嵌入式以太网设备接入INTERNET的研究（可编辑）

嵌入式以太网设备接入INTERNET的研究（可编辑） 嵌入式以太网设备接入INTERNET的研究 湖南师范大学 硕士学位论文 嵌入式以太网设备接入INTERNET的研究 姓名:潘健 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:冯介一 20080501摘 要 随着网络时代的深入,已经成为重要的基础信息设施, 越来越多的设备需要接入,射频卡系统就是其中之一。 射频卡系统不能便捷连入,其信息也不能及时更新。因 此,本文拟选择位单片机加精简/栈的方法来加以解决。 嵌入式中的关键问题之~是其实现成本问题,位单片 机虽然只支持简化的/协议及其他一些相关协议,但它们在系 统成本方面具有较大优势,且位单片机在各种电器设备中使用广泛 且价格低廉。本文就从普通位单片机出发,重点介绍了下 面三方面的工作。首先,对嵌入式技术进行了介绍与比较, 分析嵌入式/协议的特点和实现要求,针对射频卡系统的特 点,详细论述嵌入式/协议简化的思想。其次,对硬件系统和 软件系统进行了具体的设计,给出了硬件系统的设计原理图,着重讨 论了网络接口卡的数据发送和接收工作原理,并对整个 嵌入式/所用到的协议、、、进行了细致的分析。 最后对设计内容进行了仿真测试,测试表明,本设计中研究的嵌入式 以太网接入系统达到了最初的设计目标,可以实现数据的以太网传 输。 最后对本文的蠢容做了,并提出了一些研究展望,期待在以 后的研究中完善。 关键词:单片机,嵌入式接入,.以太网,/协议。 。, . ? ’ /’? . , , / , / , , , . , ?’ ., / , ,/ ?。 .,,,,/ ,,,, , 。 , , , . ?? . , ,,/ :,湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所里交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究工作所取得的成栗。除文中已经注明季用的内容外,本 论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: .?渺踔 月弓日 滔仓? 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 王、保密口,在??年解密君适用本授权书。 、不保密时。 请在以上相应方框肉打茹/’’ 日 作者签名: ,彩仅芯 日期:坶 ‘月多 参日 西期:洲鑫年占月 导师签名:?笃彳‖嵌入式以太网设备接入的研究 绪论 。研究的背景与意义 世纪的地球,正在经历~场新的革命,人类也进入到了一个 新的信息时代。地球已经被披上了一层“电子皮肤”,这层电子皮肤 是由数以万计的嵌入式电子设备组成的。“以应用为中心,以计算机 技术为基础、软硬件可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机?是我们对嵌入式系统的一个普 遍认同定义,它是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各 个行业的具体应用相结合后的产物。 近年来,随着微处理器性能的不断提高、存储空间的不断扩大, 它已经在家庭和工业等的各个领域中得到了广泛的应用。单个微处理 器,配合一些检测、伺服、指示、控制设备来实现一定的功能。在工 业和汽车的某些应用中,也实现了多个微处理器之间的信息交流,比 如:数以百万计的智能温度传感器、压力传感器、大气污染传感器、 智能摄像器等设备,监控我们的城市、工厂、大气、船舶等。但是, 它们之间的这种网络的有效半径是非常有限的,一些通信的协议也实 现的比较少,并且大多数是孤立于网络之外的。 网络是信息社会的命脉。网络的发展从局域网到广域网,再到异 种、异构相连的网际网,均源于社会对资源的共享的需要, 网就是最大的全球性的网际网。网络上传输的声音、视频、数据,都 被称为信息,信息在传输过程中的各个层次上需要遵循与之相对应的 协议。乜网络全球化,使得人们能以最快捷、最便利的方式获得自己 想要的资源。 美国贝尔实验室总裁 等一批科学家对此做出了 预测:“嵌入式将会产生比机时代多成酉上千倍的瘦服 务器和超级嵌入式瘦服务器,这些瘦服务器将与我们所能想到的各种 物理信息、生物信息相联接,通过网囱动、实时、方便、简硕十学何论文 单地提供给需要这些信息的对象口,嵌入式技术的应用 成为未来发展的必然趋势。 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品,不仅为嵌入式市场 展现了美好前景,注入了新的生命;同时,也对嵌入式系统技术提出 了新的挑战。这主要包括:支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联 接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。此外,当然还需对付更加 激烈的市场竞争。主要体现在以下两点:?