《嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)》課件-第7章

第7章基于網(wǎng)絡的嵌入式系統(tǒng)設計7.1引言

7.2分布式嵌入式系統(tǒng)

7.3嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡

7.4基于網(wǎng)絡的設計示例

思考與練習題

7.1引言

在分布式嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式計算機通過網(wǎng)絡連接，相互通信，應用被分布在各個處理元素上，即在網(wǎng)絡的各個節(jié)點中完成各項工作。這樣做的好處是：首先，分布式處理可以有效地減少需要處理的數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的工作量；其次，基于網(wǎng)絡的設計也可以更好地實現(xiàn)模塊化；再次，分布式系統(tǒng)更容易進行測試；最后，在某些情況下，網(wǎng)絡還可以被用于容錯系統(tǒng)中。

在這里，我們把不提供共享內(nèi)存進行通信的交互方式都認為是基于網(wǎng)絡設計的嵌入式系統(tǒng)。微處理器總線是網(wǎng)絡的一種簡單類型。本章首先在7.2節(jié)介紹基于網(wǎng)絡的軟硬件體系結構的基本原理，內(nèi)容包括網(wǎng)絡編程、OSI模型、網(wǎng)絡結構和基于網(wǎng)絡的設計技術。然后在7.3節(jié)介紹當前分布式嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的一些總線和網(wǎng)絡技術，包括I2C總線、CAN總線、Ethernet、GPRS、藍牙和Internet。最后在7.4節(jié)列舉三個基于網(wǎng)絡的嵌入式系統(tǒng)的設計示例。

7.2分布式嵌入式系統(tǒng)

7.2.1系統(tǒng)概述

通常，嵌入式系統(tǒng)有兩種應用方式：單機方式和網(wǎng)絡方式。單機方式以嵌入式處理器為核心，與一些外部接口部件如監(jiān)測、伺服和指示設備配合，實現(xiàn)一定的功能。網(wǎng)絡方式是指把嵌入式設備通過網(wǎng)絡連接在一起，相互通信，完成協(xié)作、并行等功能。連接網(wǎng)絡的嵌入式設備具有通信控制器部件，通過該部件和通信協(xié)議軟件的集成，可以實現(xiàn)嵌入式設備與網(wǎng)絡的連接。設計基于網(wǎng)絡的嵌入式系統(tǒng)有以下幾方面的原因：

(1)計算和處理器資源的分散性。在一些應用系統(tǒng)中，計算機處理的資源可能分布在不同的位置，它們需要通過網(wǎng)絡連接起來。

(2)減少處理器的數(shù)據(jù)量。

(3)模塊化設計需求。

(4)系統(tǒng)可靠性要求。在一些情況下，網(wǎng)絡被用于容錯系統(tǒng)，如雙機/多機備份系統(tǒng)。多個處理器系統(tǒng)通過網(wǎng)絡連接在一起，當其中的一個設備出現(xiàn)故障時，其他的設備可以很容易地進行切換。采用網(wǎng)絡方式連接嵌入式系統(tǒng)目前主要應用在以下幾方面：

(1)物理層聯(lián)網(wǎng)。物理層聯(lián)網(wǎng)主要指的是比較簡單的網(wǎng)絡，通常使用串行總線(如RS-232、RS-485等)進行信號級的網(wǎng)絡互聯(lián)。

(2)通信領域。

(3)工業(yè)控制領域。工業(yè)控制系統(tǒng)從單元自動化向網(wǎng)絡方面發(fā)展，由集散控制系統(tǒng)向基于網(wǎng)絡的分布式控制系統(tǒng)方面發(fā)展。代表這一趨勢的關鍵技術是現(xiàn)場總線技術，它是未來工業(yè)自動化方面的關鍵技術。

(4)?Internet應用。7.2.2OSI模型

計算機網(wǎng)絡提供了高級別的服務，卻對系統(tǒng)中其他組件隱藏了數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮芏嗉毠?jié)。國際標準化組織(ISO)針對網(wǎng)絡提出了著名的7層結構模型，即開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型

(OpenSystemInterconnectReferenceModel，OSI/RM)。

OSI模型的分層結構如圖7-1所示，它展示了網(wǎng)絡的結構和各層的功能。某些網(wǎng)絡設備在實現(xiàn)時并不需要7層中的某一層或幾層，因為高層或者中間層并不是必需的。例如，大多數(shù)工業(yè)級網(wǎng)絡由于實時性的要求就省去了消耗時間的某些層。圖7?1OSI模型的分層結構

OSI模型各層的具體功能如下：

(1)物理層。物理層規(guī)定了系統(tǒng)間基本的接口特性，如物理連接(連接插件和線纜)、電氣特性、電子部件和物理部件的基本功能、位交換的基本過程等。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是檢測錯誤和控制一條單個鏈路。但是，如果網(wǎng)絡需要通過幾個數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)多轉發(fā)，那么數(shù)據(jù)鏈路層將不再保證轉發(fā)的數(shù)據(jù)的完整性，它只能在單轉發(fā)中保證這一點。

(3)網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層定義了基本的點到點數(shù)據(jù)傳輸服務。網(wǎng)絡層在多轉發(fā)網(wǎng)絡中特別重要。

(4)傳輸層。傳輸層定義了面向連接的服務，它可以保證數(shù)據(jù)按一定的順序無差錯地在多條鏈路上傳送。這一層同時會對網(wǎng)絡資源的利用做一些優(yōu)化工作。

