单片机的网络应用

ByGrith4

摘要
主要阐述了单片机用于网络应用时,在确定架构方案时应着重考虑的几个问题,这也是确定系统性价比的重要因素。
包括RTOS的使用问题;阻塞或非阻塞调用的问题;采用单线程设计还是采用多线程设计的问题;存储器管理问题;采用何
, U/ S! @- D/ S$ {种网络接口的问题。并例举了典型的单片机网络应用系统的软硬件架构。在此架构基础上可进行多种用途的单片机网络应
" Y' Y2 p) T' l! G6 {+ T用系统的开发。

关键词:单片机,网络,RTOS,TCP/IP,阻塞,线程
) k. K$ X% c' b
8 l1 u1 ]8 L: V' V& V" a以单片机作为嵌人式系统的控制处理器件，实现嵌人式系
统接人Internet的功能,从而实现远程控制、监视等服务,是目
9 ~- U2 L- `0 h  d! b8 v前单片机应用的一个方面。如何架构一个高性价比,经济实用的
系统是值得思考的问题。
1首要考虑的几个问题
5 f5 a; r8 T$ J! T! l  _( ]' Q1.1是否使用实时操作系统
对于嵌人式系统是否使用操作系统-直是一个颇具争议的
8 c6 W7 e- C% H2 \7 O* K& _0 P- P问题。操作系统提供了基本的服务层,简化嵌人式应用程序开发
+ k6 [) o2 O8 V- w( A0 H. E者的工作。从另一个角度看,OS对于资源的使用有较多约束,导
3 E, \5 M* D3 r) C+ d' l致最终设备的费用提高。对于一些硬件资源比较有限,处理能力
低的mcu来说,使用RTOS是-一个很大的负担。现在提出不使
( P1 O3 q" B; \7 G+ g用操作系统或核心是非常困难的，特别是当设备必须使用因特
4 H0 A) o4 P2 ?+ _% T' w网协议通信时。TCP/IP 栈会给嵌人式系统设计设置其他约束。
+ j+ H5 }! A7 `7 k; X如:TCP/IP栈必须有一个相对的准确时间源，以便进行时间管
" A* d( E6 I" q5 v# v* I理,处理各种发生在栈中的超时和定时活动。栈还必须对数据包
/ z6 Z6 U0 t* v9 k有一个资源管理系统,有可能是一个标准的动态存储管理系统。
最理想的情况是使用本身自带TCP/IP协议栈的操作系
统。例如,全嵌人式的Linux版本(μCLinux)自动包括一个标准
的TCP/IP栈。这种模式的最大优点是软件的可使用性。桌面系
8 o+ ~2 D- Q$ T3 |/ N统和嵌入式设备上的Linux版本实际上是相同的，所以网络协
议和应用程序可以很快地和十分容易地移植。这意味着针对标
准桌面系统使用的大量代码可以十分容易地经简化用于嵌人式
环境,节省了时间和精力。
* D* Y" K4 [/ V' x6 g$ \. u即便是μCLinux这样高度优化的、代码紧凑的嵌人式Lin-
ux,其编译后产生的目标代码也在几百K的数量级,显然并不
适用于低配的单片机中。但这并不意味着没有RTOS就无法用
' V  G. B# U- D( T+ `: [4 Y单片机实现TCP/IP协议，意味着- -些使用低档单片机的嵌人
6 e, {( D: V+ U1 l+ r% N* Y* a; T式系统失去接人Internet的能力。只要可以提供所需的服务(时
: f* ]0 {# F% |1 Y钟、存储管理器等),即便没有RTOS,也可使用低档单片机如51
等实现TCP/IP协议栈的功能，完成TCP/IP协议中的ARP、
" a7 B. G, B& s8 y2 uUDP、TCP、IP等协议。这样的实现对资源的要求较少,且实现速

度较快。
) D& I9 N* L- \' C' c* ~0 D1.2阻塞或非阻塞调用
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起,函数只
' |; J3 F$ w; i有在得到结果之后才会返回。非阻塞和阻塞的概念相对应,指在不
能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。
标准的套接字层要定义阻塞语义，如果套接字中没有可用
数据，对其进行的读调用将会引起调用阻塞，直到有可用的数
% D& N2 f* b5 F) d, g据。写调用也是如此。如果写的字节数大于缓存中可用空间,写.
" k  K7 B( x! M% V5 J8 H5 ?) ~调用被阻塞,直到写缓存中有足够的空间。如果无法使用操作系
统,那么对于这些阻塞语义也不可用。套接字层也可以以非阻塞
+ y7 D- M4 I/ e- w9 g9 p, w  M+ d方式工作,但效率有可能下降。有些商用的协议栈可以提供回调
7 Q' R' m- N7 d& p; j/ @机制,比如当针对某个套接字发生了某些类型事件时,就调用用
' z  e9 ]" a+ i, ~* x+ @户定义的应用程序。
9 x1 ~- B) a' D1.3单线程和多线程设计
$ o0 M1 Y3 I) m/ V6 p0 X当使用RTOS时,ICP/IP协议栈可以定义成单任务，或者
根据协议的不同层来进行划分。大多数情况,在栈和数据链路层.
之间存在着区别。媒体访问控制(MAC)或串行端口(针对PPP/
SLIP)因为其异步性质,通常是在TCP/IP栈软件上划分。
/ [& a* ~, K# I5 }% x0 m3 C7 G1.4存储器管理问题
嵌入式系统在设计中要考虑降低成本。这就意味着可以使
8 P0 L8 I: }( M用的硬件资源也会相应减少,比如存储器件,闪存/非易失存储
和RAM。RAM数量小意味着要特别注意确定TCP/IP栈用来分
4 h' F: @. X1 U: ^) d3 j$ f8 _配数据包的方法。
4 x1 I0 Q; V/ t0 ]' ~! ~9 l分配数据包的方法通常可以在嵌人栈中配置,特别是对OS
核心未知的情况下。可以采用的两种主要方法是动态分配或者
预先分配。
5 g2 l% N6 I# d6 w# ^包的动态分配意味着只要需要包，就可以通过堆栈子系统
进行动态分配。堆栈只不过是可以根据应用程序的需要划分成
小块的一一个大块的存储器。堆栈还被用做一般化资 源管理,所以
它是一个系统存储器管理的基本基地。动态存储器管理存在的
6 q9 p" e6 H6 n9 b& W0 T9 W# F2 p/ J基本问题是垃圾收集。当包返回到堆栈时,只要这可能是大的可

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一盆绿箩

嵌入式系统在设计中要考虑降低成本