基于TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究

摘 要：因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展，給世界帶來(lái)了翻天覆地的變化，是人類真正進(jìn)入了信息產(chǎn)業(yè)時(shí)代。時(shí)至今日，嵌入式領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)出連入因特網(wǎng)的巨大需求，特別是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、移動(dòng)終端等發(fā)展方向。在對(duì)TCP/IP結(jié)構(gòu)有了大致的基礎(chǔ)上，本文將針對(duì)基于TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：TCP/IP；協(xié)議棧；嵌入式；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN915.05

關(guān)于嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）的定義，可說(shuō)是眾說(shuō)紛紜。有的人說(shuō)嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)封閉系統(tǒng)，無(wú)磁碟系統(tǒng)，I/O很少的系統(tǒng)，也有人說(shuō)嵌入式系統(tǒng)是軟硬體整合的系統(tǒng)。一個(gè)是根據(jù)英國(guó)電機(jī)工程師協(xié)會(huì)的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或甚至工廠運(yùn)作的裝置。這種定義似乎把整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用縮小至控制或監(jiān)視兩方面而已，比較狹隘。由于網(wǎng)路的發(fā)達(dá)，將使幾乎目前主要熱門的嵌入式系統(tǒng)都具備網(wǎng)路功能，幾手資訊家電產(chǎn)品所采用的系統(tǒng)，清一色都是嵌入式系統(tǒng)，如網(wǎng)路冰箱、上網(wǎng)機(jī)（Set Top Box）、WebPAD等等[1]?？梢?jiàn)在未來(lái)，嵌入式系統(tǒng)定義勢(shì)將越來(lái)越模糊，但卻會(huì)一點(diǎn)一滴的融入你我的生活里面。

1 嵌入式系統(tǒng)的概述

元件則是由一些物件共同合作，提供服務(wù)，隱藏其設(shè)計(jì)內(nèi)容，只開(kāi)放特定界面讓外界能存取這服務(wù)。它如同一個(gè)黑盒子，只允許需求者透過(guò)其所開(kāi)放出來(lái)的界面來(lái)存取，需求者毋需了解實(shí)作細(xì)節(jié)，也毋需費(fèi)心維護(hù)。如此一來(lái)，元件很容易被整合到任一應(yīng)用程式之中，例如COM[eded98]及Enterprise Java Bean為MultimediaManager之元件，開(kāi)放出一界面物件ImageObserver，以提供影像更新之服務(wù)，客戶端ImageManager元件只能透過(guò)界面物件ImageObserver 來(lái)存取其服務(wù)，而無(wú)法了解MultimediaManager之實(shí)作細(xì)節(jié)。物件導(dǎo)向應(yīng)用框架（Object-Oriented Application Framework，OOAF）為一個(gè)可重用的、半成品之程式，設(shè)計(jì)者很容易根據(jù)其需要，將其修改為符合自己需求之應(yīng)用程式[2]。

2 嵌入式TCP/IP

網(wǎng)際協(xié)議族（也稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族，Internet Protocol suite）是因特網(wǎng)和大多數(shù)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所運(yùn)行通信協(xié)議的集合。它也被稱為TCP/IP協(xié)議棧，以協(xié)議棧中兩個(gè)最重要的協(xié)議命名，包括傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）和網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）。TCP/IP代表一族協(xié)議，是互聯(lián)網(wǎng)上使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它包括ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP和TCP等。TCP/IP通常被認(rèn)為是一個(gè)4層協(xié)議系統(tǒng)。

目前，嵌入式協(xié)議棧的提供有兩種方式：一種是獨(dú)立的第三方協(xié)議棧產(chǎn)品；另一種嵌入式操作系統(tǒng)提供商提供協(xié)議棧產(chǎn)品。后一種方法在開(kāi)發(fā)時(shí)相對(duì)要簡(jiǎn)單些，而且能夠提供較強(qiáng)的軟件可使用性。

3 基于TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

框架是一個(gè)可重用的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)有兩個(gè)要素，其一為一組抽象化的類別，其二為代表這組類別的物件集合，其基于互動(dòng)關(guān)系所提供的服務(wù)。例如Microsoft公司的MFC即是針對(duì)視窗環(huán)境程式的設(shè)計(jì)所開(kāi)發(fā)出之框架，用以處理有關(guān)視覺(jué)化人機(jī)界面之呈現(xiàn)，讓設(shè)計(jì)者只需專注于解決應(yīng)用本身之問(wèn)題。使用框架之優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）模組化（Modularity）：框架藉由隱藏其實(shí)作細(xì)節(jié)，只提供穩(wěn)定界面之機(jī)制，加強(qiáng)其模組化之設(shè)計(jì)。

