Internet网的嵌入式系统设计

日期 2000-4-23

作者国家电力公司电力自动化研究院梁合庆

内容网络将从服务为主转向应用

网络的兴建起源于资源共享，如巨型存储器的共享、高速行式打印机及数据库等的共享。网络是服务性质的，因而就其体系结构而言为服务器/客户机结构。

网络从局域网发展到广域网，再到异种、异构网络相联的网际网。Internet网就是最大的全球性的网际网。网上传输的是数据流、声音流和视像流，统称之为信息。信息在传输过程中的各个层次上需要遵循与之相应的协议。为了压缩Internet网上信息的流量，规定向网上提交的信息使用HTML超文本标记化格式，网上任何一处的接收者，使用任何一种HTML浏览器，都可以在网页上看到、听到或以其它形态体现信息的存在。换句话说，在Internet网上，由Web服务器发布的信息，任何一台客户机，用任一种Web浏览器，都可以在网页读出信息。

后PC机时代爆出了网上信息产品（Information Appliances，也称信息电器），如: Web个人数字助理（PDA），Web可视电话、移动电话的GPS或W-CDMA产品、TV顶视盒、电视会议机、数码相机等嵌入式设备，它们都要求与Internet联网，应该已经嵌入了挂网所需的硬件和软件。

Internet网和无线骨干网技术的飞速进展，使得基于分组交换技术的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，网络应用的可靠性应是可以信赖的。过去大量的浩如烟海的8/16位单片机的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等的实时应用，已经到了享受网络方便的时候了。它们将成为Internet网的发展沃土，顺应“网络服务”向“网络应用”扩展的大潮。

小设备挂到Internet网上有何意义？

将众多小设备挂到Internet网上有什么伟大和深远意义呢？过去通过专用通信线在远方采集现场设备的数据进行远方显示和控制也并不是没有，仅只是通信介质要专用的，通信协议要自己写，配套的软件和硬件要自己设计。

今天，嵌入式设备的远方显示和控制只要能上网，就基本上迎刃而解了，而且水平很高。

·不需要专用的通信线路，现成的全球网任你隔山跨海传到天涯海角；

·速度之快足令你目瞪口呆；

·过去传的仅仅是数据信号，现在连音响图像都不在话下；

·协议是现成而公开的，任何一种Web浏览器都可以照读不误，大到10Mbyte的完备桌面浏览器，小到600kbyte的Mosaic浏览器，也无论是Microsoft的浏览器还是Netscape浏览器都行；

·信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图象、表格或语音，实时数据会自动更新，设备的操作会有及时可见乃至可闻的反馈；

·传一次信息，所有想收到的用户机都可以按照各自的需要给予显现和操作，如运行人员可以监视与控制、管理人员可以修改运行方式和执行重大决策、财务和金融部门进行经济运作和收支交割等。

嵌入式设备如何接入Internet网

原则上讲，嵌入式设备只要转变为Web服务器，再加上TCP/IP网络协议就可以上Internet网。原则是一个，具体实现的技术有多种样。下面介绍一些已经实现的方案，以窥一般。

高档MPU片上系统

Osicom公司研发了NET+ARM的系统级芯片(SOC)要算是最正统的方案了。它是使用RISC技术的40MIPS的ARM7微脑核（micrcore），加上以太网(Ethernet)；使用下列网络协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、RARP（反向地址转换协议）、ICMP（网际控制报文协议）；还有下列关于Internet网的高层软件协议：HTTP（超文本传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、FTP（文件传输协议）；再包括pSOS RTOS（实时操作系统，Integrated System公司的操作系统)等组成的SOC。

举例来说，上述SOC嵌入一台打印机就可以上网成为网上打印机，使Internet网上的任何一个客户机都可以用各自的浏览器在网页上使用、监视和控制这台打印机。

32/64位的嵌入式系统

它有足够的能力和资源按上述SOC一样的思路，在操作系统和函数的支持下毫不费力地实现。

8/16位的嵌入式系统

实现的原则与上述并无不同，只是应当照顾到8/16位系统速度不够快和内存不够大，要想一些办法实现简化和保持最基本的东西，即嵌入式设备一定要转变为Web服务器，一定要加上TCP/IP网络协议。

Phar Lap公司

Phar Lap公司把能独立的智能部分和网络部分尽可能地移出嵌入式设备，如有些预定义的数据转移到胖客户机上，使用时用嵌入式设备通过远程调用那里的DLL来访问；TCP/IP协议是Internet网上传输数据所必需的，为此要提供最低要求的TCP/IP堆栈和最精简的TCP/IP协议。经过对代码的高度优化，将Web服务器尽可能地做到最小。Phar Lap最后做出的MicroWeb服务器是25kbyte，加上网络协议不足300kbyte。程序短小就意味着快速，用ASIC实现意味着硅片面积减小，因此价廉。