(5)表示層。表示層規(guī)定了數(shù)據(jù)交換的格式并為應用程序提供有效的轉換工具。

(6)應用層。應用層提供了終端用戶程序和網(wǎng)絡之間的應用程序接口。

盡管嵌入式系統(tǒng)比較簡單，一般不需要使用完整的OSI模型，但是這個模型在實際應用中是非常有用的。即使相對簡單的嵌入式系統(tǒng)也提供了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層服務。7.2.3網(wǎng)絡結構

一個分布式嵌入式系統(tǒng)能用很多不同的方式來組織，但是它的基本單元是網(wǎng)絡設備(一般是嵌入式網(wǎng)絡設備)和網(wǎng)絡本身，如圖7-2所示。圖7?2一個分布式嵌入式系統(tǒng)的結構7.2.4網(wǎng)絡編程

1．請求/應答方式

這種方式是指通信的雙方通過向對方發(fā)送請求/應答報文進行通信，它類似于客戶/服務器的通信方式，通信的一方發(fā)送請求報文，通信的另一方對收到的報文進行應答。

連接在網(wǎng)絡上的嵌入式設備通過傳遞報文進行通信。指定的報文作為一個基本的自然通信單位，它可以被拆分成分組在網(wǎng)絡上傳送。在程序設計上，分組發(fā)送可以使用查詢方式，也可以使用中斷方式。如果使用中斷方式，則通常設計一個發(fā)送隊列。應用程序需要發(fā)送的報文先放在發(fā)送隊列中，發(fā)送中斷服務程序從發(fā)送隊列中讀取報文并進行發(fā)送，這一過程如圖7-3所示。圖7?3報文發(fā)送程序模塊結構由于接收操作的隨機性，分組接收通常以中斷的方式實現(xiàn)。最簡單的過程接口會檢查一個接收到的選項是否在緩沖區(qū)中。在比較復雜的基于RTOS的系統(tǒng)中，為了減少中斷處理的時間，接收中斷服務例程只從通信控制器的接收緩沖區(qū)中讀取收到的數(shù)據(jù)分組，而把處理分組的工作交給一個中斷任務來完成，這一過程如圖7-4所示。圖7?4報文接收程序模塊結構

2．推移方式

所謂推移方式，是指數(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)。

由于相對于請求/應答方式，數(shù)據(jù)推移程序設計省掉了發(fā)送請求的通信量，因此它適用于周期性的數(shù)據(jù)傳送場合，可以減少網(wǎng)絡流量。如果數(shù)據(jù)總是以規(guī)律的時間間隔被產(chǎn)生和使用，則可以通過在需要時自動發(fā)送的方法來減少網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)流量。

例如，在汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)中，分布的傳感器和傳動裝置同中央控制器對話，如圖7-5所示。圖7?5汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)7.2.5設計技術

1．通信分析

要分析網(wǎng)絡的性能，必須了解如何確定在傳輸報文時引入的延遲。首先假設報文傳遞是可靠的，這意味著不需要重傳報文。在不考慮競爭(如點對點連接)的前提下，單個報文的報文延遲可以表示為

tm=tx+tn+tr

其中，tx是發(fā)送方的開銷，tn是網(wǎng)絡傳輸時間，tr是接收方的開銷。

2．系統(tǒng)性能分析

網(wǎng)絡的復雜性使得對嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能分析非常困難。對復雜的基于網(wǎng)絡應用的嵌入式系統(tǒng)進行精確的性能分析，要使用CAD工具。有些算法可以有效地確定進程開始和完成時間的上界和下界。

如果沒有計算機輔助分析工具來幫助分析性能，那么手工設計必須滿足硬實時要求的嵌入式系統(tǒng)時要非常小心。系統(tǒng)在力圖達到硬實時的時間確定性要求時，應該確保關鍵性的任務是活動的，這一點非常重要。

如果需要多個關鍵性任務能夠同時發(fā)生或運行，那么系統(tǒng)設計時一定要保證它們不共享任何處理器資源和通信鏈接資源。這是一種保守的設計策略，使用CAD工具有助于放寬某些限制，以便更充分地提高硬件效率。

3．網(wǎng)絡中的優(yōu)先級倒置

優(yōu)先級倒置是指低優(yōu)先級的任務占用了一個臨界資源，于是高優(yōu)先級的任務無法得到資源，因而等不到處理器的服務，在宏觀上表現(xiàn)為低優(yōu)先級的任務在運行，高優(yōu)先級的任務不在運行的反常情況。優(yōu)先級倒置這一概念一般出現(xiàn)在多任務操作系統(tǒng)的應用設計場合，在實時系統(tǒng)的設計中是要避免的。

優(yōu)先級倒置主要存在以下兩種情況：

(1)報文的優(yōu)先級不同。

(2)報文的優(yōu)先級相同。

4．硬件平臺設計、分配與調(diào)度

在設計硬件平臺時，必須做出以下設計選擇：

·所需要的處理器數(shù)目；

·所有處理器的類型；

·所需要的網(wǎng)絡數(shù)目；

·網(wǎng)絡的類型以及數(shù)據(jù)速率。根據(jù)正在設計系統(tǒng)的類型，下面的兩種策略會有助于快速設計出有效的系統(tǒng)。

(1)對于I/O密集型系統(tǒng)，從I/O設備以及關聯(lián)的處理入手。這類系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可能直接傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上，也可能需要進行一些本地處理后才傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上。在系統(tǒng)設計時，應遵循以下步驟：