网络化成为必然趋势,针 对外部联网要求,嵌入设备必需配有通信接口,相应需要/协 议簇软件支持;新一代嵌入式设备还需具备、、、 或通信接口,同时也需要提供相应的通信组网协议 软件和物理层驱动软件。?支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和 低成本,为满足这种特性,要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的 性能,限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式设计 技术要求。 开发基于嵌入式系统的网络接入技术特别是在大量存在位或 位嵌入式系统并实现通信协议等是实现嵌入式的关键技 术,也是本论文的研究重点。 卡国内外研究现状 .嵌入式 技术及智能 ..嵌入式系统发展概述 嵌入式系统至今已经有多年的历史了,它的发展与计算机技 术、半导体技术、电子技术以及网络技术的发展有很大的关系。我们 可以把嵌入式系统的发展分为以下的三个阶段: ?嵌入式系统的出现和兴起年~年:当时计算机己 开始采用集成电路,也就是通常所说的第三代计算机,军事和航空航 天领域的需求,推动了嵌入式系统的出现和兴起。 ?嵌入式系统走向繁荣,软件和硬件日臻完善年~ 年:微处理器问世,单片机和出现,软件技术的进步更使嵌入 式系统日臻完善。嵌入式以太网设备接入的研究 ?嵌入式系统走向纵深年至今:面向不同应用领域、功 能强大、集成度高、种类繁多、价格低廉和低功耗的位芯片已大 量应用围。 .。嵌入式技术研究现状 国内外许多研究机构和国际标准化组织都致力于嵌入式 、 的研究,如、 、嵌入式联盟、中国单片机 公共实验室、全国嵌入式系统学术交流会等。嵌入式基本 上已发展成为具有一定规模和相应理论的研究领域。但是对于国内外 主要参与研发的公司,存在以上两种情况: .像、、、等有悠久芯片研 发经验大公司,都具有通信功能丰富的芯片组或技术,但是开发外 围芯片必须在他们提供的通用的、廉价的芯片基础上进行,且研发重 点是终端产品的智能化,此类芯片或者技术都需大量资源。 .但对小型芯片设计或制造公司,它们主要研究功能专一的外 围芯片或技术以接入技术为主,专一解决智能化设备所面临的通 信问题,应用成熟的技术理论做基础,所需研发资源较少,产品可快 速推向市场?。’ .。射频识别 卡技术研究综述 集成电路王智能卡以其高信息集成、高安全性,在人们圈常生 活中发挥巨大作用,特别是公共交通,无线通信,卫生保健,封闭式 场所管理,身份识别,电话通信,大楼保安等行业领域。卡又分 为接触式和非接触式射频卡,近几年来,随着智能卡中非接触式 王智能射频卡的高安全保密性,使之在智能卡领域中异军突起,应 用前景十分广阔。 非接触式王智能射频卡系统主要由两个部分组成:阅读器和射 频卡,阅读器和射频卡之间通过无线方式通信,因此它们都有无线收 发模块及天线或感应线圈。阅读器一般由单片机、专用智能模块硕十学位论 文 组成,并配有与的通信接口等,以便应用于不同的领域。 当今世界非接触式智能射频卡中的主流为公司的 麓工融 系列的非接触式王智能射频卡王卡。技术已经被制定为国际标准:/ 标准。欧洲一些较大的 王卡片制造商、王卡片阅读器靠造商及卡软件设计公司等大都以 技术为标准,发展和推进卡行业。 .嵌入式 接入技术研究方法与内容 我们通常所说的嵌入式系统一般包括嵌入式处理器、嵌入 式操作系统和应用电路部分,当把这些嵌入式设备连入到 时,就必须实现相对应的接入协议,比如/协议等。嵌入式系 统对信息进行一些/方面的处理,使这些信息变成可以在网络 上传输的数据报。但是由于嵌入式系统中大量存在的位和位的 微处理器,使得如何利用嵌入式系统自身有限的资源对信息进行 /协议的处理,从而使信息可以在传输成为实现嵌入 式技术的难点。针对这一技术难点,目前国内外出现了几 种研究: .用代理协议来完成单片机与网关间的协议转换 即技术,采用美国公司推出这一套成熟、完善的 技术来实现 嵌入式系统与相连。具体做法是在应用系统的内部使 用协议,再通过与连接。其实现原理如 图所示。技术采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作 为网关,称做,上面支持/协议并运行服务程 序,形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。 通过一、一、、红外、射频等轻量级总线 与多个嵌入式设备联系起来,每个嵌入式设备的应用程序中包含一个 独立的通信任务,称为,监测嵌入式设备中预先定义的各个 变量,并将结果反馈到中;同时还可以解释 的命令,修改没备中的变量,或进行某种控制。嵌入式以太网设备接入的研究 通过机来实现复杂的网络协议,因此对的要求较低,应用系 统只需要使用比较简单的协议就可以了。但它同时也要求应用 系统设计工程师必须熟悉协议和相关的接口,且需进行设计的 处理协议要占用一定的系统资源,导致也不一定能符 合要求,这样~来,造成了软硬件设计的工作量较大,因此它不适合 在要求低成本的嵌入式网络接入系统哺。 图?:技术实现原理 .