（2）重用性（Reusability）：框架藉由訂定可重復(fù)使用于產(chǎn)生新應(yīng)用系統(tǒng)之一般化元件（generic components），來(lái)提供穩(wěn)定的界面。我們針對(duì)嵌入式即時(shí)系統(tǒng)之開(kāi)發(fā)提出一個(gè)應(yīng)用框架的構(gòu)想。此一框架構(gòu)想之概念是將分析設(shè)計(jì)的流程分解，針對(duì)各個(gè)主要的步驟設(shè)計(jì)出有助于這些步驟進(jìn)行之元件，這些元件負(fù)責(zé)幫助設(shè)計(jì)者自動(dòng)完成部分繁復(fù)的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)者只須作高階、概念之規(guī)劃。應(yīng)用框架之各個(gè)元件名稱如下：分析器（Analyzer）、任務(wù)器（Task Composer）、排程器（Scheduler）、作業(yè)系統(tǒng)管理器（OS Manager）及程式產(chǎn)生器（Code Generator）。應(yīng)用這些元件可幫助設(shè)計(jì)者從分析到程式碼的產(chǎn)生。

整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可視為由應(yīng)用物件、排程物件、作業(yè)系統(tǒng)物件及主程式物件所組成的。應(yīng)用系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)會(huì)先由主程式開(kāi)始，呼叫TaskInfo及Kernel相關(guān)操作進(jìn)行各種初始化的工作，然后呼叫排程物件，排程物件會(huì)參考任務(wù)中的優(yōu)先權(quán)等級(jí)，呼叫優(yōu)先權(quán)等級(jí)最高的任務(wù)來(lái)執(zhí)行，由于排程物件的優(yōu)先權(quán)等級(jí)最高，所以任一任務(wù)執(zhí)行完畢后都會(huì)將CPU控制權(quán)交給排程物件，如此循環(huán)不已。

嵌入式協(xié)議棧的運(yùn)行必須基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的支持，但并不是說(shuō)協(xié)議棧必須依賴于嵌入式操作系統(tǒng)的API。實(shí)際上，許多嵌入式協(xié)議棧做到了相對(duì)于操作系統(tǒng)的最大獨(dú)立性，可以與大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)集成運(yùn)行。但是，協(xié)議棧以及附帶的上層接口和下層驅(qū)動(dòng)程序會(huì)給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置其他的約束。例如，TCP、IP協(xié)議棧必須有一個(gè)相對(duì)的準(zhǔn)確時(shí)間源，以便進(jìn)行時(shí)間管理，處理各種發(fā)生在棧中的超時(shí)和定時(shí)行為。

4 結(jié)束語(yǔ)

在系統(tǒng)中嵌入TCP/IP協(xié)議棧時(shí)，嵌入式工程師先要從物理層開(kāi)始，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下硬件的改動(dòng)意味著要重新設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)者必須確定要使用的局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)。之后，需要實(shí)現(xiàn)并測(cè)試網(wǎng)絡(luò)接口卡（Network Interface Card，NIC）或者數(shù)據(jù)鏈路控制器（Data Link Controller，DLC）的相關(guān)驅(qū)動(dòng)。只有當(dāng)嵌入式設(shè)備能夠正確地收發(fā)幀時(shí)，嵌入式工程師才可以沿協(xié)議棧向上繼續(xù)開(kāi)發(fā)，最后測(cè)試應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于本書是從嵌入式工程師的視角出發(fā)，所以是從實(shí)現(xiàn)的角度自底向上地講解TCP/IP協(xié)議棧，而不是從傳統(tǒng)編程角度的自頂向下。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樹森，王希杰，劉秋菊.嵌入式Web遠(yuǎn)程糧情監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2013（10）：243-247.

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[3]馬濤，白瑞林，石堅(jiān).Cortex-A8平臺(tái)的μC/OS-Ⅱ及LwIP協(xié)議棧的移植與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014（01）：242-245.

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作者簡(jiǎn)介：種?。?984-），男，河南人，助教，碩士，研究方向：嵌入式。

作者單位：承德石油高等?？茖W(xué)校 電氣與電子工程系，河北承德 067000