摘要：本文介紹了嵌入式Internet技術(shù)的基本概念和原理，綜合分析了嵌入式Internet的幾種常見(jiàn)的接入方式，并指出了其發(fā)展趨勢(shì)及方向。

關(guān)鍵詞：嵌入式Internet；接入方式

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913（2007）02-0069-03

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，Internet技術(shù)已經(jīng)深入到人們的生活之中。在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、智能儀器、安防系統(tǒng)等很多場(chǎng)合存在的大量電子設(shè)備都有接入Internet的需求。通過(guò)接入Internet，可以在Internet網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的任何地區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)等操作。Internet技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合可稱之為嵌入式Internet技術(shù)。目前嵌入式Internet的接入方式通常有直接接入和間接接入兩大類。

1 直接接入方式

直接接入采用處理機(jī)加TCP/IP協(xié)議方式，微控制處理機(jī)像PC機(jī)一樣直接處理TCP/IP協(xié)議，一般需要高檔的處理機(jī)，如32位的ARM，SH3，MIPS等微控制處理機(jī)和一些單周期指令速度較高的8位微控制處理機(jī)，如AVR，SX等。當(dāng)然，這里TCP/IP協(xié)議一般都根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境可適當(dāng)進(jìn)行刪減。

對(duì)TCP/IP協(xié)議的具體處理又有兩種方法。在嵌入式操作系統(tǒng)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議和直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。

（1）在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議：即用軟件方式直接處理TCP/IP協(xié)議。目前實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都帶有TCP/IP協(xié)議棧，還具有對(duì)圖像界面的支持能力。采用這種方法最靈活，能按用戶需求實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能。當(dāng)然，靈活的同時(shí)帶來(lái)的是開(kāi)發(fā)復(fù)雜度的增加，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求高，必須對(duì)操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議都要有一定的熟悉，開(kāi)發(fā)周期也較長(zhǎng)，難度相對(duì)較大。同時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要占用大量的處理器資源和存儲(chǔ)器空間，對(duì)硬件配置也有較高的要求，因此開(kāi)發(fā)的費(fèi)用比較高，且高檔微控制處理機(jī)和RTOS的價(jià)格也很高?？梢詫⑦@種方案簡(jiǎn)單地表述成：高性能CPU+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)+以太網(wǎng)接口控制芯片。

這種接入方式示意圖如圖1所示。

圖1在RTOS上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議示意圖

（2）直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議：即采用固化了TCP/IP協(xié)議的硬件芯片實(shí)現(xiàn)，如Seiko Instruments公司的$7600A等，它支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多種協(xié)議，通過(guò)外部硬件電路處理TCP/IP協(xié)議，也可用UBICOM公司(原Scenix公司)的SX單片機(jī)加虛擬外設(shè)的方式。該方式與前一種相比更方便，不需要操作系統(tǒng)，大大節(jié)省了資源，開(kāi)發(fā)難度有所降低，但還是需要熟悉TCP/IP協(xié)議和相關(guān)接口，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困難，且對(duì)處理器的性能仍然要求較高。這種方案可以簡(jiǎn)單地表述成：?jiǎn)纹瑱C(jī)+硬件協(xié)議芯片+以太網(wǎng)接口控制芯片。

這種接入方式示意圖如圖2所示。

圖2 直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議示意圖

這種技術(shù)的典型應(yīng)用有沈陽(yáng)東大新業(yè)信息技術(shù)股份有限公司按該思路研制開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的一個(gè)實(shí)用產(chǎn)品——Webit。Webit將微控制處理機(jī)和以太網(wǎng)控制器集成到一塊小板卡上，將它裝入到嵌入式系統(tǒng)與Internet連接。Webit有自己的IP地址，與第一種接入方式相似，但它有更高的集成度，將協(xié)議處理部分獨(dú)立出來(lái)，開(kāi)發(fā)人員省去了網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計(jì)，可將主要精力放在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)本身。

