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一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器

时间:2022-08-06 13:22:05 电子通信论文 我要投稿
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一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器

摘要:针对某些单MCU结构的嵌入式Internet服务器性能价格比低且灵活性差的问题,提出了一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器(DMCUEIAS)。它使嵌入式Internet的用户交互和设备控制分离,用户通过Internet不仅可以监视和控制现场设备,而且利用RAC可以将任务下载到现场;解决了低端单MCU处理能力低高端MCU成本高的矛盾,并能够灵活地实现现场控制程序的功能扩展和升级。
  关键词:双MCU结构嵌入式InternetRAC嵌入式TCP/IP协议栈
  
  嵌入式Internet[1]是指借助于Internet监视和控制工厂的机器、通信设备、数据采集系统、过程控制系统、医疗设备、机顶盒、车辆控制器、办公机械、个人数字助理(PDA)和其它设备。随着Internet/Intranet的迅猛发展,将Internet延伸到8位、16位、32位单片机,实现基于Internet的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件、自动发送EMALL等功能已经成为嵌入式系统发展的必然趋势。就嵌入式Internet系统而言,实现Internet通信协议及其服务,同时还要控制现场设备将占用大量资源,而嵌入式Internet系统中大量存在的是8位和16位MCU,这些系统在某些环境下实现上述功能将十分困难[2]。如果采用32位或64位的处理器,无疑会增加成本。为此,本文提出了一种双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器DMCUEIAS。其中一个MCU作为Internet服务器与用户交互(称作InetMCU),它支持TCP/IP协议栈并运行Internet服务程序,形成一个用户可以通过浏览器进行交互的服务器;另一个MCU专门用作设备服务器(称作DevMCU)控制多个设备。InetMCU和DevMCU通过RAC协议实现通信,完成现场设备的控制。这样可以提高性能价格比,具有操作简便、功能易扩展等特点。
  
  1硬件结构
  
  双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器DMCUEIAS采用ATMEL公司生产的AT90S8515微控制器作为InetMCU,采用AT89S53作为DevMCU,系统体系结构如图1。其中,DevMCU拥有12K字节的Flash程序存储器,256字节的片内RAM,3个可预分频的16位定时储器,256字节的片内RAM,3个可预分频的16位定时器、计数器,32位I/O口和一个内置的全双工UART;InetMCU拥有8K字节的Flash程序存储器,512字节的片内EEPROM,512字节的片内RAM,1个可预分频的8位定时器、计数器,1个可预分频、具有比较、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定时器和计数器,用于程序下载的SPI口,32位I/O和一个内置的全双工UART。InetMCU的时钟频率是8MHz,可以高速地通过ISA口传递数据(约2Mbps)。通过一个时钟周期内执行一条指令,InetMCU可以取得近1MIPS/MHz的性能。通过在单一芯片内将一个增强性的8位RISCCPU与可下载的Flash结合,使它非常适合多种嵌入式应用要求,具有高度灵活性和低成本的特点。DMCUEISA的以太网控制器采用台湾Realtek公司的RTL8019AS(10Mbps)。其采用全双工通信方式,使帧的发送与接收能够在一条通信线路上同时进行。使信道的带宽增加一倍,实现了基于IEEE802.3协议标准的MAC层(MediaAccessControlLayer)的所有功能。内置的双DMA通道FIFO完成简单有效的包管理(数据帧的接收和发送)功能,本地DMA通道的传输速率高达10Mbps。其优越的性能价格比使它非常适合嵌入式Internet系统。
  
  在InetMCU的片内Flash中固化的服务程序可以现任务调度、线程支持、文件系统、内存管理、网络系统(TCP/IP)和I/O管理等。通过20位(8位A口,8位C口,D口的PD0、PD1、PD2、PD7)I/O口连接到廉价的ISA总线的网卡芯片RTL8019AS卡,能够对外(如Internet上的用户)提供一种通过以太网接口访问嵌入式系统的方法。InetMCU的片内EEPROM存储授权的用户名、密码和其固定的IP地址及MAC地址。远程用户访问DMCUEIAS时,要比较用户名密码,只有合法用户可以通过Internet访问DMCUEIAS。InetMCU的片内RAM存储临时数据,同时外扩了32K字节的SEEPROM。它采用AT24C256存储不同的控制网页,完成必要的文件系统功能,通过WEB页可以实现远程用户与DMCUEIAS的交互。InetMCU用12位(8位B口作为数据口,D口的PD3、PD4、PD5、PD6作为控制口)I/O完成与DevMCU的通信。DevMCU的片内Flash已经固化DCX51嵌入式实时操作系统、通信服务和远程存取控制服务(RAC),负责现场设备的控制。DevMCU的另外16位(8位A口,8位C口作为数据)I/O口与ISP相连,完成必要的逻辑功能,最后由ISP的IO56~IO63(8位)通过功率驱动直接驱动设备。
  
