單片機或微控制器（MCU ）已經在家庭和工業的各個領域得到了應用，通稱嵌入式系統，因為計算機芯片 是嵌入在有關的設備中的，沒有自己獨立的外殼。 目前大多數嵌入式系統還處于單獨應用的階段，以MCU為 核心，與一些監測、伺服、指示設備配合實現一定的功能。在一些工業和汽車應用中，為了實現多個MCU之間的信息交流，利用CAN、RS-232、RS-485等總線將MCU組網，但這種網絡的有效半徑比較有限，有關的通 信協議也比較少，并且一般是孤立于Internet以外的。Internet現已成為社會重要的基礎信息設施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。

將嵌入式系統與Internet結合起來的想法其實很早以前就有了，主要的困難在于Internet 上面的各 種通信協議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而嵌入 式系統中除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU,支持TCP/IP等Internet 協議將占用大量系統資源，或根本不可能。本文將以嵌入式微控制器Internet技術（EMIT） 及其在中國的技術開發中心BOL/TASKING 公司的解決方案為基礎，描述如何實現嵌入式 設備的Internet網絡化。

1 PSM2000ACD網絡模塊

PSM2000ACD是由力源公司開發的網絡接口模塊，可以實現MCU系統與基于PC平臺的網關（Gateway）接口。這個模塊電路內部包含網絡通信（Gateway）接口。這個模塊電路內部包含網絡式調制解調器模塊，及1個外接標準調制解調器接口，如圖1所示。其中PS2000是Webchip接口電路，它與MCU系統交換信息通過17條指令完成，與MCU系統的軟件接口比較方便；同時，它的內部駐留網絡協議解釋和編譯程序，與基于PC機網關通信時負責對于網絡協議進行必要的規范和解釋，而PC機網關能夠提供HTTP服務，可以與計算機瀏覽器接口。PS2000這種Webchip接口電路的結構和原理已有詳細介紹，見參考文獻[4],這里不再重復。

PSM2000ACD主要用于智能設備的網絡接口，一方面用1個標準串行外圍接口與用戶單片機應用系統連接；另一方面與PC平臺連接有多種選擇，即可用RS-232、RS-485接口，或者采用調制解調器。MCU應用系統通過PSM2000ACD模塊連接上網十分方便。圖2為其典型連接方法。其中DS2401集成電路為專用電子標簽接口，作為設備的唯一標識。MCU應用系統與PSM2000ACD的連接，既可以滿足點-點通信或者點-多點通信的要求，也能實現遠/近程通信的要求，結構比較簡單，另外，由于它的內部駐留網絡協議解釋和編譯程序，系統設計人員不必熟悉網絡協議，將這個模塊作為一個"灰匣子"處理即可，使得開發和應用工作周期縮短，成本也比較低。

使用Webchip進行網絡系統設計的步驟是：

（1）建立MCU系統中需要控制的對象，并確定其中需要通過Internet進行遠程控制的對象；

（2）建立MCU系統變量表（VAR-TABLE）；

（3）建立MCU系統狀態性能表（CAP-TABLE）；

（4）MCU解釋并執行Webchip傳送來的命令。

當建立了系統變量表（VAR-TABLE）和系統狀態性能表（CAP-TABLE）后，通過Webchip的連接，在網關（Gateway）和MCU系統之間建立起面向對象的控制，即Gateway與MCU的通信是通過變量表和狀態性能表進行的。MCU是通過Webchip與Gateway建立聯系，實現MCU與Internet的連接。一旦建立起連接后通過Internet進行遠程監測或控制都成為可能。在這種連接中，必須遵守一種"主-從"關系，保證它們之間可靠的工作，即按照下述原則：

