嵌入式驱动开发需要学什么

嵌入式驱动开发需要学以下：

一：C语言

嵌入式Linux工程师的学习需要具备一定的C语言基础，C语言是嵌入式领域最重要也是最主要的编程语言，通过大量编程实例重点理解C语言的基础编程以及高级编程知识。包括：基本数据类型、数组、指针、结构体、链表、文件操作、队列、栈等。

二：Linux基础

Linux操作系统的概念、安装方法，详细了解Linux下的目录结构、基本命令、编辑器VI ,编译器GCC，调试器GDB和 Make 项目管理工具, Shell Makefile脚本编写等知识，嵌入式开发环境的搭建。

三：Linux系统编程

重点学习标准I/O库，Linux多任务编程中的多进程和多线程，以及进程间通信(pipe、FIFO、消息队列、共享内存、signal、信号量等)，同步与互斥对共享资源访问控制等重要知识，主要提升对Linux应用开发的理解和代码调试的能力。

四：Linux网络编程

计算机网络在嵌入式Linux系统应用开发过程中使用非常广泛，通过Linux网络发展、TCP/IP协议、socket编程、TCP网络编程、UDP网络编程、Web编程开发等方面入手，全面了解Linux网络应用程序开发。

重点学习网络编程相关API，熟练掌握TCP协议服务器的编程方法和并发服务器的实现，了解HTTP协议及其实现方法，熟悉UDP广播、多播的原理及编程方法，掌握混合C/S架构网络通信系统的设计，熟悉HTML,Javascript等Web编程技术及实现方法。

五：数据结构与算法

数据结构及算法在嵌入式底层驱动、通信协议、及各种引擎开发中会得到大量应用，对其掌握的好坏直接影响程序的效率、简洁及健壮性。

此阶段的学习要重点理解数据结构与算法的基础内容，包括顺序表、链表、队列、栈、树、图、哈希表、各种查找排序算法等应用及其C语言实现过程。

六：C++ 、QT

C++是Linux应用开发主要语言之一，本阶段重点掌握面向对象编程的基本思想以及C++的重要内容。图形界面编程是嵌入式开发中非常重要的一个环节。

由于QT具有跨平台、面向对象、丰富API、支持2D/3D渲染、支持XML、多国语等强大功能，在嵌入式领域的GUI开发中得到了广范的应用，在本阶段通过基于QT图形库的学习使学员可以熟练编写GUI程序，并移植QT应用程序到Cortex-A8平台。

包括IDE使用、QT部件及布局管理器、信息与槽机制的应用、鼠标、键盘及绘图事件处理及文件处理的应用。

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嵌入式Linux系统的设计与应用

摘要：随着嵌入式Linux系统的迅速发展，嵌入式Linux已发展成为嵌入式操作系统的一个重要分支。本文介绍了嵌入式Linux的设计和几种流行的嵌入式Linux系统。

关键词：嵌入式Linux

一、引言

嵌入式系统(Embedded Systems)是根据应用的要求，将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体化的计算机系统。嵌入式系统出现于60年代晚期，它最初被用于控制机电电话交换机，如今已被广泛的应用于工业制造、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多领域。嵌入式系统在数量上远远超过了各种通用计算机系统：计算机系统核心CPU，每年在全球范围内的产量大概在二十亿颗左右，其中超过80％应用于各类专用性很强的嵌入式系统。

一般的说，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。和通用的计算平台相比，嵌入式系统往往具有功能单一、体积小、功耗低、可靠性高、剪裁性好、软硬件集成度高、计算能力相对较低等特点。多年来，嵌入式设备中没有操作系统，其主要原因有二：首先，诸如洗衣机、微波炉、电冰箱这样的设备仅仅需要一道简单的控制程序，以管理数量有限的按钮和指示灯，没有使用操作系统的必要；其次，它往往只具有有限的硬件资源，不足以支持一个操作系统。

然而，随着硬件的发展，嵌入式系统变得越来越复杂，最初的控制程序中逐步的加入了许多功能，而这些功能中有很多可以由操作系统提供。于是，在70年代末期出现了嵌入式操作系统(Embedded Operating Systems)，它的出现大大简化了应用程序设计，并可以有效的保障软件质量和缩短开发周期。简单的ES一般并不使用操作系统，只包含一些控制流程，但是随着嵌入式操作系统在复杂性上的增长，简单的流程控制就不能满足系统的要求，这是就必须考虑使用操作系统做系统软件。因此，嵌入式操作系统就应运而生。