Agranat Systems公司

Agranat System公司在嵌入式设备上创建了具有自己特色的EmWeb服务器。在HTML文本中嵌入C语言程序对实时数据进行访问；为HTML增加了特殊标记,使Web页上的动态数据与系统软件相接口；再把C语言库中的TCP/IP协议和其它重要的Internet高层软件标准（如HTML、XML、RVSA、TCN等）合并到EmWeb服务器中去。所以，EmWeb服务器名之为服务器，实含网络协议，功能上是二合一的。

EmWeb服务器内部采取了许多独到的措施，整体容量缩小到25kbyte以下，然而性能还有很大地提得高。譬如它内置了状态机，支持HTML的同时性多请求、图形元件的多接口和多用户同时请求。因为它独立于操作系统，不需要多任务或多线程的支持。尽管如此，EmWeb还是为了客户应用的方便提供了与著名工业级RTOS的接口，譬如与VxWork, pSOS, Chorus, Nucleus等的接口。

EmWeb在开发时使用了复合功能的开发平台。在平台上可选用标准Web工具，如Microsoft的FrontPage，MacroMedia的Dreamweaver等；平台还同时支持C、Java、JavaScript的编译和GIF、HTML等文件格式。人机对话可用Windows或UNIX图形界面。因为功夫下得较多，所以希望把EmWeb固化于ASIC，推广应用于家庭和工业自动化中去。

emWare公司

emWare公司面对8/16位的单片机的现实，另辟蹊径。本端的服务器部分刻意地简化到仅仅保留HTML的标记，其它的服务器部分全部移到客户机一侧；网络协议部分则放弃使用代码较长的TCP/IP协议而换用十分轻型的网络协议，从而将设备端的名曰emMicro减少到很小的1kbyte字节。而且emMicro有两部分：emTag对应于HTML标记，emNet对应于网络协议，也是功能二合一的。轻型的（light weight）网络协议可以支持在本端构筑小网。如果不与Internet网相联便是孤立网；为要和Internet网进行网际联结，则须增加网关，实行异种网络协议的互换。网关可以单独设置，或结合具体条件与胖型客户机相结合，或是其它。这个网关名之曰emGateway。

emGateway的Internet端留有与挂网的Web设备相对话的接口。接口的典型使用方法是用网页，因网页可以在任一种浏览器下工作，灵活适应于全球网各个地域的多样环境。接口也可根据需要用于用户的应用程序中。emMicro中的emTag将相应的HTML标记映射到Internet侧浏览器或网关中Java applets里的对象或JPEG/GIF对象，这些对象名之曰emObjects。HTML网页能识别emTag并置换成映射的对象，以数字、图形、文本或滑动控制把手、操作开关、按钮、LED等形式表现出来。网关上还可安装名之曰DAS（Device Access Service）的设备访问服务实用程序。由它识别、访问和监控各个挂网的Web设备，起集散器的作用。上述一整套技术被名之曰嵌入式微Internet技术EMIT(Embedded Micro Internet Technology)。

新的进展

前面说到的都是使用浏览器以网页为界面，从Internet端对挂网的Web设备进行访问、控制和显示的。能不能不用浏览器，有更直接的方法呢？受Phar Lap公司MicroWeb服务器的启发，用生成JavaScript更直接的方法Java的方法将其它系统或设备的数据嵌入于自己的程序予以处理和运行，条件是在其它系统或设备中应存在有JavaScript的解释程序就行。另外，从MicroWeb传出的用逗号分隔的数据文本可能被直接装入如Microsoft Excel等的标准应用程序中,方便地用电子表格的形式进行图形化的分析处理。

崭露头角的XML扩充标记语言格式（Extensible Markup Language），有更加灵活的应用空间。它将是Internet网上的数据传送和格式化信息方法的一次重大地改革。XML为信息的提交方式规定了高级标准，它既是一种语言又是一组规范化的数据应用规则，不同类型的终端设备能按自己理解的需要，从同一次格式信息中提取数据，进行各自的处理和使用。其实HTML格式原是SGML标准通用化标记语言格式(Standard General Markup Language)的一个子集。标记语言是在超文本之中，包含有文字性的标记，用以定义文档的布局等以便使用者解释使用。因为SGML标记的项目太多，需要复杂的解释程序，同时又不支持页张式的文档式样，所以Web使用时，只选用了SGML关于文档标题、列表和超文本链接等部分，又另添加了页张式的文档风格，发展成为HTML格式。至于XML格式则介呼其间，既保留了页张的文档风格，又使格式极大地偏向于数据的自动化应用、适于大量重用与多用。XML有两方面的扩充，即文档风格的可扩充XSL(Extensible Style Language)和超文本链接的可扩充XLL ( Extensible Linking Language )。“服务网络”向“应用网络”挺进，XML将起极大地促进作用，很值得我们的关注。