侵权投诉

在嵌入式系统中如何实现高度稳健TCP/IP协议栈应用

电子设计 2021-06-28 14:46 次阅读

作者: Meng He

ABI Research指出,目前市场上的无线连接设备已超过100亿部,而到2020年通过无线连接到物联网(万物互联)的设备将突破300亿部。随着物联网越来越受到人们的重视,许多OEM厂商都发现自身面临的压力也越来越大,他们必须为各种产品提供因特网连接功能,才能从实现设备间的通信功能中受益。但是,许多开发人员并不熟悉如何实现高度稳健的TCP/IP协议栈。本文将探讨在嵌入式系统中有关支持因特网连接功能的主要问题,以及如何通过新工具帮助开发人员为系统提供TCP/IP且无需担心低层次实现细节问题。

首先,让我们简要回顾一下TCP/IP协议。传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)是连接到因特网的硬件设备之间用于交换数据的通用语言。这些规则管理着终端操作系统(Windows、iOSLinux等)之间的交换机制以及SMTP、FTP、HTTP等一系列具体协议。

TCP/IP被细分为不同的“层”(详见图1)。因特网数据以数据片段的格式从应用层路由到传输层。物理层是在IEEE 802.3规范所定义的以太网协议下,数据通过“因特网”进行物理传输的地方。以太网有多种不同的规范版本,可提供各种最大比特率、传输模式和传输介质(光纤、同轴电缆等)。介质访问控制(MAC)是物理层非常重要的部分,MAC地址表示以太网网络上节点的物理地址。每个以太网帧都包含一个源地址和一个目的地址。

图1. 因特网上的数据传输

应用层负责提供用户接口。以下是常见的应用层协议 。

1. 超文本传输协议(HTTP):传输与浏览万维网(WWW)相关的数据。

2. 简单邮件传输协议(SMTP):支持整个因特网上的电子邮件传输。

3. 文件传输协议(FTP):用于在因特网上传输文件。

4. 域名系统(DNS):翻译域名。

5. 动态主机配置协议(DHCP):为特定节点动态分配IP地址。

6. Telnet:为节点创建互动的TCP连接。

7. 简单网络时间协议(SNTP):支持节点时钟与参考时钟同步。

8. 简单网络管理协议(SNMP):用于监控网络连接设备,检查是否存在发生故障等需要干预的情况。

嵌入式TCP/IP协议栈的两种最常见用途就是消息传送和Web页面显示。例如,简单的SMTP消息传送系统允许微控制器获得传感器读数,并根据预设的间隔将读数以消息或电子邮件的形式发送给中央存储库,以便记录和分析。家庭中可采用这种应用每隔一小时给住户发送室温电子邮件,当然我们也可进一步扩展这种使用案例。嵌入式微控制器不仅能读取温度信息,而且能监控门窗是否锁好、灯光是否关闭等。这些系统可以全天候监控有关信息。如果住户将要工作到很晚才回家,那么他/她可使用HTTP请求微控制器发送包含所有相关信息的Web页面。然后,住户可通过改变Web页面上的一些字段,打开某些房间的灯、提升温度、并执行其它任务。

实现能够满足各个系统要求的以太网子系统有多种不同方式:

1. 以太网控制器模块

包含TCP/IP硬连线芯片、变压器RJ45的控制器模块能大幅简化所提供的连接功能。完整的厂商生态系统可提供各种现成可用的模块,不仅能加速产品的上市进程,同时还提供极具吸引力的价格点。这种方案对于想要快速开发因特网系统的工程师来说非常理想。例如,开发人员可选择Wiznet的WIZ550io、W5100 shield以及Rabbit Semiconductor的以太网模块RCM6760 MiniCore等模块。随着Arduino平台的日益普及,市场上也开始出现许多兼容于官方Arduino开发板的模块。

2. TCP/IP IC加一款MCU

此外,设计人员还能将TCP/IP控制器连接到他们的嵌入式微控制器。例如,Microchip的ENC28J60以太网模块能通过SPI接口直接连接到大多数的微控制器。这些模块通常采用独立的以太网控制器IC,其具有众多特性,能够处理大部分的网络协议要求。这样的基础架构能帮助设计人员构建并共享他们自己的以太网项目。例如,Github上有个项目(https://github.com/kmmankad/ENC28J60-PSoC3)就能支持赛普拉斯的可编程片上系统(PSoC)控制器和基于ENC28J60的器件之间的因特网连接。基于PSoC 3的同一项目同时也可移植到PSoC 5中。这种实现方案的优势在于它能将微控制器内核和其它片上资源释放出来,以满足其它系统功能的需求。在硬件层面,我们只需要一个RJ45连接器磁性元件、一个25 MHz的晶振振荡器以及一些无源组件即可。

