嵌入式系統(tǒng)課件

1、 嵌入式系統(tǒng) 碩士研究生課程 第 8 章 南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2第8章 嵌入式網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議棧本章主要介紹以下內(nèi)容：嵌入式網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)嵌入式Internet無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)I2C總線38.1嵌入式網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用物理層聯(lián)網(wǎng) （RS-232、RS-485等）工業(yè)控制領(lǐng)域（現(xiàn)場總線技術(shù)）通信技術(shù)（GSM、CDMA、WiFi、UWB、WiMAX、3G等）Internet應(yīng)用48.1.1分布式嵌入式系統(tǒng)組成 5網(wǎng)絡(luò)抽象模型ISO/OSIRM（Open System Interconnect Reference Model ,OSIRM) 七層模型（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳

2、輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層）硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)類型主要有點(diǎn)到點(diǎn)通信和通用網(wǎng)絡(luò)兩種：點(diǎn)到點(diǎn)通信單工、半雙工、全雙工、6總線式網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)） 一般以分組（包）的形式進(jìn)行。交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò) 可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬交換式以太網(wǎng)電話交換網(wǎng) 7多級網(wǎng)絡(luò) 通過互聯(lián)構(gòu)成多級網(wǎng)絡(luò)8報文傳遞編程請求/應(yīng)答方式通信雙方通過向?qū)Ψ桨l(fā)送請求/應(yīng)答報文進(jìn)行通信報文被拆分成分組在網(wǎng)絡(luò)上傳送分組的發(fā)送可采用查詢方式或中斷方式實(shí)現(xiàn)分組的接收通常采用中斷方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程可采用阻塞式或非阻塞式非法推移方式 指數(shù)據(jù)的發(fā)送方在不需要等待請求的情況下主動發(fā)送數(shù)據(jù)。適用于周期性的產(chǎn)生數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，如過程控制系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)等98.

3、1.2 基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過程通信分析確定傳輸報文時所引入的延遲（假設(shè)沒有競爭，傳遞可靠）tm=tx+tn+tr 其中:tx=發(fā)送方的開銷tn=網(wǎng)絡(luò)傳輸時間tr=接收方的開銷10系統(tǒng)性能分析任務(wù)之間無互相干擾 例：2個進(jìn)程及一個長度為n個分組的數(shù)據(jù)通信 最壞執(zhí)行時間是tp1+ntx+tp211任務(wù)間的相互干擾P1和P2有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，P1執(zhí)行時間不確定會影響P2的開始時間不確定P3和P4有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，道理同上P2和P3共享同一個目標(biāo)資源，也會相互影響12設(shè)計(jì)基本原則復(fù)雜系統(tǒng)可使用性能分析工具進(jìn)行分析，如德國Braunschweig大學(xué)的SymTA/S系統(tǒng)。手工設(shè)計(jì)硬實(shí)時系統(tǒng)時，對于多個關(guān)鍵性任務(wù)

4、的同時運(yùn)行，一定要保證不共享任何處理器和通信鏈路資源。硬件平臺設(shè)計(jì)、分配和調(diào)度硬件平臺處理器數(shù)量處理器類型網(wǎng)絡(luò)數(shù)目和類型（數(shù)據(jù)傳輸率）I/O密集型系統(tǒng)著重考慮I/O設(shè)備及關(guān)聯(lián)的處理計(jì)算密集型系統(tǒng)著重考慮進(jìn)程的處理138.1.3 幾種常用的通信技術(shù)148.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線 工業(yè)制造系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)是一個實(shí)時應(yīng)用系統(tǒng)，響應(yīng)時間從幾百微妙到幾十毫秒。工業(yè)控制過程分為離散過程連續(xù)過程混合過程現(xiàn)場總線的特點(diǎn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)將現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)，相互通信、交換過程數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)分布式控制。實(shí)時性協(xié)議簡單傳輸可靠具有較高的安全性、容錯能力158.2.1 FF總線協(xié)議（Fielebus Fou

5、ndation）現(xiàn)場總線基金會組織開發(fā)參考ISO/OSI參考模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)做了簡化和演變。分物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見右圖）168.2.2 CAN總線（Control Area Network）CAN總線概述德國BOSCH公司提出是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。CAN協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)是ISO/OSI RM的子集，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩個層次。主要應(yīng)用于汽車電控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)确矫?7CAN總線特點(diǎn)低成本 遠(yuǎn)距離傳輸（長達(dá)10Km

