隨著信息時(shí)代的到來(lái),，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，人們開(kāi)始越來(lái)越多地接觸到一個(gè)新概念——嵌入式產(chǎn)品,。將嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)接入Internet,，不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和升級(jí),，而且可實(shí)現(xiàn)資源共享。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,，一個(gè)外部界面是必不可少的,，利用Web瀏覽器可使用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理和更新，大大簡(jiǎn)化了人機(jī)界面的設(shè)計(jì),。若在系統(tǒng)中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，將使系統(tǒng)具有極強(qiáng)的可移植性，另外,，硬件設(shè)備的添加與裁剪也具有極大的靈活性,。采用DHCP協(xié)議動(dòng)態(tài)獲得IP相關(guān)信息，使TCP/IP軟件不再依賴(lài)于存儲(chǔ)在芯片中的固定IP地址,，這將為大型系統(tǒng)的安裝提供方便條件,。
　　本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何在內(nèi)存資源有限的單片機(jī)系統(tǒng)上，利用實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II把信息變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包,，以便通過(guò)IE瀏覽器監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài),。
1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)" title="網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)">網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)概述
　　本設(shè)計(jì)采用Internet監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,?？蛻?hù)端通過(guò)IE瀏覽器對(duì)該服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),實(shí)時(shí)地獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和維護(hù)。這樣,，就要求服務(wù)器提供WWW服務(wù),，即實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應(yīng)被所有瀏覽器支持,，以保證任何地方的用戶(hù)都可通過(guò)瀏覽器下達(dá)命令,。在網(wǎng)絡(luò)接口上，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)為其運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,。圖1所示為HTTP設(shè)計(jì)模型,。首先，客戶(hù)端的瀏覽器與Web服務(wù)器使用一個(gè)或多個(gè)TCP連接,，通過(guò)80號(hào)端口進(jìn)行通信,，瀏覽器通過(guò)HTTP協(xié)議瀏覽事先存儲(chǔ)在EEROM中的控制網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)該網(wǎng)頁(yè)傳遞控制命令到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,，然后服務(wù)器對(duì)命令進(jìn)行解析,，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)以控制外部I/O設(shè)備。

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分,。在硬件部分嵌入了TCP/IP協(xié)議棧,。因系統(tǒng)資源有限，在保持協(xié)議分層體系結(jié)構(gòu)的前提下,，應(yīng)盡量精簡(jiǎn)協(xié)議內(nèi)容,。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的原理，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP,、HTTP,、TCP、IP,、ICMP,、ARP。
2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境,，在硬件上需要有網(wǎng)絡(luò)控制芯片,。目前市面上有許多以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片，但其大多數(shù)都耗電量高,、功能復(fù)雜,，不適合用于價(jià)格低廉的嵌入式系統(tǒng)中。在這里選用RTL8019AS^[1],，其好處是NE2000兼容,、軟件移植性好、接口簡(jiǎn)單,、不需轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋等,。而單片機(jī)選擇89C55，它有20K的ROM，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，只要代碼能夠移植于它,，就能較輕松地移植于其它架構(gòu)的CPU，比如ARM等,。圖2為硬件原理框圖,。24C64用來(lái)存儲(chǔ)物理地址及設(shè)備的相關(guān)信息等；外部RAM為數(shù)據(jù)處理提供緩存,。系統(tǒng)提供了RS232接口用來(lái)進(jìn)行測(cè)試,，提供了RJ45接口以便連接到以太網(wǎng)。

3 操作系統(tǒng)的選擇
　　根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn),，系統(tǒng)必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求,，以便更好地支持TCP/IP運(yùn)行時(shí)的調(diào)度，所以應(yīng)用軟件應(yīng)該基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),。適合于片上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)比較多,，但是代碼公開(kāi)且適合移植于51系列單片機(jī)的卻很少，主要有μC/OS-II,、RTX51,、Small RTOS51等。實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-II是專(zhuān)門(mén)為單片機(jī)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,，圖3為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,。它主要采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言寫(xiě)成，與硬件有關(guān)的部分使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),，以使操作系統(tǒng)能很方便地移植到其它的處理器,。可見(jiàn),，使用嵌入式操作系統(tǒng)時(shí),應(yīng)用軟件只與上層的代碼有關(guān)而與處理器無(wú)關(guān),，在進(jìn)行軟件移植時(shí)僅需對(duì)與硬件相關(guān)的底層函數(shù)進(jìn)行修改,，因此這樣的應(yīng)用軟件具有良好的可移植性和穩(wěn)定的可靠性,。在μC/OS-II下編寫(xiě)TCP/IP協(xié)議，比傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)要方便很多,；用它分配內(nèi)存緩沖區(qū),，使用前申請(qǐng)，使用后釋放,，可有效地利用系統(tǒng)資源,。在程序設(shè)計(jì)時(shí)將TCP/IP協(xié)議棧做成任務(wù)，而用戶(hù)程序在另外的任務(wù)中運(yùn)行,。這樣,，單片機(jī)可在完成原來(lái)控制系統(tǒng)功能的前提下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。從代碼長(zhǎng)度上看,， 實(shí)現(xiàn)基本功能的TCP/IP協(xié)議棧比Linux等其它操作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更大,。

