基于嵌入式操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計

作者：高長艷，鄭喜鳳，丁鐵夫

隨著信息時代的到來，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，人們開始越來越多地接觸到一個新概念--嵌入式產(chǎn)品。將嵌入式系統(tǒng)接入Internet。不僅實現(xiàn)了設備的遠程控制、維護和升級，而且可實現(xiàn)資源共享。通過網(wǎng)絡對設備進行監(jiān)控，一個外部界面是必不可少的，利用Web瀏覽器可使用戶通過網(wǎng)絡對遠程系統(tǒng)實現(xiàn)管理和更新，大大簡化了人機界面的設計。若在系統(tǒng)中嵌入實時操作系統(tǒng)，將使系統(tǒng)具有極強的可移植性，另外，硬件設備的添加與裁剪也具有極龐大的靈活性。采用DHCP協(xié)議動態(tài)獲得IP相關信息，使TCP/IP軟件不再依賴于存儲在芯片中的固定IP地址，這將為大型系統(tǒng)的安裝提供方便條件。

本設計的關鍵是如何在內(nèi)存資源有限的單片機系統(tǒng)上，利用實時內(nèi)核uC/OS-II把信息變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，以便通過IE瀏覽器監(jiān)控遠程設備的狀態(tài)。

1 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)概述

本設計采用Internet監(jiān)控遠程設備，整個系統(tǒng)相當于一個網(wǎng)絡服務器?？蛻舳送ㄟ^IE瀏覽器對該服務器進行訪問，實時地獲得設備的狀態(tài)信息，以便對設備進行控制和維護。這樣，就要求服務器提供WWW服務，即實現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應被所有瀏覽器支持，以保證任何地方的用戶都可通過瀏覽器下達命令。在網(wǎng)絡接口上，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)為其運行的網(wǎng)絡環(huán)境。圖1所示為HTTP設計模型。首先，客戶端的瀏覽器與Web服務器使用一個或多個TCP連接，通過80號端口進行通信，瀏覽器通過HTTP協(xié)議瀏覽事先存儲在EEROM中的控制網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁傳遞控制命令到網(wǎng)絡服務器，然后服務器對命令進行解析，調(diào)用相應的函數(shù)控制外部I/O設備。

整個設備監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。在硬件部分嵌入了TCP/IP協(xié)議棧。因系統(tǒng)資源有限，在保持協(xié)議分層體系結構的前提下，應盡量精簡協(xié)議內(nèi)容。根據(jù)網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的原理，本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。

2 硬件平臺設計

本設計采用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡的運行環(huán)境，在硬件上需要有網(wǎng)絡控制芯片。目前市場上有許多以太網(wǎng)絡控制芯片，但其大多數(shù)都耗電量高、功能復雜，不適合用于價格低廉的嵌入式系統(tǒng)中。在這里選用RTL8019AS，其好處是NE2000兼容、軟件移植性好、接口簡單、不需轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋等。而單片機選擇89C55，它有20K的ROM，內(nèi)部結構簡單，只要代碼能夠移植于它，就能較輕松地移植于其它架構的CPU，比如ARM等。圖2為硬件原理框圖。24C64用來存儲物理地址及設備的相關信息等；外部RAM為數(shù)據(jù)處理提供緩存。系統(tǒng)提供了RS232接口用來進行測試，提供了RJ45接口以便連接到以太網(wǎng)。

3 操作系統(tǒng)的選擇

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)必須滿足實時性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持TCP/IP運行時的調(diào)度，所以應用軟應該基于嵌入式實時操作系統(tǒng)。適合于片上的實時操作系統(tǒng)比較多，但是代碼公開且適合移植51系列單片機的卻很少，主要有uC/OS-II、RTX51、Small RTOS51等。實時內(nèi)核uC/OS-II是專門為單片機嵌入式應用而設計的，圖3為嵌入式實時操作系統(tǒng)的內(nèi)部結構圖。它主要采用標準的ANSI C語言寫成，與硬件有關的部分使用匯編語言編寫，以使操作系統(tǒng)能很方便地移植到其它的處理器?？梢姡褂们度胧讲僮飨到y(tǒng)時，應用軟件只與上層的代碼有關與處理器無關，在進行軟件移植時僅需對與硬件相關的底層函數(shù)進行修改，因此這樣的應用軟件具有良好的可移植性和穩(wěn)定的可靠性。在uC/OS-II下編寫TCP/IP協(xié)議，比傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)要方便很多；用它分析內(nèi)存緩存區(qū)，使用前申請，使用后釋放，可有效地利用系統(tǒng)資源。在程序設計時將TCP/IP協(xié)議棧做成任務，而用戶程序在另外的任務中運行。這樣，單片機可在完成原來控制系統(tǒng)功能的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。從代碼長度上看，實現(xiàn)基本功能的TCP/IP協(xié)議棧比Linux等其它操作系統(tǒng)優(yōu)勢更大。