用专用芯片来完成单片机与网关闻的协议转换 采用芯片实现嵌入式系统的网络化:芯片是武 汉力源股份有限公司推擞的可实现嵌入式系统与连接的接 口芯片,将其作为智能装置成为连接到上的“桥梁。芯片 独立于各种微控制器的专用芯片,在它的片内驻留着网络协议解释程 序和网络协议编译程序模块,通过标准的外围串行接口与嵌 入式系统中的徽控制器相连接。微控制器可以逶过芯片接收 并执行经由远程传来的命令,或将一些数据交给 芯片发送出去,实现电子设备的智能化。其实现原理图如图所示。 嵌入式系统采用芯片接入时,还必须要有一个支 持复杂 /的协议并能提供服务的类似 的网关,网关可以是一台操作系统为平台的普通机阳。 螺 隔 ‰ 掣堡旦卜、 窭 秀 \????/ ? 毯 ?????八、 \.广????/ 善 芝 图.芯片实现原理硕学位论文 ‘ .直接在电子设备上实现/ 此方案的实质是由机内部固化/协议的芯片,组成应 用系统的核心。在此方案中,单片机应用系统可以直接拨号上网,硬 件电路相对简单,也不需要其他中间环节的支持。但由于单片机使用 了/协议芯片,因此需要大容量的程序存储器,而且要求 由较高的运行速度。应用系统的设计工程师还必须熟悉/协议 和相关的接口,软件设计复杂,工作量大。另外,每个电子设备都必 须申请一个地址。用此方案实现的典型代表有 ?公司的、公司的芯片等珏引。 .位或位高性能微处理器精简/协议栈 利用网络接口控制器来实现物理层和链路层协议,同时微处理器 运行嵌入式/协议通信模块来实现与的连接。此方案 非常灵活,针对在大量工业领域中应用嵌入式设备功能比较单一,设 计者可以根据系统的需要对/协议中的各个部分进行取舍和简 化,在上述网络接口控制芯片接口程序的基础上只需要开发简化的嵌 入式协议栈,就能既满足应用需要,又占用最少的硬件资源,使硬件 . 成本最低。其实现原理图如图卜所示: 图:控割实现原理图 .本文所做的工作 本文主拟解决交通领域所普遍使用的射频应用系统,使其可 以简单、快捷地接入用以完成数据更新。 根据前面的分析及国内生产现状,本设计采用性能价格比最优的嵌入式以太 网殴螽核入的研究 第四种方案。其中,嵌入式微处理器采用最常见的一种王系列单片 机为例,采用以太网络接口控制醛片为例进 行开发。 要将嵌入式系统连上的关键是如何实现网络接口以及 如何提供相应的网络协议。即需做好两方面的工作:硬件上,要 给系统主控器加一个网络接口;软件上,要提供相应的通讯协议。 本文就这两个方面作了一些研究: 第一章绪论,研究了嵌入式与智能识别卡的发展现 状,对嵌入式系统接入的问题进行了仔细的分析,并在比 较了各种方案之后提出了自己的设计构思。 第二章介绍了网络通信系统的层次模型,并针对本次设计中需要 用到的几个必不可少的协议内容作了特别介绍,并给出了嵌入式 /的裁减方案。 第三章着重介绍各硬件设备,并就以太网的核心网络接口控制芯 片的内部寄存器含义,弓脚特性等作了详细说明,并给出 了整个系统的硬件关键技术连接图。 第四章阐述了整个接入系统的软件设计思想。接入模型中硬件的 初始化,已裁减的嵌入式/协议的实现,在控制下 发送和接收数据的实现,以及在监控计算机上的 网络编程。 第五耄针对设计中的软件和硬件的研究进行了系统仿真试验,对 系统的网络可用性、响应时间等做了测试。 第六章,本文的总结与展望,本文还存在的问题及未来进一步开 发所需要面临的一些问题。硕十学能论文 嵌入式/协议栈 . / 协议 /通常采用~种简化的四层模型,分别为:应用层、传输 层、网际层、网络接口层,如表所示。 表.;册网络层次图 应用鼷 霞、、、?嚣、瓣伊 传输层 、 阙际艨 【、、 疆络接日艨 、.、、 应用层 应用层实现具体的网络的应用,它用来处理所有与特定的用户应 用程序之间的细节。 传输层 传输层负责为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 网际层 网际层主要负责处理数据报在网络中的活动。 网络接口层 网络接园层包括设备驱动程序和对应的网络接口卡。融豫 在/协议族中,每一层都有不同的协议。现在通过一个图 来分层次的画出/协议族,我们知道应用层和网络接口层都有 多种协议,而层协议较少,使得这样表示的/协议族很像沙 漏计时器的形状。嵌入式以太网设稀接入的研究 图:沙漏形/协议族 .嵌入式/ 协议 嵌入式/协议是从以满足嵌入式系统的实际需求为目的这 一指导思想出发,在嵌入式的理论基础上,通过对庞大、 功能齐全的/协议的仔细研究,对标准的/协议进行一定 的取舍,从而制定出的一套简单的、适用于嵌入式系统并且能完成相 应网络功能的协议,称为嵌入式/协议。?们 从特定的应用环境出发,嵌入式/协议栈有一些区别于标 准的/协议族的突出特点: 嵌入式/协议栈具有很好的可剪裁性。由于嵌入式应用 的要求差别很大,各种嵌入式应用系统的要求又不一定相同,并且在 嵌入式应用中对产品的成本、价格比较敏感,在加上存储器的容量通 常是比较有限的,因此必须根据嵌入式网络产品的具体功能,对完整 的/协议族的功能进行裁减,特别是对应用协议提供可剪裁性, 用以满足用户的要求。 很强的可移植性。由嵌入式应用的多样性决定了嵌入式应用 平台也是变化多端的。