随着EOS的广泛应用，业界已推出一些应用比较成功的EOS产品。归纳起来EOS应该具有以下几个特点：小巧、实时性、可装卸、固化代码、弱交互性、强稳定性和统一的接口。目前使用最多的EOS产品包括有：Vxwork、QNX、PalmOS、WindowsCE、pSOS、Hopen OS(国内凯思集团公司自主研制开发)等。其中，Vxwork使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强(采用优先级抢占和轮转调度等机制)，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相当不错。QNX是一种伸缩性极佳的系统，其核心加上实时POSIX环境和一个完整的窗口系统还不到一兆。相比之下，Microsoft WinCE的核心体积庞大，实时性能也差强人意，但由于Windows系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的API，并捆绑IE、Office等应用程序，正逐渐获得更大的市场份额。而与这些商业化的操作系统相比，Linux已经越来越受到人们的注意。

二、嵌入式Linux概述

Linux是一个成熟而稳定的网络操作系统。将Linux植入嵌入式设备具有众多的优点。首先，Linux的源代码是开放的，任何人都可以获取并修改，用之开发自己的产品。其次，Lirmx是可以定制的，其系统内核最小只有约134kB。一个带有中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做到不足1MB，并且同样稳定。另外，它和多数Unix系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时，由于具有良好的可移植性，人们已成功使Linux运行于数百种硬件平台之上。

然而，Linux并非专门为实时性应用而设计，因此如果想在对实时性要求较高的嵌入式系统中运行Linux，就必须为之添加实时软件模块。这些模块运行的内核空间正是操作系统实现进程调度、中断处理和程序执行的部分，因此错误的代码可能会破坏操作系统，进而影响整个系统的可靠性和稳定性。Linux的众多优点还是使它在嵌入式领域获得了广泛的应用，并出现了数量可观的嵌入式Linux系统。其中有代表性的包括：uClinux、ETLinux、ThinLinux、LOAF等。ETLinux通常用于在小型工业计算机，尤其是PC／104模块。ThinLinux面向专用的照相机服务器、X-10控制器、MP3播放器和其它类似的嵌入式应用。LOAF是Linux On A Floppy的缩略语，它运行在386平台上。

三、Linux作为嵌入式操作系统的优势

Linux作为嵌入式操作系统的优势主要有以下几点：

1、 可应用于多种硬件平台。Linux已经被移植到多种硬件平台，这对于经费，时间受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开发后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。Linux采用一个统一的框架对硬件进行管理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。Linux可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系，源代码可以免费得到。这使得采用Linux作为操作系统不会遇到任何关于版权的纠纷。毫无疑问，这会节省大量的开发费用。本身内置网络支持，而目前嵌入式系统对网络支持要求越来越高。Linux的高度模块化使添加部件非常容易。

2、 Linux是一个和Unix相似、以内核为基础的、具有完全的内存访问控制，支持大量硬件(包括X86，Alpha、ARM和Motorola等现有的大部分芯片)等特性的一种通用操作系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改并在GUN通用公共许可证(GNU General Public License)下发行。这样，开发人员可以对操作系统进行定制，适应其特殊需要。

3、 Linux带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器(X Windows)。其强大的语言编译器GCC，C++等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。

四、嵌入式Linux的建立

完整的嵌入式Linux解决方案应包括嵌入式Linux操作系统内核、运行环境、图形化界面和应用软件等。由于嵌入式设备的特殊要求，嵌入式Linux解决方案中的内核、环境、GUI等都与标准Linux有很大不同，其主要挑战是如何在狭小的FLASH、ROM和内存中实现高质量的任务实时调度、图形化显示、网络通信等功能。

1、 精简内核

Linux内核有自己的结构体系，其中进程管理、内存管理和文件系统是其最基本的3个子系统。图1简单表示了它的框架。用户进程可直接通过系统调用或者函数库来访问内核资源。正因为Linux内核具有这样的结构，因此修改内核时必须注意各个子系统之间的协调。