4 軟件設計

軟件設計是網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)設計的重要部分，主要完成RTL8019AS的驅(qū)動、uC/OS-II對應系統(tǒng)的管理及TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)。

4．1 uC/OS-II操作系統(tǒng)的應用

uC/OS-II可以根據(jù)需要進行相應裁剪后移植到51單片機上。用它對系統(tǒng)進行管理，使得程序易讀，且便于移植。藽/OS-II主要負責管理網(wǎng)卡初始化、創(chuàng)建系統(tǒng)資源、創(chuàng)建任務等三部分工作。在系統(tǒng)資源的創(chuàng)建上，使用TxSem、RxSem信號量及TxQFIFO隊列。當需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，觸發(fā)RTL8019AS中斷，CPU將中斷向量進入中斷服務子程序，進行事件處理。中斷服務子程序根據(jù)RTL8019AS內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器IMR的值確定系統(tǒng)所處狀態(tài)，通過兩個信號量TxSemPost和RxSemPost切換系統(tǒng)任務，使系統(tǒng)相應信號量的一個任務進入就緒態(tài)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程是通過檢查信號量TxSemPost而進行的相應處理，為了保證數(shù)據(jù)正確到達客戶端，這里采用了多次發(fā)送機制。當信號量RxSemPost到來時，開始接收數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)幀正確，就根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小申請合適的內(nèi)存空間存放該數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接收幀的目的地址的正確與否決定是否將該幀提交給上層應用程序。若無誤則解析數(shù)據(jù)報頭，進行相應處理。

4．2 RTL8019驅(qū)動

RTL8019AS完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。驅(qū)動程序主要包括芯片初始化、收包、發(fā)包三部分。物理信道上的收發(fā)操作采用以太網(wǎng)協(xié)議802.3幀格式。系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)包的原理是單片機先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入RTL8019芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度（寫入TPSR、TBCR0，1）后，啟動發(fā)送命令（CR=0x3E），即可實現(xiàn)RTL8019的發(fā)送功能。RTL8019會自動按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結果寫入狀態(tài)寄存器。RTL8019芯片接收緩沖區(qū)構成一個循環(huán)FIFO隊列，PSTART、PSTOP兩個寄存器限定了循環(huán)隊列的開始和結束頁，CURR為寫入指針，受芯片控制，BNRY為讀出指針，由主機程序控制。根據(jù)CURR==BNRY+1？可以判斷出是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包存于以CURR指出的地址為首址的RAM中。當CURR==BNRY時，芯片停止接收數(shù)據(jù)包。

4．3 網(wǎng)絡協(xié)議棧的實現(xiàn)

基于TCP/IP協(xié)議可以實現(xiàn)多種功能，本文主要討論HTTP協(xié)議，也就是Web服務在應用層的主要構成協(xié)議。由于TCP/IP協(xié)議棧本身是一種層式結構，所以在協(xié)議棧的設計上采用模塊化思想，逐層實現(xiàn)，然后通過對各層接口函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)完整的協(xié)議棧。實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的大致流程如圖4所示。

要想將嵌入式系統(tǒng)作為一個終端并用TCP/IP連接起來，就必須設定IP地址、網(wǎng)關和子網(wǎng)掩碼等信息。為了增強系統(tǒng)的靈活性，需要一種自動配置能力，即系統(tǒng)自動從中心服務器獲得IP地址等信息。實現(xiàn)這一功能的標準方法是通過主機動態(tài)配置協(xié)議（DHCP）。DHCP是基于UDP層之上的應用，采用端口68和67以廣播的形式進行通訊，它的工作主要包括探查、賦予、請求、確認等操作。

