作者： Meng He

ABI Research指出，目前市場上的無線連接設備已超過100億部，而到2020年通過無線連接到物聯網（萬物互聯）的設備將突破300億部。隨著物聯網越來越受到人們的重視，許多OEM廠商都發現自身面臨的壓力也越來越大，他們必須為各種產品提供因特網連接功能，才能從實現設備間的通信功能中受益。但是，許多開發人員并不熟悉如何實現高度穩健的TCP/IP協議棧。本文將探討在嵌入式系統中有關支持因特網連接功能的主要問題，以及如何通過新工具幫助開發人員為系統提供TCP/IP且無需擔心低層次實現細節問題。

首先，讓我們簡要回顧一下TCP/IP協議。傳輸控制協議/因特網協議（TCP/IP）是連接到因特網的硬件設備之間用于交換數據的通用語言。這些規則管理著終端操作系統（Windows、iOS、Linux等）之間的交換機制以及SMTP、FTP、HTTP等一系列具體協議。

TCP/IP被細分為不同的“層”（詳見圖1）。因特網數據以數據片段的格式從應用層路由到傳輸層。物理層是在IEEE 802.3規范所定義的以太網協議下，數據通過“因特網”進行物理傳輸的地方。以太網有多種不同的規范版本，可提供各種最大比特率、傳輸模式和傳輸介質（光纖、同軸電纜等）。介質訪問控制（MAC）是物理層非常重要的部分，MAC地址表示以太網網絡上節點的物理地址。每個以太網幀都包含一個源地址和一個目的地址。

圖1. 因特網上的數據傳輸

應用層負責提供用戶接口。以下是常見的應用層協議 。

1. 超文本傳輸協議（HTTP）：傳輸與瀏覽萬維網（WWW）相關的數據。

2. 簡單郵件傳輸協議（SMTP）：支持整個因特網上的電子郵件傳輸。

3. 文件傳輸協議（FTP）：用于在因特網上傳輸文件。

4. 域名系統（DNS）：翻譯域名。

5. 動態主機配置協議（DHCP）：為特定節點動態分配IP地址。

6. Telnet：為節點創建互動的TCP連接。

7. 簡單網絡時間協議（SNTP）：支持節點時鐘與參考時鐘同步。

8. 簡單網絡管理協議（SNMP）：用于監控網絡連接設備，檢查是否存在發生故障等需要干預的情況。

嵌入式TCP/IP協議棧的兩種最常見用途就是消息傳送和Web頁面顯示。例如，簡單的SMTP消息傳送系統允許微控制器獲得傳感器讀數，并根據預設的間隔將讀數以消息或電子郵件的形式發送給中央存儲庫，以便記錄和分析。家庭中可采用這種應用每隔一小時給住戶發送室溫電子郵件，當然我們也可進一步擴展這種使用案例。嵌入式微控制器不僅能讀取溫度信息，而且能監控門窗是否鎖好、燈光是否關閉等。這些系統可以全天候監控有關信息。如果住戶將要工作到很晚才回家，那么他/她可使用HTTP請求微控制器發送包含所有相關信息的Web頁面。然后，住戶可通過改變Web頁面上的一些字段，打開某些房間的燈、提升溫度、并執行其它任務。

實現能夠滿足各個系統要求的以太網子系統有多種不同方式：

1. 以太網控制器模塊

包含TCP/IP硬連線芯片、變壓器和RJ45的控制器模塊能大幅簡化所提供的連接功能。完整的廠商生態系統可提供各種現成可用的模塊，不僅能加速產品的上市進程，同時還提供極具吸引力的價格點。這種方案對于想要快速開發因特網系統的工程師來說非常理想。例如，開發人員可選擇Wiznet的WIZ550io、W5100 shield以及Rabbit Semiconductor的以太網模塊RCM6760 MiniCore等模塊。隨著Arduino平臺的日益普及，市場上也開始出現許多兼容于官方Arduino開發板的模塊。

2. TCP/IP IC加一款MCU

此外，設計人員還能將TCP/IP控制器連接到他們的嵌入式微控制器。例如，Microchip的ENC28J60以太網模塊能通過SPI接口直接連接到大多數的微控制器。這些模塊通常采用獨立的以太網控制器IC，其具有眾多特性，能夠處理大部分的網絡協議要求。這樣的基礎架構能幫助設計人員構建并共享他們自己的以太網項目。例如，Github上有個項目（https://github.com/kmmankad/ENC28J60-PSoC3）就能支持賽普拉斯的可編程片上系統（PSoC）控制器和基于ENC28J60的器件之間的因特網連接。基于PSoC 3的同一項目同時也可移植到PSoC 5中。這種實現方案的優勢在于它能將微控制器內核和其它片上資源釋放出來，以滿足其它系統功能的需求。在硬件層面，我們只需要一個RJ45連接器、磁性元件、一個25 MHz的晶振或振蕩器以及一些無源組件即可。

3. 支持lwIP的單芯片微控制器

輕量級IP（lwIP）是一種廣泛使用的開源TCP/IP協議棧，專門針對嵌入式系統而精心設計，并獲得了全球開發人員網絡的支持。對許多應用來說，lwIP可提供以太網功能，同時能大幅降低MCU的資源占用率。MCU實現協議棧從物理上需要MAC和PHY。lwIP對于想要實現低成本連接功能的設計人員來說是一種理想選擇。但是，由于這更像是一種DIY類型的實現方案，因此開發人員還必須愿意為解決協議棧問題而付諸努力。這種實現方案的挑戰在于系統資源的使用以及動態分配MAC地址的功能。PSoC的動態可重配置屬性使得解決上述挑戰成為可能。PSoC的數字側由通用數字模塊（UDB）組成，可用于平衡配置粒度并支持高效的實現方案。這種方法的基礎就在于能定制器件數字操作，從而滿足應用要求。例如，片上DMA使我們能設計出可配置的RX和TX FIFO。PSoC設計環境PSoC Creator支持開發人員構建自己的以太網組件，并將其作為系統級設計中的虛擬芯片。

連接功能代表著未來需求，世界正日益依賴因特網來促進并擴展通信。隨著芯片廠商推出具有更多實現選項和更高靈活性的成熟產品，設計人員可根據所需級別從現成可用的交鑰匙模塊到DIY嵌入式方案中做出購買選擇。

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