|
作者: Meng He ABI Research指出，目前市場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)連接設備已超過(guò)100億部，而到2020年通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接到物聯(lián)網(wǎng)（萬(wàn)物互聯(lián)）的設備將突破300億部。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越受到人們的重視，許多OEM廠(chǎng)商都發(fā)現自身面臨的壓力也越來(lái)越大，他們必須為各種產(chǎn)品提供因特網(wǎng)連接功能，才能從實(shí)現設備間的通信功能中受益。但是，許多開(kāi)發(fā)人員并不熟悉如何實(shí)現高度穩健的TCP/IP協(xié)議棧。本文將探討在嵌入式系統中有關(guān)支持因特網(wǎng)連接功能的主要問(wèn)題，以及如何通過(guò)新工具幫助開(kāi)發(fā)人員為系統提供TCP/IP且無(wú)需擔心低層次實(shí)現細節問(wèn)題。 首先，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下TCP/IP協(xié)議。傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）是連接到因特網(wǎng)的硬件設備之間用于交換數據的通用語(yǔ)言。這些規則管理著(zhù)終端操作系統（Windows、iOS、Linux等）之間的交換機制以及SMTP、FTP、HTTP等一系列具體協(xié)議。 TCP/IP被細分為不同的“層”（詳見(jiàn)圖1）。因特網(wǎng)數據以數據片段的格式從應用層路由到傳輸層。物理層是在IEEE 802.3規范所定義的以太網(wǎng)協(xié)議下，數據通過(guò)“因特網(wǎng)”進(jìn)行物理傳輸的地方。以太網(wǎng)有多種不同的規范版本，可提供各種最大比特率、傳輸模式和傳輸介質(zhì)（光纖、同軸電纜等）。介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）是物理層非常重要的部分，MAC地址表示以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)的物理地址。每個(gè)以太網(wǎng)幀都包含一個(gè)源地址和一個(gè)目的地址。 
圖1. 因特網(wǎng)上的數據傳輸 應用層負責提供用戶(hù)接口。以下是常見(jiàn)的應用層協(xié)議 。 1. 超文本傳輸協(xié)議（HTTP）：傳輸與瀏覽萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）相關(guān)的數據。 2. 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）：支持整個(gè)因特網(wǎng)上的電子郵件傳輸。 3. 文件傳輸協(xié)議（FTP）：用于在因特網(wǎng)上傳輸文件。 4. 域名系統（DNS）：翻譯域名。 5. 動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）：為特定節點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配IP地址。 6. Telnet：為節點(diǎn)創(chuàng )建互動(dòng)的TCP連接。 7. 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議（SNTP）：支持節點(diǎn)時(shí)鐘與參考時(shí)鐘同步。 8. 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議（SNMP）：用于監控網(wǎng)絡(luò )連接設備，檢查是否存在發(fā)生故障等需要干預的情況。 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的兩種最常見(jiàn)用途就是消息傳送和Web頁(yè)面顯示。例如，簡(jiǎn)單的SMTP消息傳送系統允許微控制器獲得傳感器讀數，并根據預設的間隔將讀數以消息或電子郵件的形式發(fā)送給中央存儲庫，以便記錄和分析。家庭中可采用這種應用每隔一小時(shí)給住戶(hù)發(fā)送室溫電子郵件，當然我們也可進(jìn)一步擴展這種使用案例。