3. 支持lwIP的单芯片微控制器

轻量级IP(lwIP)是一种广泛使用的开源TCP/IP协议栈,专门针对嵌入式系统而精心设计,并获得了全球开发人员网络的支持。对许多应用来说,lwIP可提供以太网功能,同时能大幅降低MCU的资源占用率。MCU实现协议栈从物理上需要MAC和PHY。lwIP对于想要实现低成本连接功能的设计人员来说是一种理想选择。但是,由于这更像是一种DIY类型的实现方案,因此开发人员还必须愿意为解决协议栈问题而付诸努力。这种实现方案的挑战在于系统资源的使用以及动态分配MAC地址的功能。PSoC的动态可重配置属性使得解决上述挑战成为可能。PSoC的数字侧由通用数字模块(UDB)组成,可用于平衡配置粒度并支持高效的实现方案。这种方法的基础就在于能定制器件数字操作,从而满足应用要求。例如,片上DMA使我们能设计出可配置的RX和TX FIFO。PSoC设计环境PSoC Creator支持开发人员构建自己的以太网组件,并将其作为系统级设计中的虚拟芯片。

连接功能代表着未来需求,世界正日益依赖因特网来促进并扩展通信。随着芯片厂商推出具有更多实现选项和更高灵活性的成熟产品,设计人员可根据所需级别从现成可用的交钥匙模块到DIY嵌入式方案中做出购买选择。

责任编辑:gt

收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

正泰多功能手持数字万用表拆解

本次拆解评测的样本为EEWorld拆解活动第二期一号拆品——多功能手持数字万用表。 原以为这是一块采....
的头像 电子工程世界 发表于 10-19 15:31 79次 阅读

全球首个水平岸线自动化港口开港正式运营

2021年10月17日,天津港重新开港69周年之际,于北疆港区C段码头七彩廊道前,隆重举办了天津港第....
的头像 华为智能汽车解决方案 发表于 10-19 14:24 123次 阅读

NB-IoT的3种部署方式及优势

根据Counterpoint的Q2数据表明,2021年Q2季度全球蜂窝通讯模组出货量达到了1亿。其中....
的头像 美格智能 发表于 10-19 14:20 85次 阅读

Arm通过虚拟硬件与新的解决方案导向的产品 带动物联网经济转型

Arm今天发布Arm® 物联网全面解决方案(Arm Total Solutions for IoT)....
发表于 10-19 14:15 43次 阅读
Arm通过虚拟硬件与新的解决方案导向的产品 带动物联网经济转型

嵌入式系统是如何定义的

嵌入式系统是什么? 一个嵌入式系统装置是由哪些部分组成的? ...
发表于 10-19 12:55 0次 阅读

物联网开发者案头的一款开发利器

大家在尝试物联网项目开发时,是不是经常会被市面上众多的主控板弄的眼花缭乱、一头雾水?复杂的电路、烧脑....
的头像 得捷电子DigiKey 发表于 10-19 11:26 166次 阅读

如何开启面向车载娱乐系统、集成座舱和数字仪表应用R-Car Gen3e

汽车行业面向CASE(注1)时代和新型E/E架构(E/E是电子和电气的缩写)转型需要付出巨大的努力和....
的头像 瑞萨电子 发表于 10-19 10:43 117次 阅读

适用于嵌入式本地语音助手应用的NXP i.MX RT106S

技术日新月异,我们每天都走在创新的路上,获取前沿的领域知识,并转化为自己的成果,创造出更适合用户的产....
的头像 贸泽电子 发表于 10-19 10:40 176次 阅读

人工智能如何影响工业物联网

■ 或许这就是为什么在没有IIoT提供关键帮助的情况下,企业很难在工业4.0带来的大规模数字转型中能....
的头像 贸泽电子 发表于 10-19 10:31 370次 阅读

蓝牙解决方案对医疗行业的影响

作为室内位置服务的创新者,Kontakt.io为不同行业的2000多家客户提供服务,通过蓝牙技术将人....
的头像 蓝牙技术联盟 发表于 10-19 10:10 244次 阅读