①編制所需I/O設備的詳細清單。

②根據(jù)預算確定哪個處理工作具有過短的時間確定性要求，以至于這個要求不能被任何網(wǎng)絡滿足。不需要本地處理的I/O設備可以用最簡單的可用接口連接到網(wǎng)絡上。③確定哪些設備可以共享處理器或網(wǎng)絡接口。

④分析通信時間，確定關鍵性通信是否可能相互影響；確定為了達到通信的時限要求是否需要使用復雜網(wǎng)絡或多個網(wǎng)絡。

⑤為I/O設備分配所需要的最小數(shù)量的處理器資源。

⑥用計算密集型系統(tǒng)的設計步驟來設計系統(tǒng)的其他部分。

(2)對于計算密集型系統(tǒng)，從進程入手，按以下步驟來考慮進程和進程最后期限以及通信：

①從具有最短時間確定性要求的任務開始。任務的時限性越短，越有可能需要自己的一個或多個處理器。如果一個高優(yōu)先級的任務與一個低優(yōu)先級的任務共享處理器，則不僅需要更昂貴的處理器，而且還會非線性地增加調(diào)度開銷。

②分析通信時間，確定關鍵性通信是否會相互影響。

③盡可能把低優(yōu)先級的任務分配到共享的處理器上。

④設計出符合性能要求的基本系統(tǒng)以后，需要進一步改進它，以滿足功耗要求以及其他要求。

7.3嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡

7.3.1I2C總線

I2C總線常用于將微控制器鏈接到系統(tǒng)。

1．物理層

I2C被設計成低成本、易實現(xiàn)、中速的(標準總線達到100?kb/s，擴展總線達到400?kb/s)總線。I2C只使用兩條線：串行數(shù)據(jù)線(SDL)，用于數(shù)據(jù)傳送；串行時鐘線(SCL)，用于指示什么時候數(shù)據(jù)線上是有效數(shù)據(jù)。圖7-6展示了一個典型的I2C總線系統(tǒng)結構。網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都被連接到SCL和SDL，一些節(jié)點能夠起到總線主控器的作用(總線可以有多個主控器)，其他節(jié)點可以起到響應總線主控器請求的總線受控器的作用。圖7?6I2C總線系統(tǒng)結構

2．電路接口

圖7-7展示了與總線的基本電路接口。總線不規(guī)定使用電壓的高低以便雙極電路或MOS電路都能夠連接到總線。所有的總線信號使用開放集電極/開放漏極電路。一個上拉電阻保持信號的默認狀態(tài)為高電平，當0被傳輸時每一條總線的晶體管用于下拉該信號。開放集電極/開放漏極信號允許一些設備同時寫總線而不引起電路故障。圖7?7I2C總線電路接口

3．數(shù)據(jù)鏈路層

每一個I2C設備都有自己的地址。設備的地址是由系統(tǒng)設計者決定的，通常是I2C驅動程序的一部分。這個地址的選擇必須保證任何兩個設備之間的地址都不相同。在標準的I2C定義中，設備地址是7位的(擴展的I2C允許10位地址)。地址0000000一般用于發(fā)出通用呼叫或總線廣播，總線廣播可以同時給所有的設備發(fā)出信號。地址11110××為10位地址機制保留，還有一些其他的保留地址?？偩€事務包含一系列單字節(jié)數(shù)據(jù)傳送和一個地址傳送。I2C形成了一種數(shù)據(jù)推移設計風格。當一個主控器試圖寫受控器時，它將傳送后面跟有數(shù)據(jù)的受控器地址。因為受控器不能執(zhí)行傳輸，所以主控器必須發(fā)送一個帶著受控器地址的讀請求讓受控器傳送數(shù)據(jù)。因此，地址傳輸包括7位地址和表示數(shù)據(jù)傳輸方向的一個位：0代表從主控器寫到受控器，1代表從受控器讀到主控器。

地址傳輸?shù)母袷饺鐖D7-8所示。圖7?8I2C地址傳輸格式總線事務由一個開始信號啟動，以一個結束信號完成。

(1)開始信號通過保留SCL為高電平并且在SDL上發(fā)送1到0的轉換產(chǎn)生。

(2)結束信號通過設置SCL為高電平并且在SDL上發(fā)送0到1的轉換產(chǎn)生。

開始和結束信號必須成對出現(xiàn)。主控器可以通過數(shù)據(jù)傳送后發(fā)送開始信號來先寫后讀(或先讀后寫)，接著是另一地址的傳輸，然后是更多的數(shù)據(jù)傳輸。

典型的完整總線事務格式如圖7-9所示。圖7?9I2C總線上的典型總線事物

4．字節(jié)格式

圖7-10顯示了總線上的數(shù)據(jù)字節(jié)是如何傳送的，其中包括了開始和停止事件。當SCL保留高電平同時SDL變?yōu)榈碗娖綍r傳送開始。這個開始狀態(tài)之后，時鐘信號變低來啟動數(shù)據(jù)傳送。在每一個數(shù)據(jù)位，時鐘線在確保數(shù)據(jù)位正確時變?yōu)楦唠娖?。在每一個8位數(shù)據(jù)的結尾發(fā)送一個確認信號，而不管它是地址還是數(shù)據(jù)。在確認時，傳送端不會把SDL變?yōu)榈碗娖剑绻_接收到了數(shù)據(jù)，則允許接收端把電位變?yōu)?。確認信號后，當SCL處于高電平時SDL從低電平變?yōu)楦唠娖剑甘緮?shù)據(jù)傳送停止。圖7?10I2C總線上一個字節(jié)的傳輸