HTTP協(xié)議選擇定義請求-應答機制獲得Web服務器上的文件。當用戶訪問Web服務器中的網(wǎng)頁時，一個HTTP請求就會以多行字符串的形式從瀏覽器發(fā)送到Web服務器，第一行指定一個方法GET，后面跟著一串參數(shù)。服務器對客戶端的應答需包含HTTP報文頭，如果請求成功，還包括文檔本身，這些信息沿TCP連接發(fā)送，直至傳送完成斷開連接。含量少量信息的報文頭包含成功或失敗狀態(tài)及傳輸文檔的內(nèi)容類型（文本、HTML、GIF圖形等）。所有連接的相關信息如IP地址、客啟端口號、序列號、應答號及TCP狀態(tài)等被放入一個結構體，結構體的每個元素均可看作一個連接狀態(tài)。服務器進程關閉連接表示本次響應結束。網(wǎng)頁信息以HTML文本格式存儲于EEROM中，Web服務器創(chuàng)建局部變理以匹配文檔中的特殊字符，這些信息通過HTTP協(xié)議沿TCP連接發(fā)送到瀏覽器，服務器在應答文檔中碰到合適的字符，就替換一個變量值，實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁。

為了在服務器和客房端之間傳遞HTTP請求和應答信息，需要一個可靠的通信信道，這由傳輸控制協(xié)議TCP提供。TCP提供一種面向連接的可靠的數(shù)據(jù)流服務，它的主要任務是創(chuàng)建進程到進程的通信。數(shù)據(jù)傳輸分三個階段進行：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)、斷開連接，實現(xiàn)起來相對復雜。由于嵌入式系統(tǒng)是服務器端，總是對客戶的連接請求給予響應，從不主動發(fā)起連接請求，因此只要在保證嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)CP分組進行正確響應的前提下，就可以對TCP協(xié)議進行大幅度簡化。嵌入式系統(tǒng)總是響應客戶連接，始終是被動地打開連接，所以只需為建立連接過程中的嵌入式系統(tǒng)提供LISTEN、SYN_RCVD兩種狀態(tài)即可。雖然比標準狀態(tài)變遷圖中缺少了CLOSED、SYN_SENT狀態(tài)，但LISTEN、SYN_RCVD足以描述系統(tǒng)建立連接時的狀態(tài)。當系統(tǒng)在傳最后一個數(shù)據(jù)包時，設置FIN，要求終止當前連接。連接主動關閉和同時關閉兩種情況都是可能發(fā)生的，因此只需為系統(tǒng)提供主動關閉和同時關閉涉及到的狀態(tài)即可。

為了在主機之間傳遞TCP段，需要實現(xiàn)IP協(xié)議。IP協(xié)議的實現(xiàn)比較復雜，但是從實現(xiàn)Web服務器這一特定的要求出發(fā)，主要需要把握如下兩點設計思想：第一，對接收到的IP數(shù)據(jù)報進行處理，向上層協(xié)議進行提交；第二；負責對TCP報文、ICMP報文進行封裝，交給數(shù)據(jù)鏈路層進行裝幀。實際上這是IP協(xié)議最基本的功能，也是Web服務器在網(wǎng)絡層必需的功能。ICMP協(xié)議負責傳遞差錯報文及其它需要注意的信息，Ping利用ICMP協(xié)議的回響功能實現(xiàn)主機/服務器是否有應答的測試。Ping的實現(xiàn)主要由ping請求、ping應答和回顯操作三個函數(shù)完成。

由于采用以太網(wǎng)的接入方式，因此系統(tǒng)必須實現(xiàn)IEEE802.3標準，主要由RTL8019AS完成，為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的通信，還需要實現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議的本質(zhì)就是完成網(wǎng)絡地址到物理地址的映射，從而保證網(wǎng)絡的正確傳輸。整個ARP處理過程由ARP請求、ARP應答、ARP處理三個函數(shù)實現(xiàn)，ARP處理函數(shù)建立了ARP緩存表。

本文介紹的嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)采用IE瀏覽器作為客戶端界面，支持RS232和以太網(wǎng)的連接，可以通過以太網(wǎng)接入Internet，進而實現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設備。在實際應用中，如果I/O口連接了其它硬件設備，只需對變量的處理函數(shù)做相應改動，就可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)內(nèi)部嵌入uC/OS-II操作系統(tǒng)，使用靈活，可通過編程增加需要的功能。采用DHCP動態(tài)獲得IP地址等信息，增強了系統(tǒng)的靈活性。本方案所實現(xiàn)的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、可視化、與平臺無關等特點，可以廣泛應用在工業(yè)控制領域，有很高的實用價值。

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