  2软件体系结构
  
  2.1TCP/IP协议
  
  由于系统的资源有限,要求实现协议时应从具体需求着眼,而不是以实现完整的协议为主要目的。DMCUEIAS要求能够提供WWW服务,并选择以太网为其运行的网络环境。这样用户可以利用浏览器通过HTTP协议浏览事先下载到InetMCU的SEEPROM中的控制网页,通过该网页传递控制命令到InetMCU。客户端发来的数据以HTTP协议标准发到DMCUEIAS。这是因为HTTP协议是国际标准,它被所有浏览器支持,能保证用户可以通过任何地方的浏览器下达命令。HTTP协议建立在TCP协议的基础上。建立连接时经过三次握手,每次传输数据都要求服务器给予确认;如无确认,则重发,保证从客户端到InetMCU的数据正确、无整。
  
  软件部分要实现的协议[3]至少是:应用层上负责Web页面请求和应答的HTTP协议;位于传输层上保证数据进行可靠传输的TCP协议[4],在数据传输时采用带重传机制的停-等协议,有效保证数据的传输;位于网络层上进行数据传输的IP协议;IP[5]是TCP/IP协议族中最为核心的协议,它对收到的IP数据报进行分用,提交TCP或ICMP协议处理,对TCP或ICMP[6]报文进行IP封装,交数据链路层装帧发送是IP协议负责的主要任务,因此对这两个功能也要进行实现;实现32位IP地址到48位网卡地址转换的ARP协议,完全可以满足网络上主机对InetMCU的IP地址进行解析的需求;实现网卡的驱动程序。Ping这一常用的网络诊断工具也应该被提供,所以与Ping相应的ICMP协议应该予以实现。
  
  2.2DCX嵌入式实时操作系统
  
  DMCUEIAS基于实时多任务操作系统“&”,这是一段在DMCUEIAS启动后首先执行的后台程序。用户的应用程序是运行于RTOS上的各个任务,RTOS[8]根据各个任务时要求,进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS[9]支持的DMCUEIAS系统中,每个任务均有一个优先级。DMCUEIAS根据各个任务的优先级,动态切换各个任务,保证实时性的要求。
  
  DCX(DistributedControlExecutive)嵌入式实时操作系统[10]相当于实时操作系统的核,本文讨论的DMCUEIAS支持8位的DCX51。DCX51执行程序已固化在DevMCU中,为BITBUS网络上的节点提供多任务能力,并且控制DevMCU和InetMCU之间的通信。DCX51操作系统提供中断处理,能实时地响应外事件发出的中断服务请求、任务间的通讯、任务的同步,内部存储器管理对应用程序代码段和数据区以不同方式管理;定时服务以及其于优先级的抢占式任务调度方法。新建任务如果优先级最高,可立即运行,否则处于就绪状态。就绪队列中的任务按优先级顺序排列,下一次运行的总是就绪阶列中优先级最高的任务,同优先级的任务则按就绪时间顺序排列是。DCX支持多任务,0号任务RAC是系统任务,它管理目标机与上位机通信。含有DCX51的DevMCU作为主控芯片安装到目标机上,分布到工业现场中控制设备。对于每部分功能,DCX都提供系统调用,这些调用就是用户任务与DCX的接口。这些服务综合在一起就实现一个实时系统。这样在DMCUEIAS中,用户主要完成控制外部设备的各个程序模块。
  
  2.3RAC任务
  
  任务是一个可调度的执行单元,它由执行代码和只能由该任务存取的私有数据组成。RAC(RemoteAccessControl)任务,即远程存取和控制,专门负责远程任务的接收和发送。当信息发送到另一节点时,DCX51执行程序发送信息到RAC任务(即任务0)。RAC任务内含通信服务,它已经随同DCX51操作系统一道固化到DevMCU,通过DCX51,可以实现InetMCU与DevMCU的通信。它有两种类型的服务:数据存取和任务控制。数据存取类的服务可以对DevMCU不同的存储器段或I/O空间进行数据的读或写。任务控制类的服务可以下载一个任务的目标代码到DevMCU,建立或删除在DevMCU的一个任务。传到InetMCU的数据通过RAC任务从InetMCU传到DevMCU,再由DevMCU完成远端设备的控制和访问。
  