5．總線屬性

總線使用設備監(jiān)聽特性來仲裁每一個報文。如果設備試圖發(fā)送一個邏輯1但是卻監(jiān)聽到一個邏輯0，它會立即停止傳送并且把優(yōu)先權讓給其他發(fā)送設備。在許多情況下，仲裁在傳送地址部分時完成。但是仲裁也可以在數(shù)據(jù)部分繼續(xù)。當兩個設備都試圖向同一地址發(fā)送同樣數(shù)據(jù)時，它們之間不會互相影響且最后都會成功發(fā)送報文。

6．應用接口

在微控制器上的I2C接口可以用不同比例的軟/硬件功能來實現(xiàn)。如圖7-11所示，一個典型的系統(tǒng)可由一個帶有例程的一位硬件接口完成字節(jié)級的功能。I2C設備負責生成數(shù)據(jù)和時鐘。應用程序調(diào)用例程來發(fā)送地址和數(shù)據(jù)字節(jié)等。I2C接口產(chǎn)生SCL和SDL信號、確認信號等。一個微控制器的定時器通常用于控制總線上的位長。中斷用來識別位。但是，在主控模式下時如果沒有其他掛起任務可以執(zhí)行，那么輪詢I/O也是可以被接受的(因為主控器啟動了自己的傳輸)。圖7?11微控制器中的I2C接口7.3.2CAN總線

CAN總線最初是為汽車電子設備設計的。當數(shù)字電子設備應用到汽車組件時，不只單個組件變得更智能，而且由于通信的需要，它們的功能也在不斷增加?，F(xiàn)在，CAN也被應用于汽車電子系統(tǒng)以外的應用中。

CAN總線使用位串行數(shù)據(jù)傳輸。CAN可以以1?Mb/s的速率在40m雙絞線上傳輸數(shù)據(jù)。光纜連接也可以使用，并且在這種總線上的總線協(xié)議支持多主控器。CAN與I2C總線的許多細節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。

1．物理層

如圖7-12所示，CAN總線上的每一個節(jié)點都以AND方式連接到總線的驅動器和接收器上。圖7?12一種CAN總線的物理電器組織結構

2．數(shù)據(jù)幀

CAN數(shù)據(jù)幀的格式如圖7-13所示。數(shù)據(jù)幀以一個1開始，以七個0結束(在兩個數(shù)據(jù)幀之間至少有三個位的域)。分組中的第一個域包含目標地址，該域被稱為仲裁域。目標標識符長度是11位。當數(shù)據(jù)幀被用來從標識符指定的設備請求數(shù)據(jù)時，后面的遠程傳輸請求(RTR)位被設置為0。當RTR=1時，分組被用來向目標識別符寫入數(shù)據(jù)?？刂朴蛱峁┮粋€標識符擴展和4位的數(shù)據(jù)長度，在它們之間有一個1。數(shù)據(jù)域的范圍是從0到64字節(jié)，數(shù)據(jù)域的大小取決于控制域中給定的值。數(shù)據(jù)域后發(fā)送一個循環(huán)冗余校驗(CRC)，用于錯誤檢測。應答域被用于發(fā)出一個是否幀被正確接收的標識信號：發(fā)送端把一個隱性位(1)放到應答域的ACK插槽中，如果接收端檢測到了錯誤，那么它強制該值變?yōu)轱@性的0值。如果發(fā)送端在ACK插槽中發(fā)現(xiàn)了一個0在總線上，它就知道必須重發(fā)。ACK插槽后面跟著幀結束域，兩者由單位分隔符隔開。圖7?13CAN數(shù)據(jù)幀格式

3．屬性

CAN總線的控制使用CSMA/AMP(帶有優(yōu)先級仲裁的載波監(jiān)聽多路訪問)技術。這種方法類似于I2C總線的仲裁方法。?網(wǎng)絡節(jié)點同步傳輸，因此它們可以同時發(fā)送它們的標識符域。當一個節(jié)點在標識符域中監(jiān)聽到一個顯性位而它正試圖發(fā)送一個隱性位時，該節(jié)點停止發(fā)送。在仲裁域的末尾，只有一個發(fā)送器會被保留。標識符域起優(yōu)先級標枳符的作用，全0的標識符具有最高優(yōu)先級。

4．遠程幀

遠程幀通常用于從另外一個節(jié)點請求數(shù)據(jù)。請求方將RTR位置為0來指示一個遠程幀，它同時也指示了一個0數(shù)據(jù)位。標識符域中指定的節(jié)點將對具有該請求值的數(shù)據(jù)幀做出響應。在遠程幀中節(jié)點沒有辦法發(fā)送參數(shù)，因為不能使用標識符來標識設備，也不能提供一個參數(shù)來說明哪個設備的哪個數(shù)據(jù)值是所需要的。相反地，每一個可能的數(shù)據(jù)請求必須有自己的標識符。