6、） 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbit/s） 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文 可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā) 節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總 線的功能18CAN總線控制器體系結(jié)構(gòu)協(xié)議控制器狀態(tài)/控制寄存器消息緩沖區(qū)（包括發(fā)送和接收緩沖區(qū)）宿主機(jī)接口位定時邏輯CAN總線19CAN總線擴(kuò)展芯片SJA1000Philips獨(dú)立CAN控制器，替代82C200，支持CAN2.0AB，同時支持11位和29位ID，位速率可達(dá)1M，具有總線仲裁功能，擴(kuò)展的接收緩沖器（64字節(jié)、先進(jìn)先出FIFO），增強(qiáng)的環(huán)境溫度范圍（-40-+125）。 82C250CAN總線收發(fā)器，是

7、CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動額接收能力，有很強(qiáng)的抗電磁干擾（EMI）的能力 ，至少可掛110個節(jié)點(diǎn)。TJA1050替代82C250產(chǎn)品，電磁輻射更低 ，無待機(jī)模式208.3 嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧占用內(nèi)存大小網(wǎng)絡(luò)硬件資源協(xié)議開銷選擇網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以太網(wǎng)ADSL無線RS-232MODEM等218.4 嵌入式Internet嵌入式設(shè)備直接接入Internet設(shè)備集成TCP/IP協(xié)議棧及相關(guān)軟件設(shè)備可直接連接到因特網(wǎng)上設(shè)備硬件需資源較大嵌入式設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)接入Internet設(shè)備不需要集成TCP/IP協(xié)議可降低嵌入式設(shè)備本身的資源要求如嵌

8、入式微型網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)EMIT22嵌入式Internet的接入方案32位/64位嵌入式系統(tǒng)使用TCP/IP的全集和標(biāo)準(zhǔn)的socket接口如 公司的NET+ARM芯片，支持TCP、UDP、RARP、ICMP、HTTP、SMTP、FTP等協(xié)議8位和16位嵌入式系統(tǒng)需要對協(xié)議棧進(jìn)行裁剪；根據(jù)通信要求裁剪掉UDP或TCP模塊也可從模塊內(nèi)部裁剪協(xié)議棧，但比較復(fù)雜嵌入式TCP/IP協(xié)議棧可以基于軟件實(shí)現(xiàn)、也可基于硬件實(shí)現(xiàn)238.5 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)低功率短距離無線連接,通信距離最遠(yuǎn)10m通信速率最大720Kbps頻率2.4GHz藍(lán)牙協(xié)議棧分為上層協(xié)議和底層協(xié)議應(yīng)用包括藍(lán)牙手機(jī)、

9、無線耳機(jī)、筆記本電腦等24ZigBee低功耗、低成本、短距離（10m）、低傳輸速率（250Kbps)基于IEEE802.15.4的無線標(biāo)準(zhǔn)工作頻段為2.5GHz和868/928MHz，均為免執(zhí)照頻段支持星型、Mesh網(wǎng)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法 可應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)測或控制25Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)802.11a 用途W(wǎng)LAN（Wireless Local Area Networks） 通信速率最大54Mbps 通信距離最遠(yuǎn)300英尺 頻率5GHz26Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)802.11b 用途W(wǎng)LAN 通信速率最大11Mbps 通信距離最遠(yuǎn)300英尺

10、 頻率2.4GHz27UMB 標(biāo)準(zhǔn)802.15.3a 用途W(wǎng)PAN(Wireless Personal Area Networks） 通信速率110480Mbps 通信距離最大30英尺 頻率7.5GHz288.6 I2C總線僅使用兩條總線信號線：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）每一個連在此總線的設(shè)備是可編址的。采用I2C總線連接的設(shè)備處于主從模式，主方既可接受數(shù)據(jù)，也可發(fā)送數(shù)據(jù)。是一個串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳送總線。標(biāo)準(zhǔn)模式下的傳輸速率為100Kbps，快模式下為400Kbps。是一個多主總線，含沖突檢測和競爭功能，從而確保當(dāng)多個主方向同時發(fā)送數(shù)據(jù)時不會造成數(shù)據(jù)沖突使硬件電路設(shè)計(jì)更簡單，對集成電路控制方便29物理層 30數(shù)據(jù)鏈路層每一個I2C總線設(shè)備都有自己的地址（標(biāo)準(zhǔn)為