  RAC任务的信息格式如表1。其中,Link是系统用于保存信息表的两字节的参数;Messagelength是RAC命令或回答的字节数。MT(Message-type):指定信息类型的一位;SE(src-ext)表示产生信息的任务是否在扩展节点上;DE(dest-ext):表示接收命令信息的任务驻留在扩展节点上,还是在一个设备上;Nodeaddress:只能通过PC系统接口进行传递的信息参数是0xff,当信息从同一节点的一个任务传递到另一个任务时,参数是"0";Sourcetask:是源节点发送任务的任务ID(0~7);Destinationtask:是目的任务的任务标识符;Command/respond:包含选择规定的RAC任务的参数(不同服务其值也不同),RAC任务的响应信息包含了指示服务结果的状态代码;data:数据,对不同RAC服务而不同。
  
  表1RAC信息格式
  
  Link(高字节)Link(低字节)MessageLengthMTSEDE00000NodeaddressSourcetaskDestinationtaskCommand/responddata
  2.3.1RAC任务控制类
  
  任务控制类允许用户在远程节点上使用适当的DCX51系统调用,或者控制远程节点自身。在DMCUEIAS中用户可以把指定的任务文件(必须是十六进制格式,如.hex)通过Internet下载到InetMCU里,然后通过下载后,客户端还要发create命令激活下载的文件数据,通过RAC任务create服务把命令传到DevMCU,完成新任务的建立,实现控制设备。
  
  用户还可以控制其它服务如deletetask(删除特定的任务,并禁止所有与该任务有关的中断)、resetdevice(全部任务初始化),为此用户必须知道当前运行的任务号。这需用户事前发getfunctionids命令,DevMCU通过RAC任务的getfunctionids服务把ID号传给InetMCU,并通过Internet返回到客户端,用户可对任务进行不同的操作(如删除等)。
  
  2.3.2RAC数据存取类
  
  数据存取类使用户可以对不同的存储段或I/O空间进行数据的读写。在DMCUEIAS中,客户端可以通过对DevMCU的I/O空间进行数据读写来控制设备,完成数据的写(客户端传来的数据直接控制设备状态)、读(把设备的状态通过网络传给客户端)。
  
  RAC任务写服务:写数据到DevMCU的I/O口中。客户端从Internet传来的设备状态码从InetMCU写到DevMCU,完成对设备的控制。
  
  RAC任务读服务:把DevMCU的I/O口内容进行读和显示。当前设备的状态(用一字节8位表示,即可同时控制8个设备)从DevMCU传到InetMCU,然后通过Internet返回到远端的客户端,用户就可知道设备的状态。
  
  3实验结果
  
  本文的实验环境是:通过计算机的RS-232串口把编好的服务程序(采用汇编语言,这样可减少程序代码量,并提高执行效率)固化到InetMCU的Flash存储器里,实现较完整的服务器功能,如任务调度、线程的支持、文件系统、内存管理、网络系统(TCP/IP)和I/O管理。断开程序下载线,双MCU结构的嵌入式Internet接入服务器(DMCUEIAS)和运行客户端程序的PC机只通过网线连接。了演示实验结果,把8个设备用8个指示灯代替,对指示灯的控制通过二进制0(灯灭)、1(灯亮)实现,即指示灯只有两个状态,完成客户远端控制和读取指示灯的状态。这个实验环境是对用户通过Internet远端控制设备的模拟。
  
  验证RAC任务控制类:首先下载文件fd.hex,它控制指示灯,使8个小灯按序接连亮,然后灭,下一个亮,到最后一个灯,再从第1个灯开始,重复循环……然后用户发create命令,激活任务,实现实验目的。在这里共有4个任务,所有用户发的getfunctionids只有ID0、ID1、ID2、ID3返回,它们分别完成不同的功能。任务0即RAC任务,完成InetMCU与DevMCU的通信。客户端可以分别控制这4个任务,对不同任务进行不处理(如删除等)。验证RAC数据存取类:用户发“写”0xff命令,则8个灯全亮(8位,每位控制1个灯);用户发“读”命令,则从DevMCU返回0xff,指示灯状态是全亮。
  
  但为使MCU与非标准设备有统一的接口,而不用提供专门的接口是下一步研究的方向。
  
  
  
  

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