摘要：针对某些单mcu结构的嵌入式internet服务器性能价格比低且灵活性差的问题，提出了一种双mcu结构的嵌入式internet接入服务器（dmcueias）。它使嵌入式internet的用户交互和设备控制分离，用户通过internet不仅可以监视和控制现场设备，而且利用rac可以将任务下载到现场；解决了低端单mcu处理能力低高端mcu成本高的矛盾，并能够灵活地实现现场控制程序的功能扩展和升级。

tcp/ip协议栈

嵌入式internet[1]是指借助于internet监视和控制工厂的机器、通信设备、数据采集系统、过程控制系统、医疗设备、机顶盒、车辆控制器、办公机械、个人数字助理（pda）和其它设备。随着internet/intranet的迅猛发展，将internet延伸到8位、16位、32位单片机，实现基于internet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emall等功能已经成为嵌入式系统发展的必然趋势。就嵌入式internet系统而言，实现internet通信协议及其服务，同时还要控制现场设备将占用大量资源，而嵌入式internet系统中大量存在的是8位和16位mcu，这些系统在某些环境下实现上述功能将十分困难[2]。如果采用32位或64位的处理器，无疑会增加成本。为此，本文提出了一种双mcu结构的嵌入式internet接入服务器dmcueias。其中一个mcu作为internet服务器与用户交互（称作inetmcu），它支持tcp/ip协议栈并运行internet服务程序，形成一个用户可以通过浏览器进行交互的服务器；另一个mcu专门用作设备服务器（称作devmcu）控制多个设备。inetmcu和devmcu通过rac协议实现通信，完成现场设备的控制。这样可以提高性能价格比，具有操作简便、功能易扩展等特点。

1 硬件结构

双mcu结构的嵌入式internet接入服务器dmcueias采用atmel公司生产的at90s8515微控制器作为inetmcu，采用at89s53作为devmcu，系统体系结构如图1。其中，devmcu拥有12k字节的flash程序存储器，256字节的片内ram，3个可预分频的16位定时储器，256字节的片内ram，3个可预分频的16位定时器、计数器，32位i/o口和一个内置的全双工uart；inetmcu拥有8k字节的flash程序存储器，512字节的片内eeprom，512字节的片内ram，1个可预分频的8位定时器、计数器，1个可预分频、具有比较、捕捉和8/9/10位pwm功能的16位定时器和计数器，用于程序下载的spi口，32位i/o和一个内置的全双工uart。inetmcu的时钟频率是8mhz，可以高速地通过isa口传递数据（约2mbps）。通过一个时钟周期内执行一条指令，inetmcu可以取得近1mips/mhz的性能。通过在单一芯片内将一个增强性的8位risc cpu与可下载的flash结合，使它非常适合多种嵌入式应用要求，具有高度灵活性和低成本的特点。dmcueisa的以太网控制器采用台湾realtek公司的rtl8019as（10mbps）。其采用全双工通信方式，使帧的发送与接收能够在一条通信线路上同时进行。使信道的带宽增加一倍，实现了基于ieee802.3协议标准的mac层（media access control layer）的所有功能。内置的双dma通道 fifo完成简单有效的包管理（数据帧的接收和发送）功能，本地dma通道的传输速率高达10mbps。其优越的性能价格比使它非常适合嵌入式internet系统。

在inetmcu的片内flash中固化的服务程序可以现任务调度、线程支持、文件系统、内存管理、网络系统（tcp/ip）和i/o管理等。通过20位（8位a口，8位c口，d口的pd0、pd1、pd2、pd7）i/o口连接到廉价的isa总线的网卡芯片rtl8019as卡，能够对外（如internet上的用户）提供一种通过以太网接口访问嵌入式系统的方法。inetmcu的片内eeprom存储授权的用户名、密码和其固定的ip地址及mac地址。远程用户访问dmcueias时，要比较用户名密码，只有合法用户可以通过internet访问dmcueias。inetmcu的片内ram存储临时数据，同时外扩了32k字节的seeprom。它采用at24c256存储不同的控制网页，完成必要的文件系统功能，通过web页可以实现远程用户与dmcueias的交互。inetmcu用12位（8位b口作为数据口，d口的pd3、pd4、pd5、pd6作为控制口）i/o完成与devmcu的通信。devmcu的片内flash已经固化dcx51嵌入式实时操作系统、通信服务和远程存取控制服务（rac），负责现场设备的控制。devmcu的另外16位（8位a口，8位c口作为数据）i/o口与isp相连，完成必要的逻辑功能，最后由isp的io56～io63(8位)通过功率驱动直接驱动设备。2 软件体系结构