因此,在我们开发网络协议栈软件的过程中, 保证软件的可移植性是非常重要的。这样,在对嵌入式产品进行软、 硬件升级的过程中除了与硬件直接相关的部分代码需要重新编写以 外,不必再对上层协议进行大的修改。 代码精简。嵌入式/协议栈是标准的/协议族的 子集,只需要实现基本的、必要的功能,使生成的二进制代码尽量精 简,这对嵌入式网络产品降低开发难度、提高系统处理能力、节省有硕十学 位论文 限的和空间是有重要意义的。 根据嵌入式/的特点,在加上/位代码空间、内存 大小、速度等方面的一些特点,我们不可能在/位上实现完 整的/协议。考虑到一般的/位嵌入式系统的主要应用领域 是一些实时控制、数据采集和传输,它所需要的传输的数据量较小, 所以我们可以从两个方面来考虑对嵌入式/的一个优化: 协议的适当选择。对各种不同的协议进行评估,用以来决定 需要哪些协议,同时可以在不影响系统功能的情况下省略哪些协议。 在保证系统功能的前提下,对某些协议进行适当的取舍,从而降低对 处理器等系统资源的需求。 对选择的协议进行适当的优化。基本原则就是在已经选择需 要适用的协议中,对其进行优化,去掉在应用系统中不需要的功能和 选项,保留必备部分,使协议精简。 .嵌入式/ 协议的裁减 本设计的目标是实现数据在以太网上传输,设计中所选用的 、.协议。在 网络接口芯片遵循 /协议中,选用哪些协议,如何实现是嵌入式/协议裁 减的一个重点。如果把不同协议层的数据统一理解为长短不一的二进 制数据流,那问题就简单多了。数据的发送可以看成按照一定格式生 成不同长度的数据流。数据的接收可以看成按照一定的规则从不同长 度的数据流中得到需要的数据。由此看来,处理器实现/协议 就是实现数据流的生成及解析。 那么,我们首先需要知道数据在网络上是什么格式,网络接口层 的相关协议可以解决这个问题。 ..网络接口层 帧两种封装格式。 以太网的帧有以太网帧和 .网络的 以太网数据报的封装是在 中定义的, 即主机需求 数据报封装是在 中定义的。根据 嵌入式以太网设备接入的研究 的要求,所有主机必须能够发送和接收以太网帧,应该能够接 收 .帧,也许能够发送 .帧。根据这一要求,本 系统设定为能够接收以太网帧和 .帧,只能发送以太网帧, 不能发送 .帧。 首先从一个以太网基本帧的格式来分析。一个标准的以太网基本 帧格式如表?所示:: 表,:以太网基本帧结构 表中结构分别代表帧头、帧起始符?、目的地址 ,源地 址 、类型、数据和帧校验 序列在帧中的位置和所占的比特数。在帧结构中,除了数据 域的长度可以在 一 之间不固定,其他域的长度 都固定不变。以太网规定整个传输包的最大长度不能超过字节, 最小不能小于字节。因此,数据段最少需要传输字节的数据, 当数据段的数据不足字节时需填充,填充字符的个数不包括在长 度字段里;超过字节时,需拆成多个帧传送引。 基本帧中前个字节用于帧同步,域用于帧校验,这些用户 不必关心。在数据发送时其由网卡芯片自动添加。目的地址和源地址 是指网卡的物理地址,即地址,具有唯一性。帧类型是指数据包 的高级协议。因此只需产生目的地址、源地址、帧类型、数 据域的数据流即可。在接收数据过程中网络接口控制芯片一旦检测到 有效的帧头和帧起始定界符,就认为有效数据开始,并将有效数据存 入接收缓冲环钔。 了解了帧的格式之焉,我们需要对各个网络协议来进行取舍,先 从网际层开始讨论。硕十学何论文 ..网际层 网际层主要负责处理数据报在网络中的活动。在/协议族 中,网络层协议包括协议, 协 协议、议、 协议及协议?。 我们首先来了解下地址解析协议。 是规范描述文档引。地址解析协议仅能在局域 网内使用,是专门用来解析网络装置的地址。地址也被称做 硬件地址或物理地址, 实际上就是网卡地址或网卡标示符。当一块 网卡插入到某台计算机以后,网卡上的标示符就成为了这台计算机的 地址了,地址一般为 。地址是为每个连接在因特 网上的主机或路由器分配的一个在全世界范围惟一的一个 的标示符。协议就是用来解决地址和地址之间映射问题 的。 . 协议的帧结构如表?所示: 表:协议帧结构表 硬件类型 协议类型 硬件长度 协议长度 操作 发送站硬件地址以太网 发送站协议地址 目的硬件地址以太网 目的协议地址 其中,硬件类型字段表示硬件地址的类型,它的值为即表示以 太网地址;协议类型字段表示要映射的协议地址类型,它的值为 即表示地址。硬件长度和协议长度分别指出硬件地址和协 议地址的长度,以字节为单位。对于以太网上地址的请求或 应答来说,它们的值分别为和。操作字段指出种操作类型,嵌入式以太网设备 接入的研究 请求?值为,应答值为,请求值为和 应答值为。 协议可以细分为请求协议和响应协议两种。其它计 算机要同系统进行主动通信,系统就必须要实现响应协议。 请求协议是在本地建立了一个地址到地址的映射。由于 内存等资源有限,在这里使用以太网广播帧发送数据分组, 这样就不用实现请求协议,同时也不用维护地址到地址 的映射对。 逆地址解析协议使知道地址的主机能够知道其 地址,它主要用于无盘工作站中。嵌入式中可以把地址 存储于本地存储器中,从而不需要实现协议。 再讨论协议: 网际协议是/体系中最主要的协议之一。协议是一 种不可靠无连接数据报协议??