從以上可以看出，這兩種方式都類似于在微控制處理機(jī)上實(shí)現(xiàn)PC機(jī)加網(wǎng)卡的功能。微控制處理機(jī)直接處理TCP/IP協(xié)議，復(fù)雜度較高，且每個(gè)微控制處理機(jī)也需要一個(gè)IP地址，而IP地址需要付費(fèi)使用。這種方式需要高檔的微控制處理機(jī)和較高的開(kāi)發(fā)及使用成本，因此一般只會(huì)在一些高檔產(chǎn)品中使用，使用在低端產(chǎn)品和過(guò)去的遺留設(shè)備中是不合適的，但它有一個(gè)好處是不需要PC機(jī)做代理服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)。

應(yīng)該指出，第一種接入方式我們似乎極為眼熟。確實(shí)，它與我們?nèi)粘Ｓ肞C上網(wǎng)方案：PC+操作系統(tǒng)+以太網(wǎng)接口控制芯片極為相似。隨著硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，在一塊嵌入式芯片上實(shí)現(xiàn)當(dāng)前臺(tái)式PC機(jī)的性能將成為現(xiàn)實(shí)，所以這種方式必將成為未來(lái)嵌入式系統(tǒng)接入Internet的主流方式。但由于當(dāng)前IPv4時(shí)代IP地址的短缺，這種接入方式的大發(fā)展將是在IPv6到來(lái)的時(shí)代。

2 間接接入方式

為了克服直接接入方式的主要缺點(diǎn)（即每一個(gè)設(shè)備都需要IP地址），出現(xiàn)了利用代理服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)等間接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)接入Internet。代理服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)可以用桌面計(jì)算機(jī)PC或高檔的嵌入式處理器來(lái)充當(dāng)，也可以使用專門(mén)設(shè)計(jì)的嵌入式微網(wǎng)關(guān)，它們的原理與通常的普通型相似，具體實(shí)現(xiàn)方案的不同在于使用PC或高檔的嵌入式處理器還是使用嵌入式專用微網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）代理服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)接入方式

一般由桌面計(jì)算機(jī)PC或高檔的嵌入式處理器來(lái)充當(dāng)，一方面運(yùn)行TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Internet接入功能，一方面通過(guò)輕型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如RS232、RS485、CAN總線)將多個(gè)嵌入式設(shè)備接入作為代理的PC機(jī)，利用PC機(jī)與外部Internet通訊。嵌入式系統(tǒng)中只需要有一部分與代理服務(wù)器通信的代碼即可。由于和代理服務(wù)器的通信方式比較簡(jiǎn)單，因此這部分代碼可以非常少，對(duì)嵌入式系統(tǒng)處理器速度、資源要求也比較低，可以解決各種嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問(wèn)題。代理服務(wù)器的性能一般比較高，可以同時(shí)和多個(gè)嵌入式系統(tǒng)通信。因此，此方案特別適用于嵌入式系統(tǒng)多且較為集中的場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是可以很方便的解決設(shè)備上網(wǎng)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)難度低；缺點(diǎn)是接入成本比較高，不利于大規(guī)模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設(shè)備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價(jià)格設(shè)備。

這種接入方式的典型示意如圖3所示。

圖3代理服務(wù)器/網(wǎng)關(guān)接入方式典型結(jié)構(gòu)示意圖

（2）輕型網(wǎng)關(guān)接入方式

輕型網(wǎng)關(guān)即嵌入式微網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供了一個(gè)嵌入式的構(gòu)成體系，使得即便是最小的嵌入式微控制器都有網(wǎng)絡(luò)功能。建立一個(gè)網(wǎng)關(guān)，讓它作為輕型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（RS485、CAN、LonWorks等）和重型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（包括Intranet和Internet）間的媒介。這樣，嵌入式設(shè)備就可以與外界進(jìn)行通信。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)有較多的資源，可以加強(qiáng)嵌入式設(shè)備的功能，從而實(shí)現(xiàn)更多信息和數(shù)據(jù)的通信，具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)有以下兩種。