5．出錯處理

出錯幀可以由總線上的任何一個檢測到錯誤的節(jié)點產(chǎn)生。檢測到錯誤時，一個節(jié)點用一個出錯幀來中斷當前的傳輸。它由一個錯誤標志組成，后跟8位隱性的錯誤分隔符域。錯誤分隔符域允許總線返回到靜止狀態(tài)以使數(shù)據(jù)幀傳輸可以重新開始?？偩€也支持超載幀，這是一個內(nèi)部幀處于靜止周期時的特殊錯誤幀。超載幀指示節(jié)點已經(jīng)超載，將不能處理下一個消息。節(jié)點能夠用在一行中達到兩個超載幀的方式延遲下一幀的傳送，以便有足夠的時間從超載狀態(tài)中恢復。CRC域也能用來測檢報文的數(shù)據(jù)域的正確性。如果發(fā)送節(jié)點沒有接收到數(shù)據(jù)幀的確認信號，它會重發(fā)數(shù)據(jù)幀直到數(shù)據(jù)被確認。這種動作對應于OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。

圖7-14展示了一個典型CAN控制器的基本體系結構?？刂破鲗崿F(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能。既然CAN是一種總線,它就不需要網(wǎng)絡層的服務來建立端到端的連接。當仲裁丟失而必須重發(fā)報文和接收報文時，協(xié)議控制塊決定何時發(fā)送報文。圖7?14CAN控制器體系結構7.3.3Ethernet

Ethernet(以太網(wǎng))是廣泛用于通用計算的局域網(wǎng)。由于它的普遍性及其低廉的接口價格，它已經(jīng)作為一種網(wǎng)絡出現(xiàn)在嵌入式運算中。當以PC作為平臺使標準組件的使用成為可能，以及網(wǎng)絡不需要滿足嚴格的實時需求時，以太網(wǎng)特別有用。

如圖7-15所示，以太網(wǎng)的物理組成非常簡單。該網(wǎng)絡是一條具有單信號路徑的總線。以太網(wǎng)標準可以有幾種不同的實現(xiàn)方法，比如雙絞線和同軸電纜。圖7?15以太網(wǎng)組織結構與I2C和CAN總線不同，以太網(wǎng)上的節(jié)點不是同步的，它可以在任何時間發(fā)送數(shù)據(jù)。I2C和CAN依靠同步機制在一個位的發(fā)送時間內(nèi)實現(xiàn)沖突的檢測和取消，而以太網(wǎng)的節(jié)點不是同步的，所以如果兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么報文將會被破壞。以太網(wǎng)仲裁機制被稱做帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問，即CSMA/CD，其算法如圖7-16所示。圖7?16以太網(wǎng)CSMA/CD算法圖7-17顯示了以太網(wǎng)分組的基本格式。它提供了目的地址和源地址，同時還提供了要傳送的有效數(shù)據(jù)。圖7?17以太網(wǎng)分組格式7.3.4GPRS

1．GPRS的特點

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS充分利用共享無線信道，采用IPOverPPP實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠程接入。作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡向第三代移動通信演變的過渡技術，GPRS在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢。

GPRS有下列特點：

(1)可充分利用GSM的現(xiàn)有資源，方便、快速、低建設成本地為用戶數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)遠程接入網(wǎng)絡。

(2)傳輸速率高。

(3)接入時間短。

(4)提供實時在線(alwaysonline)功能。

(5)按流量計費。

2．GPRS系統(tǒng)結構

目前，GSM已發(fā)展到了Phase2+?階段，這一階段的核心問題就是高速移動數(shù)據(jù)通信。近年來，越來越多的GSM網(wǎng)絡運營商引入移動數(shù)據(jù)業(yè)務，不僅使GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)了無線互聯(lián)網(wǎng)功能，而且積累了無線多媒體業(yè)務運營經(jīng)驗，為向第三代移動通信網(wǎng)絡的過渡作好了準備。

GSM移動數(shù)據(jù)業(yè)務主要分為電路型數(shù)據(jù)業(yè)務和分組型數(shù)據(jù)業(yè)務。GSM第一階段提供的9.6kb/s以下數(shù)據(jù)業(yè)務及Phase2+?階段提出的HSCSD都屬于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務，Phase2+?階段提出的GPRS則屬于分組型數(shù)據(jù)業(yè)務。后者相對于前者具有很顯著的優(yōu)越性。兩者特點對比如表7-1所示。表7-1電路型數(shù)據(jù)業(yè)務與分組型數(shù)據(jù)業(yè)務的對比

GPRS網(wǎng)是在GSM電話網(wǎng)的基礎上增加以下功能實體構成的：SGSN(服務GPRS支持節(jié)點)、GGSN(網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點)、PTMSC(點對多點服務中心)。具體實現(xiàn)方法包括：共用GSM基站，但基站要進行軟件更新；采用新的GPRS移動臺；在GPRS中增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián)；對GSM網(wǎng)絡系統(tǒng)進行軟件更新和增加新的MAP信令與GPRS信令等。GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結構如圖7-18所示。圖7?18GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結構

GPRS網(wǎng)上增加了一些接口，主要包括：

(1)?Gb口。SGSN通過Gb口與基站BSS相連，為移動臺MS服務，通過邏輯控制協(xié)議(LLC)，建立SGSN與MS之間的連接，提供移動性管理(位置跟蹤)和安全管理功能。SGSN完成MS和SGSN之間的協(xié)議轉換，即將骨干網(wǎng)使用的IP協(xié)議轉換成SNDCP和LLC協(xié)議，并提供MS鑒權和登記功能。