尽最大努力服务,即不提供差错检验 或跟踪。每一个分组独立进行处理,每一个分组使用不同的路由传到 目的站。数据报可能不按顺序到达,可能丢失,可能受损。 数据报的格式分为两个部分首部和数据部分,下面来介绍下 数据报首部: 表.:数据报首部格式 首都 版本 服务类型 总长度 长度 标谈 拣恚 冀镶移 生存时间 协议 首部校验和 源地址 目的地址 可选字段和填充 其中版本占 ,指协议的版本。通信双方使用的协议 的版本必须一致。目前最常见的版本号是,即。硕十学位论文 ,表示报头的长度。报头的长度必须是 首部长度占 的倍数,且最大长度为字节,最短长度字节。 总长度占 ,它是指首部和数据之和的长度。其中,在以 太网中最大传送单位,即当一个数据报被封装成链路层的帧 时,此数据报的总长度不能超过字节。 标识码占 ,它是一个计数器,用来产生数据报的标识, 用于识别不同的数据包。 生存时间占 ,生存时间字段记为,即数据报在网络中 的寿命,其单位为秒,防止无用数据包一直存在网络中。一般每经过 路由器时减一,因此通过可以算出数据包到达目的地所经过的 路由器个数。 协议占 ,常用的一些协议都有相应的协议字段值,比如: 本设计中用到的,它所对应的字段值为;协议,它所对 应的值为。 首部校验和,这个字段只检验数据报的首部,不包括数据部分。 用以保证传输过程中数据的正确性。 用单片机实现协议要作一些简化,不考虑数据分片和优先权。 因此,不讨论服务类型和标志偏移域,只需填“即可。数据 包为简化数据转发时间,仅采用头校验的方法,数据正确性由高层协 议保证。 协议因特网控制报文协议,它允许主机或者路由器报告 差错情况和提供有关异常的报告。应用,即应用层直接使用网 络层回应请求和回应应答报文,用来测试两个主机之间的连通 性,这种测试对一个网络设备来说是非常重要的。本设计中需测试 能否连通以太网,因此,需实现的回应应答报文和回 应请求报文,即应用。 表.:报文格式耋竺 竺竺 竺竺竺 不问类型和代码有不?的内容嵌入式以太网设器接入的研究 所有报文的前个字节都是一样的,但是剩下的其他字节 则互不相同。类型字段可以有个不同的值,以描述特定类型的 报文。类型为回应应答报文,为回应请求报文。整个数据 包都封装在数据包里,即将报文加上报头。 因特网组管理协议是在多播环境下使用的协议。 是用来帮助多播路由器识别加入到一个多播组的成员主机。基于本设 计没有涉及到多播环境,因此不考虑实现协议霸渊。 。。传输层 传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。根据应用的不 同,传输层有两种不同的传输协议,即面向连接的和无连接的 。 提供的是面向连接的服 务。在传送数据之前必须先建立连接,数据传送结束后要释放连接。 由于提供的是可靠的、面向连接的运输服务,因此不可避免的增 加了许多的开销,如确认、流量控制、计时器以及连接管理等,这些 不仅使协议数据单元的首部增大很多,还要占用许多的处理机资源 【】 而嵌入式系统在设计时会面临很多的特殊要求,如处理器速度有 限、存储空间太小、传输率等。一般来讲,在设计嵌入式设备接口时, 快速、简单地与嵌入式设备进行双向数据传输是首先要保证的。为了 减少与嵌入式设备之间的往返信息,使网络成为一种更为高效的通信 媒介,本设计不采用,而把传输实现的重点转移到上来娩翻。 是一个简单的面向应用的传输层 协议,不提供可靠信道。在传送数据之前不需要先建立连接,传 送数据之后不需要等待确认,所以传输速度很快。 用户数据报有两个字段:数据字段和首部字段。首部字段很 简单,只有个字节,由个字段组成,每个字段都是瓶个字节。它 的首部结构如表所示:硕十学位论文 表:用户数据掇酋部 源端口 目的端口 长度 拔验和 数据 源端口:占 ,用来记录源端应用程序所用的连接端口编 号。 目的端口:占 ,用来记录目的端应用程序所用的连接端 口编号。 长度:占 ,用户数据报的长度 校验和:占 ,防止用户数据报在传输中出错。 检验和覆盖首部和数据。包括部分:伪首部、 首部和应用层数据口位于报头前字节的是伪首部。数据 报的长度可以为奇数字节,而检验和算法是把若干个 字相加, 解决方法是必要时在最后增加填充字节,这只是为了检验和的计算 也就是说,可能增加的填充字节不被传送。 本设计为了尽可能的精简设计,在对进行实现时,只接收一 个指定端口的数据报,不接收其它端口的数据报。 在发送数据之前不需要建立连接,因此减少了开销和发送数 据之间的时延;用户数据报的头部从表?可以看出,只有个 字节的开始,比所需要的个字节要短,非常适合存储容量小 的八位单片机;不使用拥塞控制,这样既使需要连入以太网的小 型嵌入式系统不需要维持具有很多参数的、复杂的连接状态表,同时 保证了数据的发送速率,对某些实时性来说也非常重要。也正好 符合某些实时应用要求以恒定的速率发送数据,并且允许在网络发生 拥塞时丢失一些数据,但不允许数据有太大的时延的要求心。 : .最小系统方框图 根据以上对嵌入式/协议的裁减,针对本设计可以得出~嵌入式以太网设器接 入的研究 个能满足要求且需要实现最精简协议的方案,结果如图?所示: 图最小系统方框图 .