嵌入式Linux内核一般由标准Linux内核裁剪而来。用户可根据需求配置系统，剔除不需的服务功能、文件系统和设备驱动。经过裁剪、压缩后的系统内核一般只有300k左右，十分适合嵌入式设备。同标准Linux不同的是嵌入式Linux必须要实现从FLASH或ROM的启动。标准Linux启动代码实现了系统初始化和从软盘、硬盘O盘区引导内核。嵌入式Linux一般保存在FLASH或ROM中，标准LILO无法引导。在支持直接从FLASH设备引导的系统中，如华恒公司的uClinux，引导程序主要完成对硬件系统的初始化工作和操作系统的解压、移位工作。在不支持直接从FLASH引导的系统中，FLASH设备只能作为非引导磁盘使用。此时，可采用先从硬盘或软盘加载一个小操作系统，如嵌入式DOS，然后再执行"Loadlin"加载程序从FLASH引导嵌入式Linux。

对标准Linux的修改主要是虚拟内存和调度程序部分的改动。因为标准Linux系统使用虚拟内存管理的目的是为了能同时运行多个进程，但是这样每个待运行的进程所能分配的CPU时间片就受限制，资源的使用效率就低。这样对于实时性要求较高的嵌入式系统来说，实时任务往往要求CPU具有很高的突发处理能力，即在有些时候需要极高的处理效率，因此需要屏蔽内核的虚拟内存管理机制。对于无硬盘设备的嵌入式系统，不必采用虚存管理。强实时需求的嵌入式应用可以通过修改任务调度模块实现，主要是在内核和设备驱动程序中加入了许多切换点。在该点处，系统检测是否存在未处理的紧急中断，有则剥夺内核的运行，及时处理中断。实现实时性服务的一个较好的方法是在标准的Linux内核上增加一个实时内核，标准Linux内核作为一个任务运行于实时内核上，强实时性任务也直接运行在实时内核上，如RT-Linux等。

文件系统是嵌入式Linux操作系统必不可少的。但标准Linux支持大量的文件系统，因此除了满足系统的正常运行需要而保留一种外，其它的全部可以删除，利用原有的设置选项可以移除。一般嵌入式设备文件系统主要使用RamDisk技术和网络文件系统技术。RamDisk可驻留于Flash，运行时加载到内存中。

2、 精简运行环境

Linux通常的运行环境指用户运行任何应用的基础设施，主要包括函数库和基本命令集等。标准Linux系统同时向用户提供了静态和动态函数库。静态函数库在生成应用时直接链接到用户应用中。动态库在应用运行时才链接。由于嵌入式系统应用一般都是在开发平台上预先生成的，因此嵌入式系统只需向应用提供动态函数库。Linux应用运行所需的函数库主要有C库、数学库、线程库、加密库、网络通信库等。其中最基本的是C语言的运行库glib。这个库主要完成基本的输入输出，内存访问，文件处理。一个标准的glib库大约要1200kB存储空间，考虑到嵌入式Linux内核往往很小，这种运行库实在太大，我们做了一些精简的工作，方法有两种：(1)、使用静态连接的方法，完全不使用运行库动态连接；(2)、对这个库的函数进行精简。

在一个桌面系统上，使用动态连接可以带来许多好处。使用动态连接库，可以让应用程序跟函数库的更新、升级分离，便于维护，可以让同时运行的多个程序共享一段代码。但是，在嵌入式系统中，很少有多个程序并行的可能，程序的维护，尤其是库函数的维护更新是不常见的。这时，使用静态连接的优势就极为明显。因为静态连接可以只将库中用到的部分连接进程序。在应用程序较少(小于5)的情况下，静态连接可以达到较好的结果。为了便于将来扩充的需要，我们也采用第二种方法，针对我们的需要，对库函数的内容进行精简，只保留一些基本功能，还有一种方法是采用其它的C语言运行库。但是这些库对兼容性影响很大。

基本命令集同样是运行用户应用的基础，主要包括初始化进程init，终端获取getty、Shell和基本命令等。嵌入式系统的启动过程可能与标准Linux不同，例如跳过登录过程直接启动GUI等。这就要求修改init，getty等。标准Linux命令集同样由于体积问题无法直接应用于嵌入式环境。目前，小命令集的解决方法主要有集成方法和汇编方法两种。集成方法采用集成公共部分减少命令集整体体积，用C实现，有较好的平台移植性；汇编方法则采用汇编编程减少每个命令的体积．这样可使体积很小但其平台移植性较差。

