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一種雙MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet接入服務(wù)器
摘要：針對某些單MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet服務(wù)器性能價格比低且靈活性差的問題，提出了一種雙MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet接入服務(wù)器（DMCUEIAS）。它使嵌入式Internet的用戶交互和設(shè)備控制分離，用戶通過Internet不僅可以監(jiān)視和控制現(xiàn)場設(shè)備，而且利用RAC可以將任務(wù)下載到現(xiàn)場；解決了低端單MCU處理能力低高端MCU成本高的矛盾，并能夠靈活地實現(xiàn)現(xiàn)場控制程序的功能擴展和升級。關(guān)鍵詞：雙MCU結(jié)構(gòu)嵌入式InternetRAC嵌入式TCP/IP協(xié)議棧
嵌入式Internet[1]是指借助于Internet監(jiān)視和控制工廠的機器、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、機頂盒、車輛控制器、辦公機械、個人數(shù)字助理（PDA）和其它設(shè)備。隨著Internet/Intranet的迅猛發(fā)展，將Internet延伸到8位、16位、32位單片機，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、遠程控制、自動報警、上傳/下載數(shù)據(jù)文件、自動發(fā)送EMALL等功能已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。就嵌入式Internet系統(tǒng)而言，實現(xiàn)Internet通信協(xié)議及其服務(wù)，同時還要控制現(xiàn)場設(shè)備將占用大量資源，而嵌入式Internet系統(tǒng)中大量存在的是8位和16位MCU，這些系統(tǒng)在某些環(huán)境下實現(xiàn)上述功能將十分困難[2]。如果采用32位或64位的處理器，無疑會增加成本。為此，本文提出了一種雙MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet接入服務(wù)器DMCUEIAS。其中一個MCU作為Internet服務(wù)器與用戶交互（稱作InetMCU），它支持TCP/IP協(xié)議棧并運行Internet服務(wù)程序，形成一個用戶可以通過瀏覽器進行交互的服務(wù)器；另一個MCU專門用作設(shè)備服務(wù)器（稱作DevMCU）控制多個設(shè)備。InetMCU和DevMCU通過RAC協(xié)議實現(xiàn)通信，完成現(xiàn)場設(shè)備的控制。這樣可以提高性能價格比，具有操作簡便、功能易擴展等特點。
1硬件結(jié)構(gòu)
雙MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet接入服務(wù)器DMCUEIAS采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT90S8515微控制器作為InetMCU，采用AT89S53作為DevMCU，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1。其中，DevMCU擁有12K字節(jié)的Flash程序存儲器，256字節(jié)的片內(nèi)RAM，3個可預(yù)分頻的16位定時儲器，256字節(jié)的片內(nèi)RAM，3個可預(yù)分頻的16位定時器、計數(shù)器，32位I/O口和一個內(nèi)置的全雙工UART；InetMCU擁有8K字節(jié)的Flash程序存儲器，512字節(jié)的片內(nèi)EEPROM，512字節(jié)的片內(nèi)RAM，1個可預(yù)分頻的8位定時器、計數(shù)器，1個可預(yù)分頻、具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時器和計數(shù)器，用于程序下載的SPI口，32位I/O和一個內(nèi)置的全雙工UART。InetMCU的時鐘頻率是8MHz，可以高速地通過ISA口傳遞數(shù)據(jù)（約2Mbps）。通過一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，InetMCU可以取得近1MIPS/MHz的性能。通過在單一芯片內(nèi)將一個增強性的8位RISCCPU與可下載的Flash結(jié)合，使它非常適合多種嵌入式應(yīng)用要求，具有高度靈活性和低成本的特點。DMCUEISA的以太網(wǎng)控制器采用臺灣Realtek公司的RTL8019AS（10Mbps）。其采用全雙工通信方式，使幀的發(fā)送與接收能夠在一條通信線路上同時進行。使信道的帶寬增加一倍，實現(xiàn)了基于IEEE802.3協(xié)議標準的MAC層（MediaAccessControlLayer）的所有功能。內(nèi)置的雙DMA通道FIFO完成簡單有效的包管理（數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送）功能，本地DMA通道的傳輸速率高達10Mbps。其優(yōu)越的性能價格比使它非常適合嵌入式Internet系統(tǒng)。