本章小结 这一章先介绍了/协议,然后针对嵌入式系统的特点,逐 层介绍并对其作了相应的裁减。硕十学何论文 网络接入部分硬件设计 .系统硬件组成 本设计目标是针对射频卡读卡器设计一个网络接入系统,通 过这个系统接入到中。根据经济成本低、功能够用的开发 要求,该网络接入系统分别采用了和以太网控制 器芯片来实现。其中,微控制器主要负责/协议中的 网络层数据帧的封装和拆包、传输层协议的实现的实 现。 主要是实现/协议的物理层协议,如/协 议的数据链路层数据差错控制及编码。该网络接入系统的工作基 本流程包含个部分:通信处理部分和数据处理部分。其中通信处理 部分主要是根据协议实现读卡器与以太网中监控计算机进行数 据交换;而数据处理部分则是进行数据帧的封装和数据提取。根据这 些要求,可以设计相应的硬件功能如下。 .系统连接结构框图 本设计的系统电路主要由、两个主要部分组 成,扩展 ,网络接口控制器通过接口接入, 其连接示意图如图一所示: 图.:系统连接框图嵌入式以太网设备接入的研究 。.简介 位单 是美国公司生产的低电压、高性能 片机,片内含 的可系统编程的只读程序存储器和 的,器件采用公司的高密度、非易失性存储技术生 产,兼容标准指令系统和引脚。它集程序存储器既可 在线编程也可用传统方法进行编程及通用位微处理器于单片 芯片中。 提供如下标准:字节的,字节的内部,看 门狗, 个/线,两个位的定时器/计数器,一个向 量两级中断结构,一个全双工串行墨,片内晶振和时钟电路弪拳 内带看门狗定时器,无需外加监控芯片,通过软件设置 就可保证系统可靠的工作。由于单片机的高性价比,它已广 泛用于各种控制领域。 .. 简介 是由台湾公司生产的嵩集成以太网控制器芯 片,片内集成了介质访问控制子层和物理层的性能,更重要 的是它可以方便地设计基于总线的系统,简单的与嵌入式 或单片机进行接口。另外,它还具有与兼容、软件移植性好 以及低廉的价格等优点,在市场上豁网卡中占有相当的。 。 功能分析 。. 主要性能 是一片嵩度集成的以太网控制器,具有曼彻斯特编码、 冲突检测和重发的功能,它可以与很少的外围电路一起完成数据的发 送和接收功能。 它的主要性能有: 适应于 、.协议、、、硕十学何论文 : 支持位、位数据总线,个中断申请线以及个 /基地址选择; 全双工,收发可同时达到的速率,具有休眠模式, 以降低功耗; 内置的,用于收发缓冲,降低对主处理器的速 度要求; 可连接同轴电缆和双绞线,并可自动检测所连接的媒介类 型; 支持闪存读写; 允许四个诊断引脚可编程输出; 脚的封装,缩小主机板尺寸乜引。 .. 内部结构 芯片主要功能模块包括:总线接口、. 引擎,集成的缓冲区内存,串行接口和具有?、 和的完整模拟前端。其内部结构如图?所示: 图:内部结构图嵌入式以太网设舔接入的研究 。。 的工作模式 支持三种工作模式: 第一种为跳线模式,其/基址和中断由跳线设置决定 第二种为即插基羹用方式,由软件自动配置相应的参数 第三种为免跳线方式,/基址和中断由外接设定 网络接口芯片的第脚是输入引脚,当第脚为低电平时, 工作在第种或者第种方式,而当工作在第 、种模式时,需要使用。如果把第脚接高电平, 工作在第种跳线方式。 ..寄存器及/地址分配 首先,通过一个表来看一下主要工作的寄存器: 表:寄存器表硕十学『:论文 寄存器分为页:、、、。 寄存器是控制命令寄存器,地址是,这个寄存器用来选 择寄存器页,控制远程操作。该寄存器中的,用来指定 寄存器的页。在实际配置寄存器时,首先要指定要配置的寄存器属于 哪一页就是进行和的设置,然后对那一页中的寄存器写 入配置信息。 此外还有几个用于接收的重要寄存器: 接收缓冲区的起始页的地址。 接收缓冲区的结束页地址该页不用于接收。 指向最后一个已经读取的页读指针。 当前的接收结束页地址写指针。 网卡含有字节的,地址为~指的是网 卡上的存储地址,每个字节称为一页,共有页。页的地址 就是地址的高位,页地址为~。这的的一部分 用来存放接收的数据包,一部分用来存储待发送的数据包。第页叫 页,只有字节,地址为一,用于存储以太网物 理地址。 本设计中使用为网卡的发送缓冲区,共页,刚 好可以存储个最大的以太网包。使用为网卡的接收缓 冲区,共页。因此,为停止页, 就是直到,是接收缓冲区,不包括刚开始,网卡没有接 收到任何数据包,所以,设置为指向第一个接收缓冲区的页 。 是网卡写内存的指针,它指向当前正在写的页的下一页, 那么初始化它就应该指向。网卡写完接收缓冲区一 页,就将这个页地址加一,,这是网卡自动加的。当 加到最后的空页本设计中是,时,将置为接收 缓冲区的第一页这里是,,也是网卡自动完成的。当 时,表示缓冲区全部被存满,数据没有被用户读走,这 时网卡将停止往内存写数据,新收到的数据包将被丢弃不要,而不覆嵌入式 以太网设备接入的究 盖目的数据。此时实际上出现了内存溢出。 而要由用户来操作。用户从网卡读走一页数据,要将 加一,然后再写到寄存器。 当加到最后的空页, 时,同样要将变成第一个接收页, 。和主要用来控制缓冲区的存取过程,保证能 顺次写入和读出。当或当, 时,网卡的接收缓冲区里没有数据,表示没有收到数据包。 用户通 过这个判断网卡的接收缓冲区没有包可以读。