3、 嵌入式Linux下的GUI

GUI在嵌入式系统或者实时系统中的地位越来越重要，比如PDA、DVD播放机、WAP手机等，都需要一个完整．漂亮的图形用户界面。这些系统对GUI的基本要求包括：(1)、轻型、占用资源少；(2)、高性能；(3)、高可靠性；(4)、可配置。这些也成为评价嵌入式系统的重要指标。目前，嵌入式Linux上的GUI主要有winCE、Micro Window、紧缩的X Window、MiniGUI(国内做得较好的自由软件之一)。标准Linux的Xfree86由于体积庞大，运行环境要求高，无法运行于嵌入式环境。嵌入式GUI主要通过削减功能，降低性能来实现体积小和占用资源少。目前嵌入式Linux上的GUI环境主要有两类：X类和win32类。X类GUI分为服务方和客户方两方。服务器方提供鼠标、键盘处理和显示功能，客户方是用户应用，服务方和客户方通过socket接口和X协议通信。采用该方式十分有利于远程网络图形化服务，客户方和服务方可通过网络实现X协议和图形显示。典型的X类GUI有Micro Window、紧缩的X Window等。win32类的GUI不存在客户方和服务方，每个任务都自成一体，任何任务间的切换、事件分发由专门的管理任务负责。如wiCE、MiniGUI就是类似于win32类的GUI。

五、当前流行的几种嵌入式Linux系统

除了智能数字终端领域以外，Linux在移动计算平台、智能工业控制、金融业终端系统，甚至军事领域都有着广泛的应用前景。这些Linux被统称为"嵌入式Linux"。

1、RT-Linux

这是由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式Linux操作系统。到目前为止，RT-Linux已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和**特技图像处理等广泛领域。RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性而重写Linux的内核，因为这样做的工作量非常大，而且要保证兼容性也非常困难。为此，RT-Linux提出了精巧的内核，并把标准的Linux核心作为实时核心的一个进程，同用户的实时进程一起调度。这样对Linux内核的改动非常小，并且充分利用了Linux下现有的丰富的软件资源。

2、uClinux

uCLinux是Lineo公司的主打产品，同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uCLinux主要是针对目标处理器没有存储管理单元MMU(Memory Management Unit) 的嵌入式系统而设计的。它已经被成功地移植到了很多平台上。由于没有MMU，其多任务的实现需要一定技巧。uCLinux是一种优秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的缩写。它秉承了标准Linux的优良特性，经过各方面的小型化改造，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux。虽然它的体积很小，却仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，目前已支持多款CPU。其编译后目标文件可控制在几百KB数量级，并已经被成功地移植到很多平台上。

3、Embedix

Embedix是由嵌入式Linux行业主要厂商之一Luneo推出的，是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux发行版本。Embedix提供了超过25种的Linux系统服务，包括Web服务器等。系统需要最小8MB内存，3MB ROM或快速闪存。Embedix基于Linux 22内核，并已经成功地移植到了Intel x86和PowerPC处理器系列上。像其它的Linux版本一样，Embedix可以免费获得。Luneo还发布了另一个重要的软件产品，它可以让在Windows CE上运行的程序能够在Embedix上运行。Luneo还将计划推出Embedix的开发调试工具包、基于图形界面的浏览器等。可以说，Embedix是一种完整的嵌入式Linux解决方案。

4、Xlinux

XLinux是由美国网虎公司推出，主要开发者是陈盈豪。他在加盟网虎几个月后便开发出了基于XLinux的、号称是世界上最小的嵌入式Linux系统，内核只有143KB，而且还在不断减小。XLinux核心采用了"超字元集"专利技术，让Linux核心不仅可能与标准字符集相容，还含盖了1 2个国家和地区的字符集。因此，XLinux在推广Linux的国际应用方面有独特的优势。

5、PoketLinux

由Agenda公司采用、作为其新产品"VR3PDA"的嵌入式Linux操作系统。它可以提供跨操作系统构造统一的、标准化的和开放的信息通信基础结构，在此结构上实现端到端方案的完整平台。PoketLinux资源框架开放，使普通的软件结构可以为所有用户提供一致的服务。PoketLinux平台使用户的视线从设备、平台和网络上移开，由此引发了信息技术新时代的产生。在PoketLinux中，称之为用户化信息交换(CIE)，也就是提供和访问为每个用户需求而定制的"主题"信息的能力，而不管正在使用的设备是什么。

6、MidoriLinux

由Transmeta公司推出的MidoriLinux操作系统代码开放，在GUN普通公共许可(GPL)下发布，可以在http：//midoritransmetacom上立即获得。该公司有个名为"MidoriLinux计划"。"MidoriLinux"这个名字来源于日本的"绿色"---Midori，用来反映其Linux操作系统的环保外观。