（1）高級別的設備可以主動向低級別的設備發送命令、數據和請求，拒絕低級別的設備一切主運信號。

（2）低級別的設備只能被動接受高級別的設備發送命令、數據和回答請求，不能主動向高級別的設備發送信號。

由前面介紹中可以看到，這種形式是將多個MCU通過PSM2000ACD模塊與1臺PC Gateway相連后再與Internet連接，需要利用PC機網關提供的HTTP服務，不能直接將MCU與Internet連接。這是這種形式的一個弊端。

2 IP2022網絡連通處理器

IP2022是美國UBICOM推出的一顆功能強大的網絡通信處理器，處理器速度可達120~160MIPS,片上有64K Flash、16K SRAM（program）、4K SRAM（data）、10位ADC.它采用軟件模塊的方式在芯片上實現多種通信接口，是業界領先的單芯片網絡通信處理器，可以實現802.11b、802.11g、802.11a、Bluetooth、HomePlug、Ethernet、 USB、 MII、 I2C、 SPI、GPSI、 UART等協議，適用于無線通信和embedded Internet的應用。IP2022內含全雙工硬件串/并（SerDes）模塊，能直接與各種常用網絡接口連接。可實現片內10Base-T 以太網（ MAC 和PHY）USB,以及其他各種快速串行協議。由于其內含兩個SerDes部件，能方便地從一種格式轉換為另一種格式，所以也能作協議轉換器。IP2022的工作頻率為100MHz,大多數指令均為單周期執行，其吞吐量能滿足各種新型網絡連通應用的要求。IP2022以軟件模塊（ipModules） 形式實現外設通信和控制功能，比傳統硬件具有更大的系統設計靈活性，還提供了傳輸控制協議、網際協議、網絡協議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。

圖3為IP2022組成框圖。根據圖3的內部結構說明如下：

（1）CPU特性

IP2022是基于RISC結構的，指令速率可達到100MIPS,大多數指令為單周期指令，因此它能夠執行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現硬件外設功能，如UART、I2C、SPI、FSK等。它的內部有16級硬件椎棧，提供高性能的子程序連接。

（2）片內存儲器情況

IP2022的內部有64KB（32K×16）的Flash程序存儲器，還有16KB（8K×16）的（程序/數據）RAM.由于程序存儲器為閃速Flash存儲器，所以這還具有自我編程的能力，即自身讀、寫和擦除指令。存儲器內軟件實現的協議處理可以在不改變硬件的情況下，通過改變內置程序使整個系統能升級。

（3）其他硬件資源

包含8/16位并行接口、8個通道的10位A/D、PLL時鐘乘法器、定時器等等。

此外介紹Ubicom有關軟件的情況。Ubicom的軟件開發環境包括編輯器、匯編程序、調試程序、仿真器和編程工具。現在的ipModules庫（預創建軟件模塊）有：

ipOS-操作系統；

ipStack-TCP/IP椎棧；

ipWeb-Web Server;

ipFile-文件系統；

ipIO-MII,I2C,SPI,UART.

由于IP2022屬于速度比較高的一類單片機，可以實現多任務的操作，即MCU在完成數據采集或控制的同時把數據打包發送到Internet,這是它的顯著優點。此外，這個系統所需要的外圍器件少，系統成本不高，加上片內還包含存儲器、A/D、串行I/O口等硬件資源供用戶使用，這些配置可以應用到很多場合中。由于這個系統還能提供用于Internet處理的軟件模塊，開發周期也可以大大縮短。

（4）IP2022應用情況

目前，IP2022通信系統產品還是采用評估套件的形式提供給用戶使用。同時也有相應軟件模塊提供給用戶使用，這些軟件模塊主要存儲在內速存儲器，它可以進行加載和調整，使用的靈活性比較好。由于應用在不同的場合，產品有兩種基本形式：一種是以太網協議堆棧評估套件，另一種是Internet協議堆棧評估套件。