在InetMCU的片內(nèi)Flash中固化的服務(wù)程序可以現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、線程支持、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCP/IP）和I/O管理等。通過20位（8位A口，8位C口，D口的PD0、PD1、PD2、PD7）I/O口連接到廉價的ISA總線的網(wǎng)卡芯片RTL8019AS卡，能夠?qū)ν猓ㄈ鏘nternet上的用戶）提供一種通過以太網(wǎng)接口訪問嵌入式系統(tǒng)的方法。InetMCU的片內(nèi)EEPROM存儲授權(quán)的用戶名、密碼和其固定的IP地址及MAC地址。遠程用戶訪問DMCUEIAS時，要比較用戶名密碼，只有合法用戶可以通過Internet訪問DMCUEIAS。InetMCU的片內(nèi)RAM存儲臨時數(shù)據(jù)，同時外擴了32K字節(jié)的SEEPROM。它采用AT24C256存儲不同的控制網(wǎng)頁，完成必要的文件系統(tǒng)功能，通過WEB頁可以實現(xiàn)遠程用戶與DMCUEIAS的交互。InetMCU用12位（8位B口作為數(shù)據(jù)口，D口的PD3、PD4、PD5、PD6作為控制口）I/O完成與DevMCU的通信。DevMCU的片內(nèi)Flash已經(jīng)固化DCX51嵌入式實時操作系統(tǒng)、通信服務(wù)和遠程存取控制服務(wù)（RAC），負責現(xiàn)場設(shè)備的控制。DevMCU的另外16位（8位A口，8位C口作為數(shù)據(jù)）I/O口與ISP相連，完成必要的邏輯功能，最后由ISP的IO56～IO63(8位)通過功率驅(qū)動直接驅(qū)動設(shè)備。
2軟件體系結(jié)構(gòu)
2.1TCP/IP協(xié)議
由于系統(tǒng)的資源有限，要求實現(xiàn)協(xié)議時應(yīng)從具體需求著眼，而不是以實現(xiàn)完整的協(xié)議為主要目的。DMCUEIAS要求能夠提供WWW服務(wù)，并選擇以太網(wǎng)為其運行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這樣用戶可以利用瀏覽器通過HTTP協(xié)議瀏覽事先下載到InetMCU的SEEPROM中的控制網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁傳遞控制命令到InetMCU。客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議標準發(fā)到DMCUEIAS。這是因為HTTP協(xié)議是國際標準，它被所有瀏覽器支持，能保證用戶可以通過任何地方的瀏覽器下達命令。HTTP協(xié)議建立在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上。建立連接時經(jīng)過三次握手，每次傳輸數(shù)據(jù)都要求服務(wù)器給予確認；如無確認，則重發(fā)，保證從客戶端到InetMCU的數(shù)據(jù)正確、無整。
軟件部分要實現(xiàn)的協(xié)議[3]至少是：應(yīng)用層上負責Web頁面請求和應(yīng)答的HTTP協(xié)議；位于傳輸層上保證數(shù)據(jù)進行可靠傳輸?shù)腡CP協(xié)議[4]，在數(shù)據(jù)傳輸時采用帶重傳機制的停-等協(xié)議，有效保證數(shù)據(jù)的傳輸；位于網(wǎng)絡(luò)層上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P協(xié)議；IP[5]是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，它對收到的IP數(shù)據(jù)報進行分用，提交TCP或ICMP協(xié)議處理，對TCP或ICMP[6]報文進行IP封裝，交數(shù)據(jù)鏈路層裝幀發(fā)送是IP協(xié)議負責的主要任務(wù)，因此對這兩個功能也要進行實現(xiàn)；實現(xiàn)32位IP地址到48位網(wǎng)卡地址轉(zhuǎn)換的ARP協(xié)議，完全可以滿足網(wǎng)絡(luò)上主機對InetMCU的IP地址進行解析的需求；實現(xiàn)網(wǎng)卡的驅(qū)動程序。Ping這一常用的網(wǎng)絡(luò)診斷工具也應(yīng)該被提供，所以與Ping相應(yīng)的ICMP協(xié)議應(yīng)該予以實現(xiàn)。
