嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

魏瑞興

摘 要 近幾年來，嵌入式系統(tǒng)具備體積小、可靠性強、專用性等優(yōu)勢逐步得以采用。但隨著獨立的嵌入式系統(tǒng)的功能缺點日趨明顯，新一代嵌入計算體系的功能集成和應(yīng)用模式使之轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化嵌入計算的目的發(fā)展，嵌入實時網(wǎng)絡(luò)通信是嵌入計算技術(shù)研討的重點和難點。本文主要簡介嵌入式系統(tǒng)和嵌入式實時網(wǎng)路通信的特點以及發(fā)展趨勢，提供相關(guān)參考。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò) 實時 發(fā)展

1 嵌入式體系和其特色

1.1 嵌入式體系

嵌入式體系是“節(jié)制、監(jiān)督或幫助裝配、機器和設(shè)備運行的設(shè)置裝備擺設(shè)；嵌入式體系綜合了軟件和硬件，同時包涵機械等隸屬裝配。目前國普遍認可的定義是：應(yīng)用作為重點、計算機技術(shù)為根本、可裁剪軟件硬件、符合應(yīng)用系統(tǒng)對功效、可靠性、本金、體積、功耗嚴厲規(guī)范的專用計算機系統(tǒng)。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點

按照嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)解釋，其具備3個基本特征，“嵌入性”、“專用性”和 “計算機”。

（1）嵌入性。嵌入性經(jīng)由過程操作初期微型機時代的嵌入式計算機而來，專指計算機嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對工具系統(tǒng)的智能把控。當嵌入式體系逐漸能夠自身應(yīng)變時，嵌入性是指內(nèi)部嵌有微處理器或計算機。

（2）計算機。計算機是工具系統(tǒng)智能化節(jié)制的根本確保。由于單片機向MCU、SoC成長發(fā)展，片內(nèi)計算機外圍電路、接口電路、節(jié)制單位逐步增加，“專用計算機系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)含微處理器”的當代電子體系。與傳統(tǒng)的電子體系進行對比，當代電子系統(tǒng)因為自身具有內(nèi)含微處理器，能具備對工具系統(tǒng)的計算機智能化控制能力。

（3）專用性。專用性是指符合對象節(jié)制標準和有關(guān)情況下的軟硬件裁剪性。嵌入式體系的軟、硬件裝備安排必須按照嵌入對象的相關(guān)標準尺度，計劃成專一的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

2 嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

2.1 簡介嵌入式實時操作系統(tǒng)

遇到外界事件或數(shù)據(jù)發(fā)生，可以接管同時以足夠快的速度進行相關(guān)處置，處置結(jié)果又在計劃的時間之內(nèi)來節(jié)制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速回應(yīng)，并確保全部及時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的嵌入式操作體系。

2.2 嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)的要求

嵌入式網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用在惡劣多變情況下，因而對其具備以下要求：

（1）及時性：出產(chǎn)裝備內(nèi)部多個分布式子系統(tǒng)信息耦合大體上比較縝密，對及時性提出了高標準，因此所用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須具有肯定的實時性能，即最壞情況下的反映時間是肯定的；此外在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)比較多，或者有些節(jié)點對及時反應(yīng)提有高要求，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還應(yīng)撐持優(yōu)先級調(diào)劑，以增強時間緊急型任務(wù)的信息傳輸可確定性。

（2）可靠性：嵌入式網(wǎng)絡(luò)自身的可靠性對有用功率造成直接影響還有成品率和生產(chǎn)效率，網(wǎng)絡(luò)能夠動態(tài)增添/刪除節(jié)點；惡劣多變的電磁情況下嵌入式收集本身要具有抗干擾本事、檢錯和糾錯能力和快速恢復(fù)的本領(lǐng)。

（3） 通信效力：嵌入式搜集通訊的子系統(tǒng)間具有頻繁的通訊，每次的長度很短，因而要求嵌入式收集協(xié)議采納短幀結(jié)構(gòu)，且?guī)^和幀尾要短，從而提升通信效率和帶寬的利用效力。

（4）雙重混合撐持：工作環(huán)境的差異要求嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備靈活矯捷的介質(zhì)訪問協(xié)議，不但撐持多種介質(zhì)（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且撐持夾雜拓撲結(jié)構(gòu)（星型、環(huán)型、總線型），有時大概要求同一個嵌入式網(wǎng)絡(luò)能同時利用多種介質(zhì)和多種網(wǎng)絡(luò)拓撲。