(2)?Gn口。SGSN通過Gn口和GGSN相連，通過GPRS隧道協(xié)議(GTP)建立SGSN和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)(X.25或IP)之間的通道，實現(xiàn)MS和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)。

(3)?Gs口。Gs口用于SGSN向MSC/VLR發(fā)送地址信息，并從MSC/VLR接收尋呼請求，實現(xiàn)分組型業(yè)務和非分組型業(yè)務的關聯(lián)。

(4)?Gr口。Gr口用于HLR保存GPRS用戶數(shù)據(jù)和路由信息(IMSI、SGSN地址)，每個IMSI還包含分組數(shù)據(jù)協(xié)議PDP信息，該信息包括PDP類型(X.25或IP)、PDP地址及其QoS等級以及路由信息。

(5)?Gi口。GGSN通過Gi口實現(xiàn)GPRS網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDP)的互聯(lián)。

3．GPRS業(yè)務

GPRS網(wǎng)主要為移動數(shù)據(jù)用戶提供突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務，能快速建立連接，無建鏈時延。GPRS特別適用于頻繁傳送小量數(shù)據(jù)和非頻繁傳送大量數(shù)據(jù)。GPRS除能提供PTP(點對點)和PTM(點對多點)數(shù)據(jù)業(yè)務外，還能支持補充業(yè)務和短信息業(yè)務。

GPRS網(wǎng)提供的承載業(yè)務包括：

(1)點對點面向無連接網(wǎng)絡業(yè)務(PTP-CLNS)。

(2)點對點面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(PTP-CONS)。

(3)點對多點數(shù)據(jù)業(yè)務(PTM)。

(4)其他業(yè)務。7.3.5藍牙技術

藍牙(Bluetooth)技術是一種近距離無線通信的開放性全球規(guī)范，它定位于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡末端的無線連接，其目的是提供一個低成本、高可靠性、支持較高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡。

整個藍牙協(xié)議的體系結構包括底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層，如圖7-19所示。圖7?19藍牙體系結構

1．藍牙硬件模塊

硬件模塊中的射頻部分通過2.4GHz無需授權的ISM頻段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的過濾和傳輸，主要定義藍牙收發(fā)器應滿足的要求。基帶層負責跳頻和藍牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸。鏈路管理層負責連接的建立和拆除以及鏈路的安全和控制。藍牙采用跳頻技術來消除干擾和降低衰落，跳頻速率為1600次/秒。目前，藍牙在兩種頻段上定義了兩種信道分配方案。一種是美國、歐洲和其他大多數(shù)國家的標準,頻段為2.400～2.4835GHz，信道分配為f=2402+kMHz(k=0,…,78)，共計79個跳頻信道；由于法國等在此頻段范圍有限制，因此使用另一種跳頻方案，頻段為2.4465～2.4835GHz，信道分配為f?=?2454?+?kMHz(k=0,…,22)，共計23個跳頻信道。為減少帶外輻射和干擾，系統(tǒng)在上/下頻帶邊緣使用保護帶。對于79信道系統(tǒng)，下保護帶是2MHz，上保護帶是3.5MHz。每個信道為1MHz帶寬，支持的信道配置如表7-2所示。表7-2信道配置

RF定義了三種功率級別，即100mW、2.5mW和1mW。設備功率為1mW(0dBm)時，發(fā)射范圍一般可達10m。在發(fā)送過程中藍牙使用功率控制來限制發(fā)射功率。

藍牙為支持電路交換和分組交換分別定義了兩種鏈路類型，即同步面向連接(SCO)鏈路和異步面向無連接(ACL)鏈路。

藍牙組網(wǎng)時最多可以由256個藍牙單元設備連接起來組成微微網(wǎng)(Piconet)，其中1個主節(jié)點和7個從節(jié)點處于工作狀態(tài)，而其他節(jié)點則處于空閑模式。藍牙的節(jié)能狀態(tài)包括三種，依照節(jié)能效率以升序排列依次是呼吸(Sniff)、保持(Hold)和停等(Park)。在Sniff狀態(tài)，從節(jié)點降低了從微微網(wǎng)收聽消息的速率；在Hold狀態(tài)，節(jié)點停止傳送數(shù)據(jù)，一旦激活，數(shù)據(jù)傳遞立即重新開始；在Park狀態(tài)，節(jié)點被賦予Park節(jié)點地址PMA，并以一定間隔監(jiān)聽主節(jié)點的消息。主節(jié)點的消息包括：詢問該節(jié)點是否愿意成為活動節(jié)點，詢問任何停等節(jié)點是否愿意成為活動節(jié)點，廣播消息。

2．藍牙軟件模塊

藍牙底層硬件模塊與上層軟件模塊之間的消息和數(shù)據(jù)傳遞必須通過藍牙主機控制器接口(HostControllerInterface，HCI)的解釋才能進行。HCI提供了一個調(diào)用下層BB、LM、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。HCI以上的協(xié)議軟件實體運行在主機上，以下的功能由藍牙設備完成，二者之間通過傳輸層進行交互。軟件模塊中L2CAP屬于數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，負責向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務，其功能包括協(xié)議的復用能力、分組的分割和重組、組提取。SDP為應用提供了一個發(fā)現(xiàn)可用協(xié)議和決定這些可用協(xié)議特性的方法。SDP強調(diào)藍牙環(huán)境的特性，使用基于客戶機/服務器機制定義根據(jù)藍牙服務類型和屬性發(fā)現(xiàn)服務的方法，還提供了服務瀏覽的方法。RFCOMM是射頻通信協(xié)議，可以仿真串行電纜接口協(xié)議。通過RFCOMM，藍牙可以在無線環(huán)境下實現(xiàn)對高層協(xié)議，如PPP、TCP/IP、WAP等的支持。RFCOMM還支持AT命令集，從而實現(xiàn)移動電話、傳真機等與MODEM之間的無線連接。TCS是一個基于ITU-T建議Q.931、面向比特的協(xié)議，定義了藍牙設備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，用于處理藍牙TCS設備的移動性管理過程。

