摘 要：本文分析了嵌入式Internet的一個主要問題，介紹了嵌入式網(wǎng)關(guān)的兩種典型設(shè)計方案，設(shè)計了一個整合了內(nèi)、外網(wǎng)通信的新型嵌入式網(wǎng)關(guān)，在介紹網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，圍繞網(wǎng)關(guān)的軟件構(gòu)架，討論了嵌入式網(wǎng)關(guān)的各軟件模塊實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式網(wǎng)關(guān);多路通信接口;嵌入式Internet;μCLinux

嵌入式Internet技術(shù)的出現(xiàn)，使得嵌入式系統(tǒng)與Internet之間可以實現(xiàn)資源共享、信息通信和狀態(tài)測控等功能。目前，該技術(shù)的主要問題之一就是Internet上面的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而測控領(lǐng)域中大量存在的8位和16位MCU系統(tǒng)是無法處理這些的。要解決這個問題，一個可行的方法就是利用在嵌入式領(lǐng)域比較常用的總線，如RS485、RS232、CAN總線等，將這些處理能力較低的嵌入式設(shè)備連接起來，接入到網(wǎng)關(guān)所提供的通信接口上，由網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)協(xié)議棧和協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而就將8位/16位的嵌入式設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)。

1. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的典型設(shè)計方案

網(wǎng)關(guān)又被稱為網(wǎng)間協(xié)議變換器，用于連接采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。當一個報文要求從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段時，網(wǎng)關(guān)需要完成對該報文的接收、翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)工作[1]。就目前已應用到嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)來說，主要有以下兩種：

1.1 利用PC機來實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)

利用PC機的豐富資源和較強的處理能力，在其上構(gòu)建WEB服務器，實現(xiàn)和Internet客戶端的通信，而8位/16位MCU設(shè)備連接到PC總線的擴展接口或特定的板卡上，通過通信程序?qū)崿F(xiàn)與PC機通信，進而利用PC機這一網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。這種方式實現(xiàn)相對容易，靈活性較好，但成本較高，設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應性都比較差。

1.2 利用32位嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)

它以32位嵌入式系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)，體積小、成本低，設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應性較好。按實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧方法的不同，可將這種嵌入式網(wǎng)關(guān)分為以下兩個設(shè)計方案。

（1）基于軟件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧[2]

這一方案通常有兩種實現(xiàn)方法，第一種是嵌入式操作系統(tǒng)帶有TCP/IP協(xié)議棧。網(wǎng)關(guān)運行在嵌入式操作系統(tǒng)之上，可以利用嵌入式操作系統(tǒng)的強大功能，按用戶需求實現(xiàn)很多復雜的功能。第二種方法則單獨采用TCP/IP協(xié)議棧軟件模塊，不使用嵌入式操作系統(tǒng)，所構(gòu)建的系統(tǒng)只占用很小的存儲空間，但是如果要實現(xiàn)復雜的功能，則編程的復雜性較大。 　　（2）直接利用TCP/IP協(xié)議棧芯片[2]

在這種方案中，將集成有TCP/IP協(xié)議棧的芯片直接使用在嵌入式網(wǎng)關(guān)中，使得設(shè)計簡單，但增加了一個芯片，也就增加了制造成本，開發(fā)時需要熟悉TCP/IP協(xié)議棧芯片的接口。

2. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中處理器使用基于ARM7TDMI的SAMSUNG S3C44B0X，它是16/32位RISC處理器，工作在66MHz，內(nèi)置有豐富的片內(nèi)外設(shè)，常用于手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當中。系統(tǒng)內(nèi)存使用4M×16bit 的HY57V65160b SDRAM，存儲器使用1M×16bit的SST39VF160 Flash。網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)控制器采用RTL8019AS，它支持IEEE802.3，支持8/16位數(shù)據(jù)總線，內(nèi)置16KB SRAM，支持全雙工方式，收發(fā)可同時達到10Mbps。網(wǎng)關(guān)提供多路本地通信接口，其中RS232接口利用S3C44B0X的UART0口實現(xiàn)，使用MAX3221E實現(xiàn)電平隔離和轉(zhuǎn)換。RS485接口使用S3C44B0X的UART1口實現(xiàn)，外接MAX485完成TTL電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)。CAN總線接口采用總線連接方式，使用PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000T，它兼容基本CAN模式（BasicCAN）和增強CAN模式（PeliCAN），符合CAN2.0B協(xié)議，具有完成CAN通信協(xié)議所要求的全部特性，其外接TJA1040T作為CAN總線接口的收發(fā)器。此外，系統(tǒng)還預留了可用于擴展的其他通信接口。

圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖2嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件構(gòu)架

3. 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

3.1 軟件構(gòu)架

本文所設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)運行在嵌入式操作系統(tǒng)μCLinux之上，對外以WEB服務器與Intertent客戶端交互;對內(nèi)則按總線標準的不同，通過多個通信接口與多個不同類型的集散式子網(wǎng)相連，如圖2所示。網(wǎng)關(guān)將內(nèi)網(wǎng)中的各通信子網(wǎng)以及外網(wǎng)的Internet都看成是等同的網(wǎng)絡(luò)，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時屏蔽網(wǎng)絡(luò)之間的差異，將來自不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并采用基于優(yōu)先級的調(diào)度機制來完成轉(zhuǎn)發(fā)。這樣便將內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的通信整合在一起，實現(xiàn)各種子網(wǎng)通信協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以及各種子網(wǎng)通信協(xié)議相互之間的轉(zhuǎn)換。

當WEB服務器接收到來自Internet客戶端的請求時，如果是請求靜態(tài)網(wǎng)頁，則將網(wǎng)頁傳給客戶端（對應于圖2中的①，下同）;如果是要與本地子網(wǎng)的終端設(shè)備通信，服務器便將通信數(shù)據(jù)發(fā)往Internet接口模塊（②），由其完成對數(shù)據(jù)的解析，并封裝成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，發(fā)往接收子模塊（③）;相反，當Internet接口模塊收到來自發(fā)送子模塊的數(shù)據(jù)包時（④），則解析該數(shù)據(jù)包后生成動態(tài)網(wǎng)頁，發(fā)往WEB服務器（②），服務器再將其發(fā)到客戶端（①）。

當本地子網(wǎng)的某個終端設(shè)備要與別的設(shè)備通信，或者要將響應數(shù)據(jù)包發(fā)往Internet客戶端時，按照一定的調(diào)度機制，將數(shù)據(jù)從終端設(shè)備發(fā)往內(nèi)網(wǎng)通信模塊（⑤），由該模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包后，發(fā)往接收子模塊（⑥）。與此相對，如果內(nèi)網(wǎng)通信模塊收到發(fā)送子模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)包（⑦），則根據(jù)該數(shù)據(jù)包的目的地址，選擇相應的子網(wǎng)，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為符合該子網(wǎng)的通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)，再發(fā)往目的設(shè)備（⑤）。

接收子模塊在接收到來自Internet（③）或本地子網(wǎng)（⑥）的數(shù)據(jù)包后，將這些格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包按照優(yōu)先級高低插入數(shù)據(jù)隊列中（⑧）。當基于優(yōu)先級的隊列中有數(shù)據(jù)包的時候，發(fā)送子模塊便從中取出數(shù)據(jù)包（⑨），發(fā)往目的子網(wǎng)（④⑦）。

3.2 嵌入式操作系統(tǒng)μCLinux的移植以及Boa服務器的配置

μClinux是一個完全符合GNU/GPL（通用公共許可證）的項目，其代碼完全開放，專門針對沒有MMU的MPU，通過對標準Linux內(nèi)核的改動，針對嵌入式系統(tǒng)進行小型化處理，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。將μClinux應用到網(wǎng)關(guān)中，可以利用其完備的網(wǎng)絡(luò)功能，減小開發(fā)的難度，縮短開發(fā)時間。使用μClinux，第一步要做的就是根據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件平臺移植μClinux，首先要在PC上安裝Linux操作系統(tǒng)，下載uClinux源代碼壓縮包并解壓，下載并安裝交叉編譯工具，建立交叉編譯環(huán)境;其次根據(jù)不同的硬件系統(tǒng)修改源代碼，編寫或修改一些特殊硬件的驅(qū)動程序;然后配置內(nèi)核，生成可在RAM中運行的內(nèi)核文件;最后燒寫到硬件系統(tǒng)的Flash存儲器中，加電運行。

μClinux中常用的WEB服務器有：Boa、thttpd、httpd，網(wǎng)關(guān)可選擇支持認證、支持CGI、非常適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa WEB 服務器[3]。Boa是一個單任務的HTTP服務器,它不為每個訪問的連接單獨開啟一個進程，也不會為多個連接而開啟多個自身的拷貝，對所有活動的HTTP連接都在內(nèi)部進行處理，而只為每個CGI連接啟動新的進程，因此Boa在同等硬件條件下速度更快。使用Boa WEB服務器，需要對其運行環(huán)境、參數(shù)等進行設(shè)置，如設(shè)置偵聽端口為80,設(shè)置服務器的文件根目錄DocumentRoot，設(shè)置CGI文件的存放目錄等。