7、红旗嵌入式Linux

由北京中科院红旗软件公司推出的嵌入式Linux是国内做得较好的一款嵌入式操作系统。目前，中科院计算所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统---Easy Embedded OS(EEOS)也已经开始进入实用阶段了。该款嵌入式操作系统重点支持p-Java。系统目标一方面是小型化，另一方面能重用Linux的驱动和其它模块。由于有中科院计算所的强大科研力量做后盾，EEOS有望发展成为功能完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。

六、结束语

由于Linux是一个内核源代码开放、具备一整套工具链、有强大的网络支持及成本低廉的操作系统，因此嵌入式Linux自诞生起就秉承了这众多独特优势，这使它正在并越来越多地受到人们的关注。据Even Data数据显示，期望使用嵌入式Linux的用户从2001年的11％增到2002年27％，而同期Vxwork只是从16％到18％，Win CE从9％到14％。另外，在嵌入式Linux的各种应用市场中，通信(语音和数据)名列第一，2000年的销售额是1300万美元，而2005年预计将达到126亿美元，可以预见，嵌入式Linux将在未来的通信用嵌入式操作系统中占据强有力的地位

Linux是目前十分火爆的操作系统。它是由芬兰赫尔辛基大学的一个大学生Linus B Torvolds在1991年首次编写的。标志性图标是一个可爱的小企鹅。

Linux是一种类Unix系统，Linus当时编写它的目的是为了替代一种名叫Minix的操作系统。Minix是由一个名叫Andrew Tannebaum的计算机教授编写的，当时由于Unix是一个商业软件，其源代码是不能拿来进行教学的，Andrew教授就自己编写了一个系统用于教学。最

初的Minix用一张软盘就能装下，麻雀虽小、五脏俱全，Minix具有一般操作系统的特征，它同时兼容Unix系统。

Linux是一个免费的操作系统，用户可以免费获得其源代码，并能够随意修改。它是在共用许可证GPL(General Public License)保护下的自由软件，也有好几种版本，如Red Hat Linux、Slackware，以及国内的Xteam Linux等。

Linux具有许多Unix系统的功能和特点，能够兼容Unix，但无需支付Unix高额的费用。比如一个Unix程序员在单位可以在Unix系统上进行工作，回到家里在Linux系统上也能完成同样的工作，而不必重新购买Unix。要知道Unix的价格比常见的Windows要高出若干倍，和Linux的低廉更是相距甚远。

Linux的应用也十分广泛。Sony最新的PS2游戏机就采用了Linux作为系统软件，使PS2摇身一变，成为了一台Linux工作站。著名的**《泰坦尼克号》的数字技术合成工作就是利用100多台Linux服务器来完成的。

2001年8月17日，Linux发布了最新的Linux 249版，它也已经十岁了。

Linux的优点

Linux的流行是因为它具有许多诱人之处。

1、完全免费

Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他的操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变。这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。

2、完全兼容POSIX 10标准

这使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的程序。这为用户从Windows转到Linux奠定了基础。许多用户在考虑使用Linux时，就想到以前在Windows下常见的程序是否能正常运行，这一点就消除了他们的疑虑。

3、多用户、多任务

Linux支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个特点，Linux可以使多个程序同时并独立地运行。

4、良好的界面

Linux同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输入相应的指令来进行操作。它同时也提供了类似Windows图形界面的X-Windows系统，用户可以使用鼠标对其进行操作。在X-Windows环境中就和在Windows中相似，可以说是一个Linux版的Windows。

5、丰富的网络功能

互联网是在Unix的基础上繁荣起来的，Linux的网络功能当然不会逊色。它的网络功能和其内核紧密相连，在这方面Linux要优于其他操作系统。在Linux中，用户可以轻松实现网页浏览、文件传输、远程登陆等网络工作。并且可以作为服务器提供WWW、FTP、E-Mail等服务。

6、可靠的安全、稳定性能

Linux采取了许多安全技术措施，其中有对读、写进行权限控制、审计跟踪、核心授权等技术，这些都为安全提供了保障。Linux由于需要应用到网络服务器，这对稳定性也有比较高的要求，实际上Linux在这方面也十分出色。

7、支持多种平台

Linux可以运行在多种硬件平台上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑、机顶盒或游戏机上。2001年1月份发布的Linux 24版内核已经能够完全支持Intel 64位芯片架构。同时Linux也支持多处理器技术。多个处理器同时工作，使系统性能大大提高。