基于以太網協議的堆棧套件是按照通信控制器要求配置的。它支持包括TCP、UDP、IP、ICMP、DHCP、ARP、HTTP和STMP在內的協議，主要是供給有一定應用經驗的用戶接入以太網。這種套件包括完整的網絡服務器（web server）和電子郵件（email）應用，使之能夠實現HTTP（超文本傳送協議）和SMTP（簡單郵政協議）應用協議。ARP協議（地址確定協議）和DHCP協議（動態主機控制協議）則是用于處理地址以適應特定的以太網環境的。這種通信控制器具有系統自身修改程序的能力，當能這還需要另外購置專用的設計工具進行加載和程序重調。

另一種是適應Internet協議的堆棧評估套件。它也是按照通信控制器要求配置的標準Internet協議層組合物，支持包括PPP、TCP/IP、HTTP、STMP和POP3在內的Internet協議，供給有一定應用經驗的用戶接入Internet.套件也包括了網絡服務器和電子郵件應用這種具體應用形式，前者是實現超文本傳送協議（HTTP）和實現與網絡瀏覽器通信；后者提供在應用層的SMTP和POP3協議的電子郵件應用。這兩種具體應用形式可以在不改變電路結構的情況下進行軟件重新裝配。

在實際的（Internet協議堆棧）應用板上包括以下的基本部件：

通信控制器-P2022;

擴展存儲器-用于存儲網頁內容的存儲器；

2個DB-的串行連接器，1個接MODEM、1個作為調試接口；

另外還有時鐘電路、LED顯示器、復位按鈕和直流電源插頭。

在應用板上裝有相應的Internet協議，它通過DB-9串行連接器接一個MODEM就可以與遠程的PC通信。一旦建立了撥號上網連接之后，在遠程的PC瀏覽器就能夠觀察到應用板上存儲器內保存的網頁內容。

3 其他同類型器件模塊

除上述電話外，目前也出現了一部分比較新的電路和軟件，限于篇幅只能簡要介紹它們的主要特性。

（1）EM2000系列以太網模型路由器

由單片機實現的微型路由器，支持RS-232、RS-485、CAN Bus設備和以太網的連接并實現TCP/IP協議到用戶網絡協議的轉換。可以使用戶現有的設備非常容易連接到以太網，從而縮短用戶的產品開發時間；可以快速將用戶原有的設備連入到因特網（見參考文獻[5]）。

（2）Nport Express

具備1個RS-232/422/485三合一串口和1個10/100Mbps的TCP/IP網絡連接，可讓串口設備立即連接網絡。Express體積只有香煙盒大小，模塊只有信用卡大小，容易集成在系統或設備內。它還提供完整的Windows2000/NT/95/98/ME、Linux、UNIX的程序和TCP/IP Socket工具，使系統開發者無須更改現有的應用軟件或程序，即可如同使用COM口一樣，透過網絡直接控管RS-232/422/485設備，保障現有的軟件投資。此外，串口通信應用開發工具軟件及函數庫和完整的監控程序，使串口通信應用程序的開發和數據傳輸監控更為簡單（見參考文獻[6]）。

（3）RABBIT2000微處理器、TCP/IP開發工具包

提供1個帶有8位高性能微處理器的工具平臺和動態C語言軟件開發包。該工具是開發加強型10 M-BASE以太網應用中必不可少的。RABBIT2000微處理器可以進行直接軟件開發，用戶程序由動態C語言創建，軟件開發環境包括編輯程序、編譯程序和調試程序。程序的編譯和執行可通過動態C語言和編程電纜來實現，而無需電路仿真程序。使用RABBIT2000微處理器工具包內的開發板，可以直接評估開發TCP/IP應用，執行碼可下載到內存或SRAM中。該工具包還提供TCP/IP協議的全部源代碼（見參數文獻[7]）。

嵌入式Internet與MCU技術密切相關，需要多方面的協作，因此包括Siemens/Infineon Philips和Motorola在內的數十個公司聯合成立了"嵌入式Internet聯盟（ETI）",共同 推動這一市場。可以預言，嵌入式設備與Internet的結合代表著嵌入式系統和網絡技術 的真正未來。