单片机的网络应用

ByGrith4

摘要
1 _( i. E4 ~0 s3 \! V! \+ s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
2 K1 B1 l/ z) g$ U) t' m2 A& k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
用系统的开发。
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- p$ |2 N- b- Y) v3 Q# R; v3 C) J关键词:单片机,网络,RTOS,TCP/IP,阻塞,线程

1 Y+ F& A2 S* t$ T8 S以单片机作为嵌人式系统的控制处理器件，实现嵌人式系
3 Z' N$ W" I5 t8 F: T( v- \统接人Internet的功能,从而实现远程控制、监视等服务,是目
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。
: f" j1 F+ V" y) T8 X9 M1首要考虑的几个问题
. h( T# l, Z  I/ v6 E# b9 D1.1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
1 U$ {! A7 c: |2 X+ n0 @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
4 o# d9 s; g% @! H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
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
2 t7 E, O+ D9 E  F% A: j' X低的mcu来说,使用RTOS是-一个很大的负担。现在提出不使
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
网协议通信时。TCP/IP 栈会给嵌人式系统设计设置其他约束。
如:TCP/IP栈必须有一个相对的准确时间源，以便进行时间管
  Q0 r" B* N6 Z# V$ G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
( F1 C' D) m* s8 K0 t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。
& G, S5 J7 ^$ w4 k' G9 S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
3 ~$ k! S3 _) D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
. f' r: v9 s; q+ s' e% o6 b: H. V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。
即便是μCLinux这样高度优化的、代码紧凑的嵌人式Lin-
; t3 v- _( z8 Iux,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
单片机实现TCP/IP协议，意味着- -些使用低档单片机的嵌人
1 D' m- v5 X$ l" |1 a, d式系统失去接人Internet的能力。只要可以提供所需的服务(时
( [$ |' h' i( c. H% }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、
3 {$ `3 w% _7 s$ ]7 o. p1 YUDP、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。
7 I; i# c8 E" M: Y2 x: B1.2阻塞或非阻塞调用
; t* m0 U; |! |% E; M" B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
5 b1 S; [) s/ C1 ?6 |% O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
0 c3 T6 ~* A: G4 U$ O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.
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
# F4 }4 S, w, O4 b: G, {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
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
5 d+ X3 l6 p: K. K6 Q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
户定义的应用程序。
1.3单线程和多线程设计
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/
3 h; m; D  X3 C* z1 G4 SSLIP)因为其异步性质,通常是在TCP/IP栈软件上划分。
1.4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
9 f# a  \' i( [  u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
% Y% t. V0 K2 R; _& E配数据包的方法。
3 k0 a* {( k; b+ a1 Z# {. x, m- \分配数据包的方法通常可以在嵌人栈中配置,特别是对OS
! d# c* B& n1 J3 f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
$ g8 q6 Q" ^3 X2 {预先分配。
% x4 M4 [) [2 |+ w- b9 h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
" g3 g- N6 v' d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
5 J9 |% X0 u; r& F& T+ e5 o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
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