Linux的不足

由于在现在的个人电脑操作系统行业中，微软的Windows系统仍然占有大部分的份额，绝大多数的软件公司都支持Windows。这使得Windows上的应用软件应有尽有，而其他的操作系统就要少一些。许多用户在换操作系统的时候都会考虑以前的软件能否继续使用，换了操作系统后是否会不方便。虽然Linux具有DOS、Windows模拟器，可以运行一些Windows程序，但Windows系统极其复杂，模拟器所模拟的运行环境不可能完全与真实的Windows环境一模一样，这就使得一些软件无法正常运行。

许多硬件设备面对Linux的驱动程序也不足，不少硬件厂商是在推出Windows版本的驱动程序后才编写Linux版的。但一些大硬件厂商在这方面做得还不错，他们的Linux版驱动程序一般都推出得比较及时。

软件支持的不足是Linux最大的缺憾，但随着Linux的发展，越来越多的软件厂商会支持Linux，它应用的范围也越来越广。这只小企鹅的前景是十分光明的。

首先介绍嵌入式Internet技术的发展和广阔的应用前景以及嵌入式Internet技术的基本概念和原理，然后重点阐述了嵌入式系统接入Internet的几种方式，包括各种接入方式的工作原理，对TCP／IP的处理方法及所需的其他协议、软硬件等，并对它们各自的优缺点进行了比较，指出了新的发展方向。

关键词：嵌入式系统；嵌入式Internet；TCP／IP协议

0　引　言

嵌入式Internet技术是一种将嵌入式设备接入Internet的技术，利用该技术可将Internet从PC机延伸到8位、16位、32位单片机，并实现基于Inter－net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E－mail等功能，大大扩展In－ternet的应用范围。

嵌入式Internet技术的出现时间并不很长，但是发展速度却非常之快，新思想不断涌现，新概念连续推出，新技术层出不穷，新产品不断产生，从底层硬件技术所提供的解决方案到顶层软件所开拓的想像空间，都在不断地推陈出新。随着PC机时代的到来，21世纪将是嵌入式Internet的时代。美国贝尔实验室总裁Arun Netravali的一批科学家对此做出了预测：嵌入式Internet“将会产生比PC机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。这些瘦服务器将与我们所能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过Internet网自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象”更多内容可以在闯客技术论坛查看。

网络专家预测，将来在Internet上传输的信息中，将有70％的信息来自小型嵌入式系统［2］。嵌入式Internet将有很好的发展前景和广阔的市场，未来的Internet技术将是嵌入式Internet占主导地位，因此嵌入式系统与Internet的接入方式已成为人们研究的热点。

1　嵌入式Internet的基础

嵌入式Internet是嵌入式系统与Internet的结合。嵌入式系统中包含嵌入式处理机、嵌入式操作系统和应用电路部分，与Internet的接入则必须有对应的接入协议，如通用的TCP／IP协议。因此，实现嵌入式Internet的基础是嵌入式处理机、嵌入式操作系统和接入Internet的通信协议。

（1）嵌入式处理机

单片机就是典型的嵌入式处理机，如常见的In－tel的8051系列、Atmel的AVR、MicroChip的PIC、Motorola的Dragonball、Cygnal的C8051F等，以及一些高端的单片机如ARM、SH3、MIPS等，嵌入式处理机的种类有几百种。处理机是嵌入式系统的核心，其性能直接影响整个系统的性能高低，影响接入Internet的方式和成本。

（2）嵌入式操作系统

嵌入式系统要完成复杂的功能，已经不可能像普通单片机一样，直接从底层开始编写所有程序，必须采用底层的操作系统，在此基础上来完成复杂的应用软件设计。但由于嵌入式系统自身资源的限制，嵌入式操作不可能像PC机的操作系统一样庞大，Windows98／2000有几百兆字节，而嵌入操作系统一般只有100－200半字节。同时嵌入操作系统还必须是实时多任务操作系统，而Windows98／2000不是实时操作系统。另一方面，嵌入式处理机的种类繁多，嵌入操作系统还必须支持多种不同处理器体系结构的众多处理机。

目前国际上嵌入式系统的主流是实时多任务操作系统（RTOS：Real－Time Operating System）。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台，是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在RTOS之上。不但如此，RTOS还是一个标准的内核，将CPU时间、中断、I／O、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的API，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配CPU时开发基础。这样一来，基于RTOS上的C语言程序具有极大的可移植性。同时，在RTOS基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流。