j采用專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)。這種接入方式通常被稱為嵌入式微Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(EMIT：Embedded Micro Internet working Technology)。EMIT由嵌入式微網(wǎng)絡(luò)（即emNet）和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)（即emGateway）兩部分組成，emNet協(xié)議運(yùn)行在MCU內(nèi)部，是為嵌入式系統(tǒng)和其他網(wǎng)絡(luò)(如RS-485、IR、RF和電力線等)進(jìn)行聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時(shí)，emNet使得集成emMicro的嵌入式系統(tǒng)能夠和emGateway進(jìn)行有效的通信。嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)(即emGateway)運(yùn)行在計(jì)算機(jī)、TV機(jī)頂盒或?qū)Ｓ玫募矣秒娖鞣?wù)器中，它是設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和Internet之間聯(lián)接的橋梁。應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行微控制處理機(jī)內(nèi)的emNet，通過(guò)emGateway與Internet聯(lián)接。

這種接入方式的典型示意圖如圖4所示。

圖4 專用嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)示意圖

這種技術(shù)的典型應(yīng)用有emWare公司開(kāi)發(fā)的一整套嵌入式微Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

k使用專用嵌入式芯片建立網(wǎng)關(guān)。這種接入方式通常由專用嵌入式芯片來(lái)建立網(wǎng)關(guān)。這種芯片一般是獨(dú)立于各種微控制器的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出口與各種微控制處理單元相連。微控制處理單元通過(guò)這種芯片與網(wǎng)關(guān)聯(lián)接即可接收并執(zhí)行經(jīng)由Internet遠(yuǎn)程傳來(lái)的命令或?qū)?shù)據(jù)交給它發(fā)送出去。微控制處理單元應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)這種專用嵌入式芯片與網(wǎng)關(guān)聯(lián)接，再進(jìn)入Internet網(wǎng)。

這種接入方式結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 使用專用嵌入式芯片建立網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

這種專用嵌入式芯片的典型開(kāi)發(fā)有武漢力源公司開(kāi)發(fā)的 Webchip芯片，該公司同時(shí)推出了基于Webchip芯片的嵌入式電子設(shè)備和家用電器與網(wǎng)絡(luò)方便聯(lián)接的實(shí)用解決方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然文中指出了在嵌入式芯片上直接運(yùn)行RTOS接入Internet將是未來(lái)的主流方向。但這對(duì)大量需要接入Internet的低價(jià)小型設(shè)備而言，使用8位和l6位MCU仍將是最經(jīng)濟(jì)最簡(jiǎn)便的選擇，而在8位和l6位MCU上實(shí)現(xiàn)Internet通信協(xié)議是比較困難的，所以上面提出的嵌入式系統(tǒng)間接接入Internet方式仍將長(zhǎng)期地運(yùn)用于嵌入式Internet系統(tǒng)之中。嵌入式Internet的多種接入方式將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并存互補(bǔ)地存在著。

隨著嵌入式Internet的發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)更多更新的嵌入式Internet的實(shí)現(xiàn)方案，但基本原理都不外乎以上幾種。大量嵌入式系統(tǒng)需要接入Internet，真正進(jìn)入尋常百姓家庭，降低接入成本是首要的前提。接入成本包括兩個(gè)方面，一是硬件成本，即需要開(kāi)發(fā)出價(jià)格更低、性能更高的諸如單芯片式的嵌入式設(shè)備，以大幅地降低硬件成本，片上系統(tǒng)（System On Chip）是發(fā)展方向；二是軟件成本，又以IP地址的短缺為首選，這是IPv4時(shí)代沒(méi)有辦法根本解決的問(wèn)題。所以嵌入式Internet大規(guī)模發(fā)展并真正進(jìn)入千家萬(wàn)戶，需要兩個(gè)缺一不可的條件，一是硬件成本的大幅降低，二是IPv6時(shí)代的真正到來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陽(yáng)勤．嵌入式Internet技術(shù)分析[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2004，（9）：42-45．

[2] 張全貴，劉建輝，陶志勇．嵌入式Internet及其在監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用[J]．信息技術(shù)，2004，（4）：50-51．

[3] 秦霆鎬，王建．嵌入式Internet技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2003，（12）：61-62．

投稿日期：2006-10-02

作者簡(jiǎn)介：羅子林（1965-），男，江西星子人，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)代教育技術(shù)等。