如何在智能家居中进行无线调试:第一部分

调试是物联网设备生命周期的前几个步骤;它是在您使用新购买的智能家居设备的最初几分钟内完成的。第一步是....
发表于 10-19 09:47 191次 阅读

如何用STM32嵌入式实现智能家居控制系统呢

如何用STM32嵌入式实现智能家居控制系统呢? 智能家居控制系统有哪些功能呢? ...
发表于 10-19 09:40 0次 阅读

计算机运算速度是指什么

计算机运算速度是指什么? 按传输介质分类,计算机网络可分为哪几种? 使用16位二进制编码表示声音与使用8位二进制编码表示声音...
发表于 10-19 09:05 0次 阅读

广和通5G模组FG360系列获得北美重要运营商及GCF认证,加速5G FWA规模部署

FG360-NA率先完成北美重要运营商认证,且FG360-EAU获得GCF认证,这表明FG360可在....
的头像 小通 发表于 10-18 18:24 21次 阅读
广和通5G模组FG360系列获得北美重要运营商及GCF认证,加速5G FWA规模部署

stm32mp1 Cortex M4开发篇3:使用GPIO扫描检测按键

写在前面:本文章为《ARMCortex-M4裸机开发篇》系列中的一篇,,全系列总计14篇。笔者使用的....
的头像 刘洋其 发表于 10-18 18:16 12次 阅读
stm32mp1 Cortex M4开发篇3:使用GPIO扫描检测按键

STM32WB低功耗蓝牙应用的最小BOM

STM32WB系列无线MCU具有优异的RF性能,可用于健身和医疗或者可穿戴设备、家庭安保以及音频或者....
发表于 10-18 18:03 57次 阅读

图解物联网 (NTT DATA集团著) 中文

《图解物联网》图例丰富,从设备、传感器及传输协议等构成IoT的技术要素讲起,逐步深入讲解如何灵活运用....
发表于 10-18 17:58 17次 阅读

广和通5G模组FG360系列荣获得北美重要运营商及GCF认证

FG360-NA率先完成北美重要运营商认证,且FG360-EAU获得GCF认证,这表明FG360可在....
发表于 10-18 16:43 21次 阅读

瑞芯微RK3399开发板香橙派4使用 VNC 远程登录的方法

1) 执行下面命令安装 tightvncserver   2) 在安装完成后进行 VNC 服务器的初始配置,可以使用 vncserver 命令设...
发表于 10-18 16:19 101次 阅读
瑞芯微RK3399开发板香橙派4使用 VNC 远程登录的方法

安森美将在中国国际物联网展展示先进的工业方案

安森美展台将展示最近发布的230万像素CMOS图像传感器AR0234CS,该传感器具有高动态范围和创....
发表于 10-18 14:39 284次 阅读

有方科技推出物联网无线通信模组 助力挖掘物联网管道数据价值

在电动两轮车充换电行业,有方科技Cat.1模组N58和超小Cat.1模组N716已经积累了非常丰富的....
的头像 有方科技 发表于 10-18 14:21 405次 阅读

怎样系统地去学习嵌入式呢

嵌入式系统是如何定义的? 可从哪几方面来理解嵌入式系统呢? ...
发表于 10-18 06:54 0次 阅读

聚焦四大物联网痛点 腾讯云有哪些杀手锏产品助力企业数字化转型?

电子发烧友原创 章鹰   “ 我们经历了PC互联网、移动互联网时代,现在到了万物互联的时代,大家感受....
的头像 章鹰观察 发表于 10-16 08:33 1279次 阅读
聚焦四大物联网痛点 腾讯云有哪些杀手锏产品助力企业数字化转型?

福布斯发布2021亚洲中小企业200强,广和通闪耀上榜

近期,福布斯中国发布了“2021亚洲中小上市企业200强”,来自中国大陆、中国香港和中国台湾的共64....
的头像 小通 发表于 10-15 18:28 42次 阅读
福布斯发布2021亚洲中小企业200强,广和通闪耀上榜

电子墨水屏颠覆传统显示方式,应用场景迎爆发式增长

如今,在 5G、AI、IoT 等新技术的催化下,互联网连接日益普及,环保意识也逐步增强,电子阅读器等....
发表于 10-15 18:03 59次 阅读
电子墨水屏颠覆传统显示方式,应用场景迎爆发式增长

有方科技发布全球首创云-管-端接入通信系统化方案

有方科技专注于物联网接入通信,在能源、交通、金融、智慧城市等众多行业具有领先优势。
的头像 有方科技 发表于 10-15 17:54 789次 阅读

信息技术农产品质量安全的可追溯

在任何时候,都有食品安全问题的发生。目前,在科学技术蓬勃发展的背景下,实行农产品安全标志及追溯管理,....
的头像 topyun 发表于 10-15 17:18 451次 阅读

牛!当杂草遇到“黑科技”,智能割草机完胜!