虽然商品化的嵌入式操作系统在20世纪70年代后期才出现，但到20世纪末，成熟的商品化操作系统已经十分丰富了，如Palm OS，VxWorks，pSOS，Nuclear，VelOSity，QNX，VRTX，WindowsCE（现改名为Windows Powered）以及目前炒得很热的嵌入式Linux等。

（3）接入Internet的通信协议

嵌入式系统接入Internet同PC机接入Internet一样，必须通过相应的通信协议。目前的Internet采用TCP／IP协议，因此嵌入式系统接入Internet最终必须通过TCP／IP接入，嵌入式系统对信息进行TCP／IP协议处理，使其变成可以在Internet上传输的IP数据包。若采用网关方式，在网关前端可以采用适合嵌入处理机和起控制作用的新协议，通过网关转换后变成标准IP包接入Internet。

由于嵌入式系统自身资源的限制，处理能力不如台式机强，以及从PC机上来的TCP／IP的复杂性，使得处理通信协议成为嵌入式系统接入Internet的关键，也是嵌入式系统接入Internet的难点之一。因此下面着重分析当前的几种接入方式以及对协议的不同处理方法。

2　嵌入Internet的几种接入方式

2．1　处理机加TCP／IP协议方式

采用处理机加TCP／IP协议方式，MCU处理机像PC机一样直接处理TCP／IP协议，一般需要高档的处理机，如32位的ARM，SH3，MIPS等MCU和一些单周期指令速度较高的8位MCU，如AVR、SX等，其结构见图1。

对TCP/IP协议的具体处理又有2种方法。一种方法是采用实时操作系统RTOS，用软件方式直接处理TCP／IP协议。实时操作系统的功能越来越强大，许多都具有对图像界面和TCP／IP的支持能力。采用这种方式最灵活，能按用户需求实现很多复杂的功能，当然灵活的同时带来的是开发复杂度的增加，对开发人员的要求高，对操作系统和TCP／IP协议都要有一定的熟悉程度，因此开发周期也较长，高档MCU和RTOS的价格也很高。

另一种是采用固化了TCP／IP协议的硬件芯片，如Seiko Instruments公司的S7600A等，它支持HTTP、SMTP、POP3、MIME等多种协议，通过外部硬件电路处理TCP／IP协议。也可用UBICOM公司（原Scenix公司）的SX单片机加虚拟外设的方式。SX单片机采用CPU并行流水线和单时钟周期指令，其极限运行速度系数等于1，达到最大值，支持的晶振最大到100 MHz，因此执行速度可达100MIPS。SX单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多功能模块（如DTMF接收与发送、TCP／IP协议等）设计成软件功能模块，需要使用某功能时直接调用相应模块，其效果等同于安装对应硬件外设电路，但虚拟外设方式更灵活更方便，且硬件电路简单。该方式与前一种相比更方便，开发难度有所降低，但还是需要熟悉TCP／IP协议和相关接口。

这两种方式类似于在MCU上实现PC机加网卡的功能，MCU直接处理TCP／IP协议，复杂度较高，且每个MCU也需要一个IP地址，而IP地址需要付费使用。它需要高档的MCU处理机和较高的开发成本，因此一般只会在一些高档产品（如汽车）中使用。它有一个好处是不需要PC机做网关。

2．2　Webit方式

Webit是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入Internet的一个实用产品，它将MCU和以太网控制器集成到一块小板卡上，将它装入到嵌入系统中就可以完成嵌入系统与Internet网的联接。Webit有自己的IP地址，与前面提到的第一种方式相似，但它有更高的集成度，将协议处理部分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系统本身。

Webit总体上是一个基于AVR单片机的系统，在单片机内有用来存储系统服务程序的8千字节的FLASH空间、512字节的RAM空间以及用来存放

系统参数（IP地址、MAC地址、串口波特率等）的EEPROM。在单片机的外围，有用来存放Web页面的EEPROM。系统中包含一个10 M以太网控制器，用来提供网络的联接。系统提供的应用系统接口为TTL电平的UART口及14位I／O口，通过它与应用系统相连，其应用方式见图2。

Webit方式实际上与第一种方式类似，只是将协议处理部分分离出来由Webit单独完成，开发人员可以不必考虑网络协议和相关接口，但也需要独立的IP地址。该方式也不需要网关，无需PC机，软、硬件结构可以独立设计，其开发成本相对较低。

