Internet網的嵌入式系統設計
| 日期 | 2000-4-23 |
| 作者 | 國家電力公司電力自動化研究院 梁合慶 |
| 內容 | 網絡將從服務爲主轉向應用 網絡的興建起源於資源共享，如巨型存儲器的共享、高速行式打印機及數據庫等的共享。網絡是服務性質的，因而就其體系結構而言爲服務器/客戶機結構。 網絡從局域網發展到廣域網，再到異種、異構網絡相聯的網際網。Internet網就是最大的全球性的網際網。網上傳輸的是數據流、聲音流和視像流，統稱之爲信息。信息在傳輸過程中的各個層次上需要遵循與之相應的協議。爲了壓縮Internet網上信息的流量，規定向網上提交的信息使用HTML超文本標記化格式，網上任何一處的接收者，使用任何一種HTML瀏覽器，都可以在網頁上看到、聽到或以其它形態體現信息的存在。換句話說，在Internet網上，由Web服務器發佈的信息，任何一臺客戶機，用任一種Web瀏覽器，都可以在網頁讀出信息。 後PC機時代爆出了網上信息產品（Information Appliances，也稱信息電器），如: Web個人數字助理（PDA），Web可視電話、移動電話的GPS或W-CDMA產品、TV頂視盒、電視會議機、數碼相機等嵌入式設備，它們都要求與Internet聯網，應該已經嵌入了掛網所需的硬件和軟件。 Internet網和無線骨幹網技術的飛速進展，使得基於分組交換技術的通信性能、質量和可靠性得到穩步提高，網絡應用的可靠性應是可以信賴的。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機的嵌入式設備，如儀器儀表、數據採集和顯示、過程控制、工業自動化、家庭自動化等的實時應用，已經到了享受網絡方便的時候了。它們將成爲Internet網的發展沃土，順應“網絡服務”向“網絡應用”擴展的大潮。 小設備掛到Internet網上有何意義？ 將衆多小設備掛到Internet網上有什麼偉大和深遠意義呢？過去通過專用通信線在遠方採集現場設備的數據進行遠方顯示和控制也並不是沒有，僅只是通信介質要專用的，通信協議要自己寫，配套的軟件和硬件要自己設計。 今天，嵌入式設備的遠方顯示和控制只要能上網，就基本上迎刃而解了，而且水平很高。 ·不需要專用的通信線路，現成的全球網任你隔山跨海傳到天涯海角； ·速度之快足令你目瞪口呆； ·過去傳的僅僅是數據信號，現在連音響圖像都不在話下； ·協議是現成而公開的，任何一種Web瀏覽器都可以照讀不誤，大到10Mbyte的完備桌面瀏覽器，小到600kbyte的Mosaic瀏覽器，也無論是Microsoft的瀏覽器還是Netscape瀏覽器都行； ·信息直接反映在色彩豐富的網頁上，形式可以是數據、文字、圖象、表格或語音，實時數據會自動更新，設備的操作會有及時可見乃至可聞的反饋； ·傳一次信息，所有想收到的用戶機都可以按照各自的需要給予顯現和操作，如運行人員可以監視與控制、管理人員可以修改運行方式和執行重大決策、財務和金融部門進行經濟運作和收支交割等。 嵌入式設備如何接入Internet網 原則上講，嵌入式設備只要轉變爲Web服務器，再加上TCP/IP網絡協議就可以上Internet網。原則是一個，具體實現的技術有多種樣。下面介紹一些已經實現的方案，以窺一般。 高檔MPU片上系統 Osicom公司研發了NET+ARM的系統級芯片(SOC)要算是最正統的方案了。它是使用RISC技術的40MIPS的ARM7微腦核（micrcore），加上以太網(Ethernet)；使用下列網絡協議：TCP（傳輸控制協議）、UDP（用戶數據報協議）、RARP（反向地址轉換協議）、ICMP（網際控制報文協議）；還有下列關於Internet網的高層軟件協議：HTTP（超文本傳輸協議）、SMTP（簡單郵件傳輸協議）、FTP（文件傳輸協議）；再包括pSOS RTOS（實時操作系統，Integrated System公司的操作系統)等組成的SOC。 舉例來說，上述SOC嵌入一臺打印機就可以上網成爲網上打印機，使Internet網上的任何一個客戶機都可以用各自的瀏覽器在網頁上使用、監視和控制這臺打印機。 32/64位的嵌入式系統 它有足夠的能力和資源按上述SOC一樣的思路，在操作系統和函數的支持下毫不費力地實現。 8/16位的嵌入式系統 實現的原則與上述並無不同，只是應當照顧到8/16位系統速度不夠快和內存不夠大，要想一些辦法實現簡化和保持最基本的東西，即嵌入式設備一定要轉變爲Web服務器，一定要加上TCP/IP網絡協議。 Phar Lap公司 Phar Lap公司把能獨立的智能部分和網絡部分儘可能地移出嵌入式設備，如有些預定義的數據轉移到胖客戶機上，使用時用嵌入式設備通過遠程調用那裏的DLL來訪問；TCP/IP協議是Internet網上傳輸數據所必需的，爲此要提供最低要求的TCP/IP堆棧和最精簡的TCP/IP協議。經過對代碼的高度優化，將Web服務器儘可能地做到最小。Phar Lap最後做出的MicroWeb服務器是25kbyte，加上網絡協議不足300kbyte。程序短小就意味着快速，用ASIC實現意味着硅片面積減小，因此價廉。 