嵌入式微控制器不僅能讀取溫度信息，而且能監控門(mén)窗是否鎖好、燈光是否關(guān)閉等。這些系統可以全天候監控有關(guān)信息。如果住戶(hù)將要工作到很晚才回家，那么他/她可使用HTTP請求微控制器發(fā)送包含所有相關(guān)信息的Web頁(yè)面。然后，住戶(hù)可通過(guò)改變Web頁(yè)面上的一些字段，打開(kāi)某些房間的燈、提升溫度、并執行其它任務(wù)。 實(shí)現能夠滿(mǎn)足各個(gè)系統要求的以太網(wǎng)子系統有多種不同方式： 1. 以太網(wǎng)控制器模塊 包含TCP/IP硬連線(xiàn)芯片、變壓器和RJ45的控制器模塊能大幅簡(jiǎn)化所提供的連接功能。完整的廠(chǎng)商生態(tài)系統可提供各種現成可用的模塊，不僅能加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程，同時(shí)還提供極具吸引力的價(jià)格點(diǎn)。這種方案對于想要快速開(kāi)發(fā)因特網(wǎng)系統的工程師來(lái)說(shuō)非常理想。例如，開(kāi)發(fā)人員可選擇Wiznet的WIZ550io、W5100 shield以及Rabbit Semiconductor的以太網(wǎng)模塊RCM6760 MiniCore等模塊。隨著(zhù)Arduino平臺的日益普及，市場(chǎng)上也開(kāi)始出現許多兼容于官方Arduino開(kāi)發(fā)板的模塊。 2. TCP/IP IC加一款MCU 此外，設計人員還能將TCP/IP控制器連接到他們的嵌入式微控制器。例如，Microchip的ENC28J60以太網(wǎng)模塊能通過(guò)SPI接口直接連接到大多數的微控制器。這些模塊通常采用獨立的以太網(wǎng)控制器IC，其具有眾多特性，能夠處理大部分的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議要求。這樣的基礎架構能幫助設計人員構建并共享他們自己的以太網(wǎng)項目。例如，Github上有個(gè)項目（https://github.com/kmmankad/ENC28J60-PSoC3）就能支持賽普拉斯的可編程片上系統（PSoC）控制器和基于ENC28J60的器件之間的因特網(wǎng)連接�；�PSoC 3的同一項目同時(shí)也可移植到PSoC 5中。這種實(shí)現方案的優(yōu)勢在于它能將微控制器內核和其它片上資源釋放出來(lái)，以滿(mǎn)足其它系統功能的需求。在硬件層面，我們只需要一個(gè)RJ45連接器、磁性元件、一個(gè)25 MHz的晶振或振蕩器以及一些無(wú)源組件即可。 3. 支持lwIP的單芯片微控制器 輕量級IP（lwIP）是一種廣泛使用的開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧，專(zhuān)門(mén)針對嵌入式系統而精心設計，并獲得了全球開(kāi)發(fā)人員網(wǎng)絡(luò )的支持。對許多應用來(lái)說(shuō)，lwIP可提供以太網(wǎng)功能，同時(shí)能大幅降低MCU的資源占用率。MCU實(shí)現協(xié)議棧從物理上需要MAC和PHY。lwIP對于想要實(shí)現低成本連接功能的設計人員來(lái)說(shuō)是一種理想選擇。但是，由于這更像是一種DIY類(lèi)型的實(shí)現方案，因此開(kāi)發(fā)人員還必須愿意為解決協(xié)議棧問(wèn)題而付諸努力。這種實(shí)現方案的挑戰在于系統資源的使用以及動(dòng)態(tài)分配MAC地址的功能。PSoC的動(dòng)態(tài)可重配置屬性使得解決上述挑戰成為可能。PSoC的數字側由通用數字模塊（UDB）組成，可用于平衡配置粒度并支持高效的實(shí)現方案。這種方法的基礎就在于能定制器件數字操作，從而滿(mǎn)足應用要求。例如，片上DMA使我們能設計出可配置的RX和TX FIFO。PSoC設計環(huán)境PSoC Creator支持開(kāi)發(fā)人員構建自己的以太網(wǎng)組件，并將其作為系統級設計中的虛擬芯片。 連接功能代表著(zhù)未來(lái)需求，世界正日益依賴(lài)因特網(wǎng)來(lái)促進(jìn)并擴展通信。隨著(zhù)芯片廠(chǎng)商推出具有更多實(shí)現選項和更高靈活性的成熟產(chǎn)品，設計人員可根據所需級別從現成可用的交鑰匙模塊到DIY嵌入式方案中做出購買(mǎi)選擇。 |
