shù)據(jù)提交上層處理。

　　一般情況下,數(shù)據(jù)包要經(jīng)過不同的物理網(wǎng)絡(luò),則ip層必須支持?jǐn)?shù)據(jù)包的分片和重裝。但ip的分片和重組所需的開銷比較