3．藍牙應用模型

藍牙的應用模式相當廣泛。結合藍牙SIG定義的幾種基本應用模型，可以列出以下一些顯著的應用模式：

·一機多用電話模式；

·頭戴式耳機/聽筒設備模式；

·互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋模式；

·局域網(wǎng)接入模式；

·文件傳輸模式；

·同步運行模式；

·數(shù)字影像模式；

·智能汽車系統(tǒng)模式；

·家庭信息網(wǎng)絡模式；

·流動辦公與電子商務模式。概括起來，可以將藍牙的應用模型劃分為以下三種：

(1)替代線纜(CableReplacement)。

(2)因特網(wǎng)橋(InternetBridge)。

(3)臨時組網(wǎng)(AdHocNetwork)。

4．藍牙技術存在的問題

藍牙技術存在的主要問題包括：

(1)?2.4GHzISM頻段使用的電磁兼容和頻率共用問題。

(2)互操作與兼容性問題。

(3)保密安全問題。

(4)與其他相關技術的競爭問題。

(5)價格、可靠性等綜合吸引力問題。7.3.6Internet

IP是Internet上最基本的協(xié)議。它提供了無連接的、基于分組的通信。基于因特網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)自動化中有了良好的應用。使用因特網(wǎng)的信息工具已快速成為嵌入式運算中IP的另一用途。

IP不是定義在特定的物理實現(xiàn)上，它是一種網(wǎng)際互聯(lián)標準。因特網(wǎng)分組采取能夠被其他網(wǎng)絡(例如以太網(wǎng))承載的形式。一般來說，一個因特網(wǎng)分組從源地址到目的地址會經(jīng)過幾種不同的網(wǎng)絡。IP允許數(shù)據(jù)通過這些網(wǎng)絡，無損失地從一端用戶流動到另一端用戶。IP和單個網(wǎng)絡之間的關系如圖7-20所示。圖7?20因特網(wǎng)通信中的協(xié)議利用

IP分組的基本格式如圖7-21所示。頭和數(shù)據(jù)有效負荷都具有可變的長度，最大長度是65535字節(jié)。圖7?21IP分組結構圖7-22顯示了IP和高級因特網(wǎng)服務之間的關系。使用IP作為基礎，TCP被用來為批量文件傳輸提供文件傳輸協(xié)議(FTP)，超文本傳輸協(xié)議(HTTP)用于萬維網(wǎng)服務，簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP)用于E-mail，Telnet用于虛擬終端。另外一個單獨的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)被用作由簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)提供的網(wǎng)絡管理服務的基礎。圖7?22因特網(wǎng)服務棧 7.4基于網(wǎng)絡的設計示例

7.4.1遠程溫度檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)是在C8051F020單片機上實現(xiàn)基于μC/OS-Ⅱ的遠程多點溫度檢測的。它采用C/S模式，設計為簡單的應用服務器，用戶可以通過網(wǎng)絡中任一PC機的瀏覽器界面完成對溫度的實時檢測。

1．硬件設計

系統(tǒng)的硬件結構如圖7-23所示。圖7?23系統(tǒng)硬件結構框圖

2．軟件實現(xiàn)

1)?TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)

介質(zhì)訪問層主要由以太網(wǎng)控制器RTL8019AS來實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEEE802.3標準，它只處理接收地址與本機物理地址相符或為廣播地址的以太幀，并且只對ARP和IP數(shù)據(jù)報進行處理。

網(wǎng)絡層實現(xiàn)IP、ARP和ICMP協(xié)議。IP數(shù)據(jù)報的首部保留20字節(jié)的基本控制信息，每個IP數(shù)據(jù)報包含一個分片，實現(xiàn)完整的ARP協(xié)議。對于ICMP協(xié)議，只實現(xiàn)ICMP中類型號為0，代碼為0的Ping應答協(xié)議。傳輸層實現(xiàn)TCP協(xié)議。在系統(tǒng)中，TCP協(xié)議只用于支持HTTP協(xié)議。由于在連接時系統(tǒng)一直處于被動服務的狀態(tài)，因此在設計中省去了SYN－SENT狀態(tài)和CLOSED狀態(tài)，讓它一開始就處于LISTEN狀態(tài)，以監(jiān)聽客戶端的連接請求，避免了主動打開的操作，可更高效地服務于客戶機。當該服務器發(fā)出數(shù)據(jù)報時，并不存儲這個數(shù)據(jù)報，只是記錄下這個數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息。由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸量少，因此滑動窗口設置為一個固定值(1500字節(jié))。

應用層實現(xiàn)HTTP協(xié)議?，F(xiàn)場監(jiān)測設備與用戶的交互式數(shù)據(jù)交換通過HTTP協(xié)議來實現(xiàn)。HTTP在端口80上使用TCP的服務。