杂草丛生,人工除草太麻烦! 今天,给大家介绍一款神器『智能割草机』既能美化草坪,又能解放双手,省时省力! 一、功能...
发表于 10-15 15:49 101次 阅读

DEKRA德凯积极推动光伏一站式解决方案

作为德国最大、全球排名前四的检验检测认证机构,DEKRA德凯在光伏领域一直积极推动光伏一站式解决方案....
的头像 DEKRA德凯 发表于 10-15 15:09 588次 阅读

欧瑞博荣获“2021物联网行业最具投资价值企业奖”

近日,由深圳市工信局、深圳市福田区人民政府指导,中国高科技行业门户OFweek维科网主办的“OFwe....
发表于 10-15 12:11 47次 阅读
欧瑞博荣获“2021物联网行业最具投资价值企业奖”

什么是Cat.1 Cat.1如何推动IoT发展

根据Counterpoint的最新数据表明,2021年Q2季度全球蜂窝通讯模组出货量达到了1亿,其中....
的头像 美格智能 发表于 10-15 11:30 197次 阅读

不同工作年限的工程师究竟是哪里不同

面试了很多人之后,我开始思考,一个工作1年,工作3年,工作5年,工作10年的嵌入式工程师到底有什么不....
的头像 嵌入式ARM 发表于 10-15 11:03 740次 阅读

WiFi6开启物联网技术的新篇章

物联网这一概念早在2005年在突尼斯举行信息社会世界峰会上就已被提出。随着5G、WiFi6网络的应用....
的头像 电子发烧友网 发表于 10-15 10:14 472次 阅读

RISC-V MCU开发 (十一):跨内核工程转换

    大多数嵌入式工程师使用Keil进行开发,但Keil目前不支持RISC-V内核,只支持ARM内核。MounRiver® St...
发表于 10-15 10:05 101次 阅读
RISC-V MCU开发 (十一):跨内核工程转换

5G套餐的性价比怎么样,来详细分析一波

5G商用之后,与4G对比、争锋的社会大讨论也没有停止过了。比如有许多网友就觉得5G普及导致4G网速变....
的头像 脑极体 发表于 10-15 10:03 244次 阅读

SynSense时识科技与Prophesee普诺飞思达成战略合作,加速推进类脑技术商业化落地

基于本次战略合作,SynSense 时识科技将自主研发的低功耗视觉 SNN 处理器 DYNAP-CN....
发表于 10-15 09:51 1105次 阅读
SynSense时识科技与Prophesee普诺飞思达成战略合作,加速推进类脑技术商业化落地

你知道怎样去绘制嵌入式硬件的原理图吗

你知道怎样去绘制嵌入式硬件的原理图吗?
发表于 10-15 09:32 0次 阅读

C语言在DSP开发中的应用是什么

DSP是什么?定点DSP和浮点DSP有何区别?C语言在DSP开发中的应用是什么?...
发表于 10-15 07:47 0次 阅读

stm32mp1 Cortex M4开发篇2:通过GPIO点亮LED灯详解

写在前面:本文章为《ARMCortex-M4裸机开发篇》系列中的一篇,,全系列总计14篇。笔者使用的....
的头像 刘洋其 发表于 10-14 18:37 37次 阅读
stm32mp1 Cortex M4开发篇2:通过GPIO点亮LED灯详解

机智云物联网推出机智云工业互联网整体解决方案

由博闻创意主办的2021深圳国际电子展暨嵌入式系统展(ELEXCON)将在深圳国际会展中心(宝安新馆....
的头像 机智云物联网 发表于 10-14 17:54 610次 阅读

美的联合华为打造全新物联网操作系统

美的联合华为正式发布全新的物联网操作系统1.0,据悉美的全新的物联网操作系统1.0最新搭载鸿蒙系统,....
的头像 lhl545545 发表于 10-14 17:41 661次 阅读

意法半导体助力Paco Rabanne新款香水融合可持续的奢华和先进非接技术

意法半导体今天宣布与欧洲时装公司 Paco Rabanne 合作开发Paco Rabanne的新款男....
发表于 10-14 16:05 934次 阅读

智慧配电箱的工作原理及技术特点介绍

配电箱是按电气接线要求将开关设备、测量仪表、保护电器和辅助设备组装在封闭或半封闭金属柜中,构成低压配....
发表于 10-14 16:00 17次 阅读

专访安心加云联周鹏:推动地产智能化发展,驱动行业升级革新

2021年9月29日,由高科技行业门户OFweek维科网主办,OFweek物联网承办「OFweek ....
发表于 10-14 15:42 1217次 阅读
专访安心加云联周鹏:推动地产智能化发展,驱动行业升级革新