2.2DCX嵌入式實時操作系統(tǒng)
DMCUEIAS基于實時多任務(wù)操作系統(tǒng)“&”，這是一段在DMCUEIAS啟動后首先執(zhí)行的后臺程序。用戶的應(yīng)用程序是運行于RTOS上的各個任務(wù)，RTOS[8]根據(jù)各個任務(wù)時要求，進行資源（包括存儲器、外設(shè)等）管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS[9]支持的DMCUEIAS系統(tǒng)中，每個任務(wù)均有一個優(yōu)先級。DMCUEIAS根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)切換各個任務(wù)，保證實時性的要求。
DCX（DistributedControlExecutive）嵌入式實時操作系統(tǒng)[10]相當于實時操作系統(tǒng)的核，本文討論的DMCUEIAS支持8位的DCX51。DCX51執(zhí)行程序已固化在DevMCU中，為BITBUS網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點提供多任務(wù)能力，并且控制DevMCU和InetMCU之間的通信。DCX51操作系統(tǒng)提供中斷處理，能實時地響應(yīng)外事件發(fā)出的中斷服務(wù)請求、任務(wù)間的通訊、任務(wù)的同步，內(nèi)部存儲器管理對應(yīng)用程序代碼段和數(shù)據(jù)區(qū)以不同方式管理；定時服務(wù)以及其于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度方法。新建任務(wù)如果優(yōu)先級最高，可立即運行，否則處于就緒狀態(tài)。就緒隊列中的任務(wù)按優(yōu)先級順序排列，下一次運行的總是就緒階列中優(yōu)先級最高的任務(wù)，同優(yōu)先級的任務(wù)則按就緒時間順序排列是。DCX支持多任務(wù)，0號任務(wù)RAC是系統(tǒng)任務(wù)，它管理目標機與上位機通信。含有DCX51的DevMCU作為主控芯片安裝到目標機上，分布到工業(yè)現(xiàn)場中控制設(shè)備。對于每部分功能，DCX都提供系統(tǒng)調(diào)用，這些調(diào)用就是用戶任務(wù)與DCX的接口。這些服務(wù)綜合在一起就實現(xiàn)一個實時系統(tǒng)。這樣在DMCUEIAS中，用戶主要完成控制外部設(shè)備的各個程序模塊。
2.3RAC任務(wù)
任務(wù)是一個可調(diào)度的執(zhí)行單元，它由執(zhí)行代碼和只能由該任務(wù)存取的私有數(shù)據(jù)組成。RAC（RemoteAccessControl）任務(wù)，即遠程存取和控制，專門負責遠程任務(wù)的接收和發(fā)送。當信息發(fā)送到另一節(jié)點時，DCX51執(zhí)行程序發(fā)送信息到RAC任務(wù)（即任務(wù)0）。RAC任務(wù)內(nèi)含通信服務(wù)，它已經(jīng)隨同DCX51操作系統(tǒng)一道固化到DevMCU，通過DCX51,可以實現(xiàn)InetMCU與DevMCU的通信。它有兩種類型的服務(wù)：數(shù)據(jù)存取和任務(wù)控制。數(shù)據(jù)存取類的服務(wù)可以對DevMCU不同的存儲器段或I/O空間進行數(shù)據(jù)的讀或?qū)憽Ｈ蝿?wù)控制類的服務(wù)可以下載一個任務(wù)的目標代碼到DevMCU，建立或刪除在DevMCU的一個任務(wù)。傳到InetMCU的數(shù)據(jù)通過RAC任務(wù)從InetMCU傳到DevMCU，再由DevMCU完成遠端設(shè)備的控制和訪問。
RAC任務(wù)的信息格式如表1。其中，Link是系統(tǒng)用于保存信息表的兩字節(jié)的參數(shù)；Messagelength是RAC命令或回答的字節(jié)數(shù)。MT(Message-type)：指定信息類型的一位；SE（src-ext）表示產(chǎn)生信息的任務(wù)是否在擴展節(jié)點上；DE（dest-ext）：表示接收命令信息的任務(wù)駐留在擴展節(jié)點上，還是在一個設(shè)備上；Nodeaddress：只能通過PC系統(tǒng)接口進行傳遞的信息參數(shù)是0xff，當信息從同一節(jié)點的一個任務(wù)傳遞到另一個任務(wù)時，參數(shù)是"0"；Sourcetask：是源節(jié)點發(fā)送任務(wù)的任務(wù)ID(0～7)；Destinationtask：是目的任務(wù)的任務(wù)標識符；Command/respond：包含選擇規(guī)定的RAC任務(wù)的參數(shù)（不同服務(wù)其值也不同），RAC任務(wù)的響應(yīng)信息包含了指示服務(wù)結(jié)果的狀態(tài)代碼；data：數(shù)據(jù)，對不同RAC服務(wù)而不同。