4 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，主要完成RTL8019AS的驅(qū)動(dòng),、μC/OS-II對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的管理及TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn),。
4.1 μC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用
　　μC/OS-II可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)裁剪后移植^[2]到51單片機(jī)上。用它對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理,，使得程序易讀,，且便于移植。μC/OS-II主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)卡初始化,、創(chuàng)建系統(tǒng)資源,、創(chuàng)建任務(wù)等三部分工作。在系統(tǒng)資源的創(chuàng)建上,，使用TxSem,、RxSem信號(hào)量^[3]及TxQFIFO隊(duì)列^[3]。當(dāng)需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí),，觸發(fā)RTL8019AS中斷,，CPU將中斷向量進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，進(jìn)行事件處理,。中斷服務(wù)子程序根據(jù)RTL8019AS內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器IMR的值確定系統(tǒng)所處狀態(tài),，通過(guò)兩個(gè)信號(hào)量TxSemPost和RxSemPost切換系統(tǒng)任務(wù)，使等待相應(yīng)信號(hào)量的一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài),。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過(guò)程是通過(guò)檢查信號(hào)量TxSemPost而進(jìn)行的相應(yīng)處理,，為了保證數(shù)據(jù)正確到達(dá)客戶(hù)端，這里采用了多次發(fā)送機(jī)制,。當(dāng)信號(hào)量RxSemPost到來(lái)時(shí),，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)幀正確,，就根據(jù)數(shù)據(jù)包的大小申請(qǐng)合適的內(nèi)存空間存放該數(shù)據(jù),，然后根據(jù)接收幀的目的地址的正確與否決定是否將該幀提交給上層應(yīng)用程序。若無(wú)誤則解析數(shù)據(jù)報(bào)頭,，進(jìn)行相應(yīng)處理,。
4.2 RTL8019驅(qū)動(dòng)
　　RTL8019AS完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)程序主要包括芯片初始化,、收包,、發(fā)包三部分。物理信道上的收發(fā)操作采用以太網(wǎng)協(xié)議802.3幀格式^[4],。系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)包的原理是單片機(jī)先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入RTL8019芯片RAM,，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(寫(xiě)入TPSR,、TBCR0,1)后，啟動(dòng)發(fā)送命令(CR=0x3E),，即可實(shí)現(xiàn)RTL8019的發(fā)送功能,。RTL8019會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫(xiě)入狀態(tài)寄存器。RTL8019芯片接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)FIFO隊(duì)列,，PSTART,、PSTOP兩個(gè)寄存器限定了循環(huán)隊(duì)列的開(kāi)始和結(jié)束頁(yè)，CURR為寫(xiě)入指針,，受芯片控制,，BNRY為讀出指針，由主機(jī)程序控制,。根據(jù)CURR==BNRY+1?可以判斷出是否收到新的數(shù)據(jù)包,，新收到的數(shù)據(jù)包存于以CURR指出的地址為首址的RAM中。當(dāng)CURR==BNRY時(shí),，芯片停止接收數(shù)據(jù)包,。
4.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
　　基于TCP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種功能，本文主要討論HTTP協(xié)議^[5],，也就是Web服務(wù)器在應(yīng)用層的主要構(gòu)成協(xié)議,。由于TCP/IP協(xié)議棧本身是一種層式結(jié)構(gòu)，所以在協(xié)議棧的設(shè)計(jì)上采用模塊化思想,，逐層實(shí)現(xiàn),，然后通過(guò)對(duì)各層接口函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)完整的協(xié)議棧。實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的大致流程如圖4所示,。