华为汪涛:走向智能世界2030,无线网络未来十年十大趋势

华为常务董事、ICT基础设施业务管理委员会主任汪涛发表了“走向智能世界2030,无线网络未来十年十大....
的头像 章鹰 发表于 10-14 14:00 1686次 阅读
华为汪涛:走向智能世界2030,无线网络未来十年十大趋势

嵌入式

嵌入式嵌入式开发就是指在嵌入式操作系统下进行开发,一般常用的系统有WinCE,ucos,vxwork....
发表于 10-14 13:55 148次 阅读
嵌入式

嵌入式系统

“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本的核心要素。嵌入式系统具有以下特点:(1....
发表于 10-14 13:49 38次 阅读
嵌入式系统

初识嵌入式

初识嵌入式本以为stm32就是嵌入式,找一圈工作后才发现自己想的太少了,接下来介绍下嵌入式:嵌入式系....
发表于 10-14 13:45 27次 阅读
初识嵌入式

无线温度在线监测系统的工作原理及组成

无线温度在线监测系统具有实时在线监测,工作环境恶劣,安装方便,预警及时等特点,可以保证高压电气设备的....
发表于 10-14 11:52 830次 阅读

一款适用于心电监护仪的嵌入式核心板

在心血管监护病房,既要有心电监护仪,又要有心电图机,如果能把两者功能合二为一,做到同一台仪器上,可以极大的方便医护人员进...
发表于 10-14 11:42 303次 阅读

嵌入式开发概括

学习笔记一:嵌入式系统课程学习储备知识:C语言+单片机(硬件的工作原理)1、嵌入式技术是什么?嵌入式....
发表于 10-14 11:32 24次 阅读
嵌入式开发概括

嵌入式系统原理课后习题练习

嵌入式系统原理及应用----基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103系列微控制器答案仅....
发表于 10-14 11:18 21次 阅读
嵌入式系统原理课后习题练习

基于无线网关的多功能环境监测杆方案

我国幅员辽阔,地形地貌多样,针对环境资源的开发和保护,企业和国土部门对牧场,草场,动植物保护区、湖泊....
发表于 10-13 17:39 18次 阅读

ROHM开发出充电控制IC“BD71631QWZ”,支持新型二次电池等低电压充电

BD71631QWZ是采用ROHM自有封装技术的1.8mm×2.4mm×0.4mm薄小型封装。与普通....
发表于 10-13 16:09 962次 阅读
ROHM开发出充电控制IC“BD71631QWZ”,支持新型二次电池等低电压充电

新思科技推出面向低功耗嵌入式SoC的全新ARC DSP IP解决方案,提升处理器IP核领导地位

新思科技的ARC DSP处理器产品组合通过扩展,可支持更小的矢量,能够在尺寸、功耗和散热受限的系统中....
发表于 10-13 16:03 1369次 阅读

英特尔成立物联网视频事业部,以横向视频技术助推边缘智能升级

2021年10月12日,银川——以“慧见 智及万物”为主题的2021第十四届英特尔物联网峰会今天在银....
的头像 话说科技 发表于 10-13 15:50 423次 阅读
英特尔成立物联网视频事业部,以横向视频技术助推边缘智能升级

电梯监控无线网桥的安装方法

电梯作为楼宇的重要密闭型公共区域和上下出入关键通道,电梯视频监控对整个区域的安防工作具有重要作用,是....
发表于 10-13 15:44 37次 阅读

IPv6+云网将成为新基建各大行业应用场景的技术底座

2021年9月27日下午,“第六期IPv6+产业论坛”与北京“2021 年中国国际信息通信展览会”(....
的头像 华为数据通信 发表于 10-13 14:56 290次 阅读
IPv6+云网将成为新基建各大行业应用场景的技术底座

瑞萨电子推出采用超小封装的全新RA MCU产品群,实现超低功耗和创新的外围功能

 基于Arm® Cortex®-M23核心的全新RA2E2产品群,针对空间受限、功耗敏感的物联网终端....
发表于 10-13 14:48 1145次 阅读
瑞萨电子推出采用超小封装的全新RA MCU产品群,实现超低功耗和创新的外围功能