表1RAC信息格式
Link(高字節(jié))Link(低字節(jié))MessageLengthMTSEDE00000NodeaddressSourcetaskDestinationtaskCommand/responddata
2.3.1RAC任務(wù)控制類
任務(wù)控制類允許用戶在遠程節(jié)點上使用適當?shù)腄CX51系統(tǒng)調(diào)用，或者控制遠程節(jié)點自身。在DMCUEIAS中用戶可以把指定的任務(wù)文件（必須是十六進制格式，如.hex）通過Internet下載到InetMCU里，然后通過下載后，客戶端還要發(fā)create命令激活下載的文件數(shù)據(jù)，通過RAC任務(wù)create服務(wù)把命令傳到DevMCU，完成新任務(wù)的建立，實現(xiàn)控制設(shè)備。
用戶還可以控制其它服務(wù)如deletetask（刪除特定的任務(wù)，并禁止所有與該任務(wù)有關(guān)的中斷）、resetdevice（全部任務(wù)初始化），為此用戶必須知道當前運行的任務(wù)號。這需用戶事前發(fā)getfunctionids命令，DevMCU通過RAC任務(wù)的getfunctionids服務(wù)把ID號傳給InetMCU，并通過Internet返回到客戶端，用戶可對任務(wù)進行不同的操作（如刪除等）。
2.3.2RAC數(shù)據(jù)存取類
數(shù)據(jù)存取類使用戶可以對不同的存儲段或I/O空間進行數(shù)據(jù)的讀寫。在DMCUEIAS中，客戶端可以通過對DevMCU的I/O空間進行數(shù)據(jù)讀寫來控制設(shè)備，完成數(shù)據(jù)的寫（客戶端傳來的數(shù)據(jù)直接控制設(shè)備狀態(tài)）、讀（把設(shè)備的狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)傳給客戶端）。
RAC任務(wù)寫服務(wù)：寫數(shù)據(jù)到DevMCU的I/O口中�？蛻舳藦腎nternet傳來的設(shè)備狀態(tài)碼從InetMCU寫到DevMCU，完成對設(shè)備的控制。
RAC任務(wù)讀服務(wù)：把DevMCU的I/O口內(nèi)容進行讀和顯示。當前設(shè)備的狀態(tài)（用一字節(jié)8位表示，即可同時控制8個設(shè)備）從DevMCU傳到InetMCU，然后通過Internet返回到遠端的客戶端，用戶就可知道設(shè)備的狀態(tài)。
3實驗結(jié)果
本文的實驗環(huán)境是：通過計算機的RS-232串口把編好的服務(wù)程序（采用匯編語言，這樣可減少程序代碼量，并提高執(zhí)行效率）固化到InetMCU的Flash存儲器里，實現(xiàn)較完整的服務(wù)器功能，如任務(wù)調(diào)度、線程的支持、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCP/IP）和I/O管理。斷開程序下載線，雙MCU結(jié)構(gòu)的嵌入式Internet接入服務(wù)器（DMCUEIAS）和運行客戶端程序的PC機只通過網(wǎng)線連接。了演示實驗結(jié)果，把8個設(shè)備用8個指示燈代替，對指示燈的控制通過二進制0（燈滅）、1（燈亮）實現(xiàn)，即指示燈只有兩個狀態(tài)，完成客戶遠端控制和讀取指示燈的狀態(tài)。這個實驗環(huán)境是對用戶通過Internet遠端控制設(shè)備的模擬。
驗證RAC任務(wù)控制類：首先下載文件fd.hex，它控制指示燈，使8個小燈按序接連亮，然后滅，下一個亮，到最后一個燈，再從第1個燈開始，重復(fù)循環(huán)……然后用戶發(fā)create命令，激活任務(wù)，實現(xiàn)實驗?zāi)康�。在這里共有4個任務(wù)，所有用戶發(fā)的getfunctionids只有ID0、ID1、ID2、ID3返回，它們分別完成不同的功能。任務(wù)0即RAC任務(wù)，完成InetMCU與DevMCU的通信�？蛻舳丝梢苑謩e控制這4個任務(wù)，對不同任務(wù)進行不處理（如刪除等）。驗證RAC數(shù)據(jù)存取類：用戶發(fā)“寫”0xff命令，則8個燈全亮（8位，每位控制1個燈）；用戶發(fā)“讀”命令，則從DevMCU返回0xff，指示燈狀態(tài)是全亮。
但為使MCU與非標準設(shè)備有統(tǒng)一的接口，而不用提供專門的接口是下一步研究的方向。
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