3.3 Internet接口模塊的設(shè)計

Internet接口模塊實質(zhì)上是一個CGI[3] （公共網(wǎng)關(guān)接口協(xié)議Common Gateway Interface）程序，CGI是對HTTP協(xié)議的補充，是一個用于定義WEB服務器與外部程序之間通信方式的標準，定義了建立互操作中雙方必須遵守的規(guī)則集。CGI技術(shù)較為成熟，相關(guān)文獻也較多，故本文不做詳細論述，而是重點介紹一下Internet模塊的實現(xiàn)算法，其流程圖如圖3所示。

圖3 Internet接口模塊流程圖

Internet客戶端可用“GET”或“POST”方式提交數(shù)據(jù)到WEB服務器上，WEB服務器會將本次所用的提交方式保存到環(huán)境變量REQUEST_METHOD中。如果是“GET”方式，則服務器將有效數(shù)據(jù)保存到環(huán)境變量QUERY_STRING中，Internet模塊可直接讀取這一環(huán)境變量來獲得有效數(shù)據(jù);如果是“POST”方式，則服務器將有效數(shù)據(jù)的長度保存到環(huán)境變量CONTENT_LENGTH中，則Internet模塊就可在這一數(shù)據(jù)長度的控制下從標準輸入讀入有效數(shù)據(jù)。在獲得了有效數(shù)據(jù)之后，Internet模塊解析它們，生成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，發(fā)往轉(zhuǎn)發(fā)模塊。到此數(shù)據(jù)接收完畢，進程掛起自身，等待信號量InternetRec有效。當InternetRec有效時，說明有來自內(nèi)網(wǎng)的反饋數(shù)據(jù)包到來，則進程被喚醒，接收反饋數(shù)據(jù)包，在判斷目的地址無誤后，根據(jù)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)生成動態(tài)網(wǎng)頁，交予WEB服務器發(fā)送到客戶端。

3.4 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的設(shè)計

轉(zhuǎn)發(fā)模塊完成網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，它維護了一個基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊列（見圖2），該隊列屬于臨界資源，由接收子模塊和發(fā)送子模塊互斥使用。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)應有一定的通用性，具有兼容各種通信子網(wǎng)或Internet數(shù)據(jù)的能力，可用下面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來定義：

struct DataProtocol｛

int CommType;

struct Addr_t DstAddr;

struct Addr_t SrcAddr;

int Prio;

struct DataStruct ＊DataHead;

int DataLengh;

struct DataProtocol ＊pDProtc; ｝;

（1）int CommType; 定義通信的類型。用來指明當前所傳送的數(shù)據(jù)包的類型，即DATATYPE（有效數(shù)據(jù)包）和ERRORTYPE（錯誤信息包）。DATATYPE是指本數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域中的是有效的數(shù)據(jù);而ERRORTYPE是指數(shù)據(jù)域中攜帶的是出錯信息。網(wǎng)關(guān)在處理數(shù)據(jù)包的時候，就可以先判斷數(shù)據(jù)包的類型，再采用相應的處理流程，這樣便提高了處理的效率。

（2）struct Addr_t DstAddr; 通信的目的地址。用以指明數(shù)據(jù)發(fā)往的目的地址，其數(shù)據(jù)類型定義如下：

struct Addr_t｛

unsigned char SubNet; //指明是何種網(wǎng)絡(luò)（本地子網(wǎng)或Internet）

unsigned char DevAddr; ｝; //指明子網(wǎng)內(nèi)的終端設(shè)備地址

說明：由于網(wǎng)關(guān)所使用的Boa WEB服務器是單任務的，一次僅處理一個Internet連接，故當SubNet為Internet時，DevAddr應為零。

（3）struct Addr_t SrcAddr; 通信的源地址，用以指明數(shù)據(jù)的源地址。

（4）int Prio; 數(shù)據(jù)包優(yōu)先級。對來自不同通信子網(wǎng)以及不同設(shè)備的數(shù)據(jù)包，根據(jù)通信的實時性要求不同，定義不同的數(shù)據(jù)包優(yōu)先級。在轉(zhuǎn)發(fā)模塊中，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包被插入到隊列的頭部，優(yōu)先被轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò)。在指定具體的數(shù)據(jù)包優(yōu)先級時，采用Prio數(shù)值越小優(yōu)先級越高的方式，且規(guī)定與Internet相關(guān)的數(shù)據(jù)包較內(nèi)網(wǎng)間傳遞的數(shù)據(jù)包有更高的優(yōu)先級。