（5）實現(xiàn)難度和造價：嵌入式體系一般要按照實際請求舉行專門規(guī)劃和制造，其中的網(wǎng)絡(luò)體系軟硬件要便于運用實施，并和子系統(tǒng)控制部分集成，相關(guān)元器件商品化水平高，造價較低。

（6）開放性：嵌入式網(wǎng)絡(luò)必須具備杰出的開放性，一方面經(jīng)由過程企業(yè)Infranet連接到Intranet中，對企業(yè)生產(chǎn)管理的控制實現(xiàn)一體化；另外應(yīng)具有公然透明的開辟界面，資料完備，系統(tǒng)硬件、軟件的能夠自立開辟和集成。 此外，嵌入式網(wǎng)絡(luò)體系必需設(shè)置裝備擺設(shè)矯捷、保護簡潔。

一般來講，根據(jù)覆蓋范圍的區(qū)別，嵌入式收集隸屬于局域網(wǎng)。按照ISO/OSI的觀點，TCP/IP協(xié)議簇位于網(wǎng)絡(luò)層以上。TCP/IP協(xié)議簇明顯越過了嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的限定范圍。嵌入式收集含有ISO/OSI七層模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層可詳細劃分為兩個子層：介質(zhì)訪問節(jié)制子層（MAC子層）和邏輯鏈路節(jié)制子層（LLC子層）。MAC子層涵有物理層接口硬件和能夠?qū)橘|(zhì)訪問協(xié)議進行通訊的控制器；LLC子層主要是通過軟件實現(xiàn)（用戶自主開發(fā)）。因此，如何選擇合適的介質(zhì)訪問協(xié)議是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)通信的研究工作重點。

2.2.2 介質(zhì)訪問協(xié)議的選擇

CSMA/CA（帶沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問）CSMA/CD即便在節(jié)點數(shù)目不多、傳輸信息量較少時情況下也具備好的效率；因為令牌的相關(guān)協(xié)議具備較高的及時性和吞吐能力。人們已研發(fā)出一種能綜合以上兩者優(yōu)勢的夾雜協(xié)議—CSMA/CA。CSMA/CA的本質(zhì)是經(jīng)由過程競爭時間片來節(jié)制沖突。其基本原理與CSMA/CD類似，節(jié)點必需等到檢測到網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出空閑狀態(tài)，才可以發(fā)出信息；如果兩個或更多的節(jié)點發(fā)生辯論，就在收集上開啟一個阻塞信號關(guān)照全部辯論節(jié)點，并同步節(jié)點時鐘，開啟競爭時間片；每一個競爭時候片都遵循給定的特定節(jié)點，每個節(jié)點在其相對應(yīng)的時候片內(nèi)如果顯現(xiàn)信息發(fā)送便可啟動傳輸；別的節(jié)點檢測到信息傳輸后，停止對時間片的推動，等到傳輸結(jié)束全部節(jié)點從頭重新開啟推動時間片；當全部時間片都失掉作用時，網(wǎng)絡(luò)處在余暇狀況。為確保公平性和可確定性，每次傳輸以后，時間片要進行相關(guān)的循環(huán)模擬。另外，優(yōu)先時候片（the priority slots）優(yōu)先于普通時候片的推動，可以撐持高優(yōu)先級信息的全局優(yōu)先傳輸。CSMA/CA 協(xié)議在可主要劃分為兩種：一是RCSMA（Reservation CSMA），其特色為時間片數(shù)和節(jié)點數(shù)相同。RCSMA在各種傳輸條件下都可以有效進行工作，明顯看出其不適合應(yīng)用在節(jié)點較多的網(wǎng)絡(luò)；在另一種是，時間片數(shù)比節(jié)點數(shù)少，且依據(jù)沖突最少的原則隨機調(diào)整時間片的分配，依據(jù)所預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)地對時間片數(shù)進行調(diào)整；如Echelon公司推出的普遍利用于智能大廈領(lǐng)域的 Lonwork標準。

另外比如外令牌環(huán)、令牌總線也符合于嵌入式網(wǎng)絡(luò)。但因為令牌環(huán)的細致實施復(fù)雜、成本較高，首要采取 CSMA/CA。

參考文獻

[1]蒲艦舸.基于現(xiàn)場總線的實時網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)，2005.

作者單位

山西省郵電建設(shè)工程有限公司 山西省太原市 030012