当上述条件不成立时, 表示接收到新的数据包。然后用户应该读取数据包,直到上述条件成 立时,所有数据包已经读完,此时停止读取数据包。 为发送页的起始页地址。初始化为指向第一个发送缓冲区 的页,。 接收配置寄存器,设置为使用接收缓冲区,仅接收自己的地 址的数据包以及广播地址数据包和多点播送地址包,小于字 节的包丢弃这是协议的规定,设置成接收是用于网络分析,校验 错的数据包不接收。 发送配置寄存器,启用自动生成和自动校验,工作在 正常模式。 数据配置寄存器,设置为使用缓存,普通模式,位 数据传输模式,字节顺序可以设为高位字节在前,低位字节在后,或 是相反。 中断屏蔽寄存器,设置成,屏蔽所有的中断;设置成 将允许中断。 ~是设置多点播送的参数。 ~是用于设置网卡的地址。 的寄存器是只读的,所以不用设置。的寄存器不是 兼容的,所以除了电源管理外,也可以不用设置嘲弪引。 远程地址包括~,都可以用来做远程端口,选 用作为远程端口。复位端口包括共个地址,功 能一样,用于复位,同样在这里选用作为复位端口。硕十学位论文 .. 的工作原理 按数据链路的不同,可以将内部划分为远程 通道和本地 通道两个部分。 .妇’:; 眦 . /的. . 图:与相关的寄存器图 其中为发送缓冲区起始地址,为要发送的字节数, 为远程起始地址,为远程字节数。其它寄存器我们很 少用到。 远程完成主处理器和网卡内部缓冲区数据交换,本地完 成缓冲区数据发送。处理器发送数据时,先将一帧数据通过远程 通道送到的发送缓冲区,然后发出传送命令。 在完成了上一帧的发送后,再进行此帧的发送。接收到的 数据通过比较、校验后,由存到接收缓冲区,收满一 帧后,以中断或寄存器标志的方式处理器。嵌入式以太网设备接入的研 究 接收逻辑在接收时钟的控制下,将串行数据拼成字节送到 和。发送逻辑将送来的字节在发送时钟的控制下逐步按位 移出,并送到,逻辑在接收时对输入的数据进行校验, 将结果与帧尾的比较,如不同,该帧数据将被拒收。在发送数据 时对帧数据产生,并附加在数据尾传送。地址识别逻辑对接 收帧的目的地址与预先设置的本地物理地址进行比较,如不同且不满 足广播或组播地址的设置要求,该帧数据将被拒收。逻辑对收 发的数据作个字节的缓冲,以减少对本地请求的频率。其功 能原理如图所示: 图: 工作原理图 。硬件电路设计 系统设计设备连接的关键电路图如图所示,就关键电路图给 出了各设备连接的详细说明。 。,与 的连接说明 在本设计中,采用的工作在最简单的跳线模式。在这 种模式下,的/端口由一引脚决定,本设计 中将这四个引脚悬空,设定一个基地址。此时的/ 地址范围为、,如图?所示。 其它引脚连接为:.和.分别与和,作为硕十学位论文 的/信号;.接,用于的重置; .接,用于忙时插入等待时间:。。 砣兔 盯 脚.彤 ;? 盯 ? ~ 旧口~, ? . ? .. . ??一 ? ,丫 肚 ~ :;? 诅 , “ .】 一阳 ;认 噩? 蛋 . 苗 虻胡 ?亡一 .惦 图.:硬件连接结构简图 .. 及其与以太网的接口说明 让工作在最简单的跳线模式,只需将第脚接高 电平即可。 的中断由~引脚,,决定,本 设计采用轮询方式,没有用中断,因此中断引脚全部悬空。 可兼容位和位数据总线操作,的位 模式与我们通常所讲的对外部总线的位模式是有区别的。对 ,其/位指的是的数据宽度,并不是指/寄存 器访问的宽度,即由于所用微处理器是位数据总线,因此要设置 使用位总线模式。的是/位数据 总线的选择脚,如果输入为低电平,将选择位模式,反 之选择位模式。设计中将引脚通过电阻下拉至地。上电 复位时,该引脚输入电平为低,选择位数据总线模式。 脚决定与以太网的连接是使用还是 或接口。常用的网络接口一般是的,接口方式支持芯 双绞线或同轴电缆。因此在本设计中,将接为高电平,选择最常嵌入式以太网 设备拨入的研究 ., 用的接口。 此外,网络接口的具体类型由,脚决定。可 连接同轴电缆和双绞线,并可自动检测所连接的介质。其体操作是把 、引脚悬空即可实现自动检测。 网络接口采用,需要使用/、/一经过滤波 器与以太网相连。 .. 与读卡器的连接说明 对读卡器进行研究,发现大部分的读卡机都是由单片机、扩展的 存储器及组成的,因此能很简单的与本设计中的单片机 进行互联。 系列单片机上有通用异步接收/发送器用于串行通 信,它提供了一种简单的途径,使两个器件无需共享同一个时钟信 号就能进行通信。发送时数据由端送出,接收数据时由端输 入。有两个缓冲器,一个作发送缓冲器,另一个作接收缓冲器。 而且只要丽端器件都采用同样的位格式和波特率,那么它们无需其 它任何对方的信息就可以成功传输数据。它是可编程的全双王的串 行‘刳。 本设计中采用的,可以直接利用与读卡器进行连 接。具体实现为,和。即单片机的和,连接 到读卡器系统。 .其它主要元器件 。。网卡滤波器 网卡控制器与以太网不能直接相连,要通过网络变压器,本设计 选用作为以太网接口芯片和终端接口 之间的一个网卡滤波器,它起的主要作用是:隔直通交,避免双绞线 上的直流电平干扰网卡芯片的工作点,同时,利用变压 器自身的通频带限制高频干扰。硕十学仲论文 ..数据寄存器 数据寄存器是的外部,用来缓存以太网数据包, 使用它的目的是为了提高单片机的数据传输能力。 