[科普中国]-嵌入式以太网

概念

为了适应嵌入式分布处理和系统上网需求，嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口，即嵌入式应用中需要以太网技术。以太网技术应用到嵌入式场合需要考虑多方面的因素：以太网需要TCP/IP协议支持，而传统TCP/IP协议在数据传送的可靠性以及数据流量的控制上做的很好，但实时性方面做的不够好；另外传统TCP/IP的实现过于复杂，需占用大量系统资源。而嵌入式领域的应用一般实时性要求较高，因此传统TCP/IP协议不能满足其实时要求；另一方面目前大量存在的是以8位或16位MCU位核心的嵌入式系统，该系统的主要特点是体积小、资源有限，在测控任务之外很难实现传统的TCP/IP协议。

综合以上考虑，在保留传统TCP/IP协议优点的同时，进行一些必要的精简和优化改进，提高传统TCP/IP协议的实时性，尽可能地做到代码精简、存储开销小，从而满足嵌入式应用的要求。这种将以太网技术用于嵌入式系统联网的技术称为嵌入式以太网技术，主要特点是实时性较强、代码精简和灵活性。

嵌入式以太网的实现高档MPU片上系统通过硬件方式实现该系统的网络功能有硬件完成，因此处理速度非常快，另外使用实时操作系统提高了实时性与稳定性，但这套系统的造价从硬件和软件两方面来讲都是相当昂贵的，适用于高端场合。

使用32/64位嵌入式系统实现与上面的实现方式不同的是该方法是在操作系统和函数的支持下，软件实现TCP/IP协议，而没有硬件实现网络功能。这种嵌入式系统一般是在操作系统的支持下实现TCP/IP协议的，其中常用的嵌入式操作系统有：VRTX、NUCLEUS、pSOS、RTXC、VxWork等，这些嵌入式操作系统一般有一下特点：

1、采用C语言编写，软件的移植性强；

2、具有很强的内核，可以保证嵌入式系统的实时性；

3、软件可裁剪性强，由于各种嵌入式应用对系统的要求不尽相同，为了便于用户裁剪出各自应用需要的那部分系统功能，上述的各种嵌入式操作系统都允许用户自行裁剪，以满足的具体设计要求。

4、都是商业内核，源代码不公开。

专用网络MCU典型的代表是8位的SCENIX单片机，其内部通过硬件方式实现网络功能，是一种低端的8/16位系统和高端MPU片上系统的折中，但在海量的小设备需要网络化的前提下，这种方案目前不能广泛使用。

智能网络接口芯片Webchip就是一种独立于各种微控制器的通用标准化产品，工程师使用webchip开发具有网络功能的智能装置时，不要要了解复杂的网络技术，只需增加一小段和webchip通信的接口程序即可。但利用该芯片为系统扩展网络功能时，不方便在原有系统的基础上进行升级，系统需要重新设置。

意义使远距离通信成为可能嵌入式以太网运用到现场之后，可将各个分散的嵌入式设备通过网络互连，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易。这对现代化企业而言尤其意义重大，企业因此不再受地域限制，本地企业的设备可利用以太网技术与异地企业的设备组成制造系统，或彼此监控，这必将对企业的发展产生巨大的推动作用。

便于集中管理和高层监控，并提高决策水平对企业而言，不仅经营管理层需要网络，生产控制层也需要网络化，而且要求这两者间是紧密相连的。嵌入式以太网技术应用到生产控制系统与底层的执行单元中，现场孤立的嵌入式设备、设备工程师以及企业管理人员通过以太网互连形成一个有机的整体，实现了现场设备到管理层的直接通信，使嵌入式设备的控制与维护由过去的封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、合作的新型管理模式转变，并最终实现企业控制、管理信息的无缝集成。管理者可以直接得到生产现场的信息，并据此及时决策，因此明显提高企业的决策水平。

提高生产效益和控制质量，降低成本在实现测控网络和信息网络统一的过程中，尽量使用现存网络无需铺设专用线路，必定大大会见降低硬件的成本，同时由于以太网协议现成、公开、成熟稳定，可针对具体环境自行修改，因此软件开发成本可以降低，相应地可以极大提高生产效益和控制质量。1