Agranat Systems公司 Agranat System公司在嵌入式設備上創建了具有自己特色的EmWeb服務器。在HTML文本中嵌入C語言程序對實時數據進行訪問；爲HTML增加了特殊標記,使Web頁上的動態數據與系統軟件相接口；再把C語言庫中的TCP/IP協議和其它重要的Internet高層軟件標準（如HTML、XML、RVSA、TCN等）合併到EmWeb服務器中去。所以，EmWeb服務器名之爲服務器，實含網絡協議，功能上是二合一的。 EmWeb服務器內部採取了許多獨到的措施，整體容量縮小到25kbyte以下，然而性能還有很大地提得高。譬如它內置了狀態機，支持HTML的同時性多請求、圖形元件的多接口和多用戶同時請求。因爲它獨立於操作系統，不需要多任務或多線程的支持。儘管如此，EmWeb還是爲了客戶應用的方便提供了與著名工業級RTOS的接口，譬如與VxWork, pSOS, Chorus, Nucleus等的接口。 EmWeb在開發時使用了複合功能的開發平臺。在平臺上可選用標準Web工具，如Microsoft的FrontPage，MacroMedia的Dreamweaver等；平臺還同時支持C、Java、JavaScript的編譯和GIF、HTML等文件格式。人機對話可用Windows或UNIX圖形界面。因爲功夫下得較多，所以希望把EmWeb固化於ASIC，推廣應用於家庭和工業自動化中去。 emWare公司 emWare公司面對8/16位的單片機的現實，另闢蹊徑。本端的服務器部分刻意地簡化到僅僅保留HTML的標記，其它的服務器部分全部移到客戶機一側；網絡協議部分則放棄使用代碼較長的TCP/IP協議而換用十分輕型的網絡協議，從而將設備端的名曰emMicro減少到很小的1kbyte字節。而且emMicro有兩部分：emTag對應於HTML標記，emNet對應於網絡協議，也是功能二合一的。輕型的（light weight）網絡協議可以支持在本端構築小網。如果不與Internet網相聯便是孤立網；爲要和Internet網進行網際聯結，則須增加網關，實行異種網絡協議的互換。網關可以單獨設置，或結合具體條件與胖型客戶機相結合，或是其它。這個網關名之曰emGateway。 emGateway的Internet端留有與掛網的Web設備相對話的接口。接口的典型使用方法是用網頁，因網頁可以在任一種瀏覽器下工作，靈活適應於全球網各個地域的多樣環境。接口也可根據需要用於用戶的應用程序中。emMicro中的emTag將相應的HTML標記映射到Internet側瀏覽器或網關中Java applets裏的對象或JPEG/GIF對象，這些對象名之曰emObjects。HTML網頁能識別emTag並置換成映射的對象，以數字、圖形、文本或滑動控制把手、操作開關、按鈕、LED等形式表現出來。網關上還可安裝名之曰DAS（Device Access Service）的設備訪問服務實用程序。由它識別、訪問和監控各個掛網的Web設備，起集散器的作用。上述一整套技術被名之曰嵌入式微Internet技術EMIT(Embedded Micro Internet Technology)。 新的進展 前面說到的都是使用瀏覽器以網頁爲界面，從Internet端對掛網的Web設備進行訪問、控制和顯示的。能不能不用瀏覽器，有更直接的方法呢？受Phar Lap公司MicroWeb服務器的啓發，用生成JavaScript更直接的方法Java的方法將其它系統或設備的數據嵌入於自己的程序予以處理和運行，條件是在其它系統或設備中應存在有JavaScript的解釋程序就行。另外，從MicroWeb傳出的用逗號分隔的數據文本可能被直接裝入如Microsoft Excel等的標準應用程序中,方便地用電子表格的形式進行圖形化的分析處理。 嶄露頭角的XML擴充標記語言格式（Extensible Markup Language），有更加靈活的應用空間。它將是Internet網上的數據傳送和格式化信息方法的一次重大地改革。XML爲信息的提交方式規定了高級標準，它既是一種語言又是一組規範化的數據應用規則，不同類型的終端設備能按自己理解的需要，從同一次格式信息中提取數據，進行各自的處理和使用。其實HTML格式原是SGML標準通用化標記語言格式(Standard General Markup Language)的一個子集。標記語言是在超文本之中，包含有文字性的標記，用以定義文檔的佈局等以便使用者解釋使用。因爲SGML標記的項目太多，需要複雜的解釋程序，同時又不支持頁張式的文檔式樣，所以Web使用時，只選用了SGML關於文檔標題、列表和超文本鏈接等部分，又另添加了頁張式的文檔風格，發展成爲HTML格式。至於XML格式則介呼其間，既保留了頁張的文檔風格，又使格式極大地偏向於數據的自動化應用、適於大量重用與多用。XML有兩方面的擴充，即文檔風格的可擴充XSL(Extensible Style Language)和超文本鏈接的可擴充XLL ( Extensible Linking Language )。“服務網絡”向“應用網絡”挺進，XML將起極大地促進作用，很值得我們的關注。 |