系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議部分的程序流程如圖7-24所示。圖7?24ICP/IP協(xié)議部分的程序流程圖

2)?μC/OS-Ⅱ的溫度監(jiān)測實時管理

首先，需要完成μC/OS-Ⅱ在C8051F020單片機上的移植。

由于每個嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)可以同時與多個PC機連接，向不同用戶提供信息，因此在OS_CFG.H頭文件中定義了一個包含各種連接信息的結構變量。當監(jiān)測系統(tǒng)收到TCP報文時，檢查該報文使用的連接狀態(tài)信息是否與已存在的連接相符，如果不存在則建立新的連接。這種處理可以使嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)同時處理來自同一或不同PC機的連接。OS_CFG?.?H頭文件如下：存儲系統(tǒng)的使用方式是將C8051F020的XRAM作為輸入/輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)部緩沖區(qū)，將RTL8019AS內(nèi)部的16?KBSRAM作為單片機的外部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲輸入/輸出以太幀隊列。這樣，C8051F020就可以采用查詢方式讀取以太幀，并有充足的時間處理數(shù)據(jù)。由于輸入幀的大小不定，同時在ARP數(shù)據(jù)報發(fā)送或接收時，輸出幀必須存在輸出緩沖區(qū)中，因此輸入/輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在C8051F020的XRAM中使用動態(tài)分配。網(wǎng)頁存儲于單片機的FlashMemory中。當嵌入式系統(tǒng)向PC機發(fā)送網(wǎng)頁時，先將網(wǎng)頁從FlashMemory中取出放入XRAM，再根據(jù)用戶請求進行整理后放入RTLS019AS的SRAM，最后發(fā)送到以太網(wǎng)上。作為網(wǎng)絡服務器，C8051F020需要注意以下幾點：

(1)服務器向一客戶機發(fā)送ARP查詢分組后，如果在0.5?s內(nèi)未收到ARP響應分組，則重發(fā)ARP分組。

(2)如果TCP連接在0.5s內(nèi)未被激活，則初始化斷開連接。

(3)為了控制丟失數(shù)據(jù)報，TCP在規(guī)定時間(0.5s)內(nèi)如果沒有收到確認包，就重組這個包并發(fā)送，這樣不需要占用存儲區(qū)來存儲包。當TCP收到客戶機接收到信息包的確認包后，就斷開連接。下面是基于μC/OS-Ⅱ的任務創(chuàng)建、優(yōu)先級設置及延時時間設置，根據(jù)需要在系統(tǒng)中創(chuàng)建了5個任務：

任務1： OSTaskCreate(eth_arive，0，&mystack1[0]，4)；

//查詢RTL8019AS，是否有以太幀到達

OSTimeDlyHMSM(0，0，0，500)； //延時0.5s

任務2： OSTaskCreate(arp_retran，0，&mystack2[0]，5)；

//重發(fā)ARP分組

OSTimeDlyHMSM(0，0，1，0)； //延時1s任務3： OSTaskCreate(tcp_inact，0，&mystack3[0]，6)；

//初始化斷開連接

OSTimeDlyHMSM(0，0，1，500)； //延時1.5s

任務4： OSTaskCreate(read_temp，0，&mystack3[0]，7)；

//讀溫度值

OSTimeDlyHMSM(0，0，2，0)； //延時2s

任務5： OSTaskCreate(tcp_retran，0，&mystack3[0]，8)；

//TCP數(shù)據(jù)報重發(fā)

OSTimeDlyHMSM(0，0，2，500)； //延時2.5s7.4.2基于VoIP和藍牙的無線電話系統(tǒng)

整個系統(tǒng)設計由1臺認證服務器、2臺基站(PC1，PC2)、14臺移動終端和多臺有線終端組成。其中基站以藍牙模塊ROK101008為無線接口，可實現(xiàn)移動終端與基站的高速通信；移動終端以ARM為核心處理器。系統(tǒng)框圖如圖7-25所示。圖7?25系統(tǒng)總體框圖

1．移動終端設計

移動終端以無線方式接入基站，可提供呼叫、來電顯示、語音通話等多種服務，由藍牙模塊ROK101008提供高速數(shù)據(jù)傳輸。語音壓縮編碼算法采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSD)方案，通過ARM處理器實現(xiàn)。ARM處理器采用Philips公司的LPC2104芯片。ARM處理器實現(xiàn)的功能有語音編/解碼、模擬接口、藍牙HCI接口、鍵盤處理與液晶顯示等。移動終端的硬件組成如圖7-26所示。圖7?26移動終端硬件結構圖硬件層設計主要包括串口和SPI總線接口設計，它們用于收/發(fā)語音數(shù)據(jù)、處理鍵盤中斷和完成對A/D、D/A以及液晶顯示的控制。任務層設計主要是建立了8個任務，按其優(yōu)先級從高到低排列，依次為監(jiān)控任務、鍵盤處理任務、模擬接口任務、藍牙接口任務、編碼任務、解碼任務、液晶顯示任務和空閑任務。其中，監(jiān)視任務和空閑任務是為增強系統(tǒng)穩(wěn)健性而設計的。各任務的狀態(tài)有4種：就緒態(tài)、運行態(tài)、等待/掛起態(tài)以及中斷態(tài)。在操作系統(tǒng)層，基于μC