（5）struct DataStruct ＊DataHead; 存儲有效數(shù)據(jù)的鏈表隊列的頭指針。該鏈表就是數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域部分，其數(shù)據(jù)類型定義如下：

struct DataStruct｛

char ＊Name;

char ＊Value;

struct DataStruct ＊pDStruct; ｝;

＊Name保存數(shù)據(jù)或操作的類型，可為 “INFO”（說明信息）、“READ”（讀數(shù)據(jù)）、“WRITE”（寫數(shù)據(jù)）、“CONTROL”（發(fā)送控制指令）;

＊Value的格式為：操作名稱或?qū)ο?[參數(shù)1] [參數(shù)2] …… [參數(shù)n]

其中，操作名稱或?qū)ο蠛蛥?shù)內(nèi)都不能有空格，參數(shù)之間用空格分開，參數(shù)數(shù)量可為零。

比如要啟動某個設(shè)備，只需傳送如下數(shù)據(jù)：Name->CONTROL,Value->START;要讀取設(shè)備溫度值，只需傳送：Name->READ,Value->TEMPERATURE。數(shù)據(jù)包僅是保存了有效數(shù)據(jù)的ASCII碼，嵌入式網(wǎng)關(guān)只完成將這些ASCII碼從發(fā)送端傳送到接收端，實現(xiàn)路由功能和中間協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，這些ASCII碼所表示的具體含義由發(fā)送端和接收端的應用層來規(guī)定，這樣便實現(xiàn)了一種與具體數(shù)據(jù)意義無關(guān)的通用數(shù)據(jù)傳送通道。

（6）int DataLengh; 指明有效數(shù)據(jù)中，“Name”、“Value”對的數(shù)目。

（7）struct DataProtocol ＊pDProtc; 指向下一個數(shù)據(jù)包的指針。在基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)隊列中，各數(shù)據(jù)包利用該指針，采用鏈表的形式加以組織，這樣有利于數(shù)據(jù)的插入和刪除。

3.5 內(nèi)網(wǎng)通信模塊及設(shè)備通信模塊的設(shè)計

內(nèi)網(wǎng)通信模塊由調(diào)度子模塊和若干子網(wǎng)接口子模塊組成，其中前者較為簡單，主要是完成轉(zhuǎn)發(fā)模塊和各子網(wǎng)接口子模塊之間的數(shù)據(jù)包分發(fā)及收集功能;而后者就較為復雜了，涉及到各種網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，它與終端設(shè)備的通信模塊形成一個基于該子網(wǎng)通信協(xié)議的通信系統(tǒng)，限于篇幅，本文不可能盡述，僅以RS232為例作一個簡單介紹。

RS232標準僅定義了ISO/OSI基本參考模型中物理層規(guī)格和鏈路層硬件接口規(guī)格，要實現(xiàn)集散式的RS232子網(wǎng)的通信，需要一個網(wǎng)絡(luò)層來進行終端設(shè)備的地址路由。此外，還要在鏈路層的軟件層面上，設(shè)計一個數(shù)據(jù)幀格式，用于封裝所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在具體的實現(xiàn)上，就體現(xiàn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包和RS232數(shù)據(jù)幀格式間的解析和轉(zhuǎn)換封裝上。

終端設(shè)備要接入嵌入式網(wǎng)關(guān)，在硬件上必須提供一個通信接口，如RS232接口、RS485接口或CAN接口等。在軟件上則必須有一個通信模塊，主要完成：從網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)，經(jīng)解析后提交給上層應用程序;從上層應用接收需發(fā)送的數(shù)據(jù)，對其封裝，再發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。應用程序按照應用層的協(xié)議規(guī)則分析接收到的有效數(shù)據(jù)，做出相應的操作或響應。

4. 結(jié)束語

本文在分析典型的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，提出了一種具有多通信接口的整合內(nèi)、外網(wǎng)通信的嵌入式網(wǎng)關(guān)，適用于將8/16位嵌入式設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的應用場合，該方案可以根據(jù)應用需求對各接口應用模塊進行擴展和裁剪。在具體應用中，還需要增強和改進網(wǎng)關(guān)的安全性，進一步研究將更多的本地通信子網(wǎng)加入到網(wǎng)關(guān)中，從而增強網(wǎng)關(guān)的適用性。

本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計了一個整合內(nèi)外網(wǎng)通信、能為8/16位MCU系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)提供多個通信接口的嵌入式網(wǎng)關(guān)，詳細討論了網(wǎng)關(guān)軟件模塊的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的格式。

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