2．3　采用专用嵌入式网络协议

利用emWare公司开发的嵌入式微Internet网络技术（EMIT：Embedded Micro InternetworkingTechnology）。EMIT由emNet和emGateway两部分组成，emNet协议运行在MCU内部，是为嵌入式系统和其他网络（如RS485、IR、RF和电力线等）进行联接的网络协议。同时，emNet使得集成emMicro的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网关emGate－way进行有效的通信。嵌入式微控制器网关（即em－Gateway）运行在计算机、TV机顶盒或专用的家用电器服务器中，它是设备网络和Internet之间联接的桥梁。应用系统运行MCU内的emNet，通过em－Gateway与Internet联接，见图3。

具体来讲，EMIT采用桌面计算机或高性能嵌入式处理器作为网关emGateway，支持TCP／IP协议并运行Internet服务程序，形成一个用户可通过网络浏览器进行远程访问的服务器，emGateway通过RS232、RS485、CAN、红外、射频等总线将多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为emMicro，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到emGateway中；同时emMicro还可以解释emGate－way的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。

这种方式要求设计工程师必须熟悉emNet协议和相关的接口，并且软硬件设计的工作量仍然较大。应用系统的MCU处理emNet协议要占用一定的系统资源，对MCU的要求也较高，同时需要微机做网关。优点是网关中的一个IP地址可以联接多个嵌入式应用系统。

2．4　使用专用芯片Webchip

Webchip是武汉力源公司于2000年4月开发出使嵌入式电子设备和家用电器与网络方便联接的实用解决方案。Webchip是独立于各种微控制器的专用网络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种MCU相连。MCU通过Webchip与网关联接即可接收并执行经由Internet远程传来的命令或将数据交给Webchip发送出去。MCU应用系统通过Webchip网络芯片与Gateway联接，再进入Internet网，如图4所示。

Webchip内部固化了MCUNet协议，它与em－Gateway和OSGi协议兼容，是MCU电子设备与计算机平台上的Gateway建立联系的一种软件协议，可以处理MCU与Gateway之间的通信。MCUNet协议结构简单，但功能很强。Webchip作用就是解释通信协议，控制数据传输，使MCU应用系统不用去管理协议的具体内容，只需要解释和执行Webchip送来的命令（Webchip与MCU之间共有17条命令）。Webchip将来自MCU的数据编译成符合协议规定的格式，然后传给Gateway，而由Gateway下传的命令和数据由Webchip负责解释，然后通过命令方式送给MCU。图4中的网关服务器用于协议的解释、转换、执行等，通常由一台普通PC机来实现。

Webchip的简要工作过程是：Webchip通过SPI三线串行接口与MCU应用系统联接。它与MCU应用系统交换信息是由17条简单的指令进行控制。Webchip的另一端以RS－232、RS－485或Modem等接口电路与基于PC机平台的网关接口。Webchip在MCU应用系统接入Internet的过程中实际上是起

了底层协议的编译、解释和转换作用，将MCU应用系统与网关再与Internet联接起来。这是由于PC机网关能提供HTTP服务，又可与网络浏览器接口。

这种方案相对更简单，对MCU要求较低，无论是运行速度、硬件配置和存储器容量等方面均无特殊要求；软件设计也只需在原应用系统的基础上增加一小段接口程序，其它无需作大的改动。对设计工程师，不需要熟悉复杂的网络协议和相关接口，完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行We－bchip传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络联接。其开发周期更短，也较灵活。同采用专用嵌入式网络协议方案一样，需要微机做网关，网关中的一个IP地址可以联接多个嵌入式应用系统。

目前还买不到PS2000的芯片，只是最近在力源网站上有了PS2000的详细芯片资料。其开发套件也较便宜，包含带有通信接口的PSM2000模块板和PSE2000 EVKIT演示套件等。

3　结束语

随着芯片技术的发展，嵌入Internet还会有更多更新的接入方式出现。针对目前的情况，最主要的问题是需要解决成本问题，以上几种接入方式虽然有成本较低的方案，但与众多嵌入系统中便宜的MCU系统相比，其接入成本在整个系统中还是占有相当大的比重。只有接入成本进一步降低才能使嵌入式Internet真正进入寻常百姓家庭，真正在嵌入系统和智能家庭的大市场中发挥重要作用，因此还需要进一步开发单芯片的最低成本的解决方案，以适应市场的需要。