本章主要夼绍了网络接口设备的存储器及工作原理。 在单片机及网络接口卡的基础上,充分考虑射频卡机的特点,提 出了整个系统的硬件组成模型及相对应的电路连接图。嵌入式以太网设稀楼 入的研究 嵌入式/及其软件设计 在本设计中,处理器需要为网络接口芯片提 供初始配置和数据接口等,主要包括对接口芯片的初始化,网络接口 芯片的读写,发送和接收网络数据包。其中,发送和接收网络数 据包包括了对嵌入式/协议栈的编写,即按协议的标准分别对 各层的数据进行处理。在上一章已经提到了的工作原理和 主要用到的寄存器,现在我们具体看一下在接收和发送数 据时寄存器是如何工作的。 。系统初始化 系统初始化即芯片的初始化。在进行系统初始化之 前,必须对进行一下复位。复位操作常简单。 在硬件设计中,我把的.连接到了的 ,这样就可以进行复位操作了。为高电平有效,至少 需要 的宽度,给引脚施加~个 以上的高电平就可以复位。 具体操作为旌加一个高电平,然后旋加一个低电平。复位过程将执行 一些操作,至少需要 的时间,本设计中设置系统等待 再 对其进行操作,以确保的完全复位酬。 。。的初始化 为了能够启动并使之处于准备接收或准备发送数据 一 的状态,必须对其进行初始化。初始化包括对其内部寄存器的一系列 操作,如赋初始值等?们口。具体流程图如下: 初始化命令寄存器。将该寄存器的值置为,即将命 令寄存器各位的值置为。使不能够远程操 作,也不能够进行命令操作。选择页作为当前页,为初始化页中 的寄存器做准备。硕十学位论文 初始化发送起始地址。该寄存器是用来设置传送数据 包开始页面地址,把它初始化为指向第一个发送缓冲区的页,即。 利用接收起始页地址和接收停止页地址构造 的后页 一个缓冲环,即接收缓冲区。因为我们把 地址为一作为一个接收缓冲区,初始化为 ,它设置从该页开始作为接收缓冲区;初始化为 ,它设置从这一页开始不能作为接收缓冲区。 初始化边界寄存器。是读指针,它指向用户已经 读走的页。此时把其初始化为,指向接收缓冲区的开始地址。 初始化接收设置寄存器为,使得接收缓冲区仅接 收自己地址的数据包包括广播地址数据包和多点播地址包,小于 字节的包丢弃,校验错误的数据包也不接收。 初始化传输配置寄存器为,工作在正常模式,同 时启动自动生成和自动校验。 初始化数据结构寄存器为,设置缓冲,以 字节方式进行传送。 初始化中断屏蔽寄存器。设置其为,屏蔽所有中 断。 清除远程字节数寄存器低位、高位。 页号为的寄存器已经初始化完毕,现在把命令寄存器设置 为,选择页。 初始化当前页面寄存器,是写内存 的指针,它指向正在写的下一页地址,初始化为。 设置网卡地址寄存器一,它用来存储正在使用的 的地址。 这样,就初始化完毕了。 语言描述如下: 相关的程序用 ?? : //上电复位嵌入式以太网设冬接入的研究 : : : : : //选择页的寄存器 : : : : : : : : : : : //多播地址寄存器 在设计发送和接收帧之前,先分析一下嵌入式/协议中的 各个协议该如何实现。 .嵌入式/协议的实现 .. 协议的实现 参照.。节,本设计中,只实现响应协议。 我们分析了协议帧的格式,但是当帧需要在以太网上进 行传输,还需要在帧的前面添加以太网的首部才能进行传输,组成结 构如表所示: 硕十学位论文 表.:含的以太网帧 帧类型 以太网目的地址 以太刚源地址 协议类型 硬件类型 硬件长度 协议长度 操作 发送站硬件地址以太网 发送站协议地址 目的硬件地址以太网 目的协议地址 图.:响应协议流程图 嵌入式以太网设符接入的研究 己知在以太网的接入方式中,无论是应答或请求, 以下部分的值是固定的,以太网首部的帧类型为,协议帧 中的硬件类型为,协议类型为,硬件地址长度为, 协议地址长度为,操作码 请求时其值为。因此, 响应实现起来比较简单,具体流程如上图所示。 流程图中的目的协议地址等是根据接收到的数据帧来进行相应 的处理的。 .. 协议的实现 本设计中因所需要传输的数据包较小,不考虑发送数据 分片的问题,因此也不接收分片的数据包。 协议的发送部分比较简单,就是按照数据包结构进行数据 的封装。因此就不作详细的流程图介绍了。 协议的接收部分实现起来也不是很复杂,具体流程图如下: 图.:协议接收部分流程图 .. 协议的实现 协议因特网控制报文协议,它允许主机或者路由器报告 差错情况和提供有关异常的报告。是层的一个组成部分,硕十学何论文 报文首先要封装成数据报然后再传递给下一层。本设计中需测试 能否连通以太网,实现的回应请求和回应应答报文, 即应用。 根据前面了解的报文的格式,我们再看一下中的回应 请求和回应应答报文的格式,即应用的报文格式,见表?。 表?:常用回应请求和回应应答报文格式 类型 代码 校验和标识符 序号 由请求报文发送,由回送报文重复 的回应机制就是对接收到的回应请求消息 返回一个回应应答消息 ,因此实现起来很简单,只需要 将接收到的回应请求消息中的源端地址和目的端地址交换一下,然后 将该消息的头部设置为回应应答消息类型,最后按标准方 法计算校验和即可。 我们先来看一下应用中的请求,即回送请求报文具体 实现流程如图?。 图:请求实现流程图