2.1 tcp/ip协议

由于系统的资源有限，要求实现协议时应从具体需求着眼，而不是以实现完整的协议为主要目的。dmcueias要求能够提供www服务，并选择以太网为其运行的网络环境。这样用户可以利用浏览器通过http协议浏览事先下载到inetmcu的seeprom中的控制网页，通过该网页传递控制命令到inetmcu。客户端发来的数据以http协议标准发到dmcueias。这是因为http协议是国际标准，它被所有浏览器支持，能保证用户可以通过任何地方的浏览器下达命令。http协议建立在tcp协议的基础上。建立连接时经过三次握手，每次传输数据都要求服务器给予确认；如无确认，则重发，保证从客户端到inetmcu的数据正确、无整。

软件部分要实现的协议[3]至少是：应用层上负责web页面请求和应答的http协议；位于传输层上保证数据进行可靠传输的tcp协议[4]，在数据传输时采用带重传机制的停-等协议，有效保证数据的传输；位于网络层上进行数据传输的ip协议；ip[5]是tcp/ip协议族中最为核心的协议，它对收到的ip数据报进行分用，提交tcp或icmp协议处理，对tcp或icmp[6]报文进行ip封装，交数据链路层装帧发送是ip协议负责的主要任务，因此对这两个功能也要进行实现；实现32位ip地址到48位网卡地址转换的arp协议，完全可以满足网络上主机对inetmcu的ip地址进行解析的需求；实现网卡的驱动程序。ping这一常用的网络诊断工具也应该被提供，所以与ping相应的icmp协议应该予以实现。

2.2 dcx嵌入式实时操作系统

dmcueias基于实时多任务操作系统“&”，这是一段在dmcueias启动后首先执行的后台程序。用户的应用程序是运行于rtos上的各个任务，rtos[8]根据各个任务时要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在rtos[9]支持的dmcueias系统中，每个任务均有一个优先级。dmcueias根据各个任务的优先级，动态切换各个任务，保证实时性的要求。

dcx（distributed control executive）嵌入式实时操作系统[10]相当于实时操作系统的核，本文讨论的dmcueias支持8位的dcx51。dcx51执行程序已固化在devmcu中，为bitbus网络上的节点提供多任务能力，并且控制devmcu和inetmcu之间的通信。dcx51操作系统提供中断处理，能实时地响应外事件发出的中断服务请求、任务间的通讯、任务的同步，内部存储器管理对应用程序代码段和数据区以不同方式管理；定时服务以及其于优先级的抢占式任务调度方法。新建任务如果优先级最高，可立即运行，否则处于就绪状态。就绪队列中的任务按优先级顺序排列，下一次运行的总是就绪阶列中优先级最高的任务，同优先级的任务则按就绪时间顺序排列是。dcx支持多任务，0号任务rac是系统任务，它管理目标机与上位机通信。含有dcx51的devmcu作为主控芯片安装到目标机上，分布到工业现场中控制设备。对于每部分功能，dcx都提供系统调用，这些调用就是用户任务与dcx的接口。这些服务综合在一起就实现一个实时系统。这样在dmcueias中，用户主要完成控制外部设备的各个程序模块。

2.3 rac任务

任务是一个可调度的执行单元，它由执行代码和只能由该任务存取的私有数据组成。rac（remote access control）任务，即远程存取和控制，专门负责远程任务的接收和发送。当信息发送到另一节点时，dcx51执行程序发送信息到rac任务（即任务0）。rac任务内含通信服务，它已经随同dcx51操作系统一道固化到devmcu，通过dcx51,可以实现inetmcu与devmcu的通信。它有两种类型的服务：数据存取和任务控制。数据存取类的服务可以对devmcu不同的存储器段或i/o空间进行数据的读或写。任务控制类的服务可以下载一个任务的目标代码到devmcu，建立或删除在devmcu的一个任务。传到inetmcu的数据通过rac任务从inetmcu传到devmcu，再由devmcu完成远端设备的控制和访问。

rac任务的信息格式如表1。其中，link是系统用于保存信息表的两字节的参数；message length是rac命令或回答的字节数。mt(message-type)：指定信息类型的一位；se（src-ext）表示产生信息的任务是否在扩展节点上；de（dest-ext）：表示接收命令信息的任务驻留在扩展节点上，还是在一个设备上；node address：只能通过pc系统接口进行传递的信息参数是0xff，当信息从同一节点的一个任务传递到另一个任务时，参数是"0"；source task：是源节点发送任务的任务id(0～7)；destination task：是目的任务的任务标识符；command/respond：包含选择规定的rac任务的参数（不同服务其值也不同），rac任务的响应信息包含了指示服务结果的状态代码；data：数据，对不同rac服务而不同。表1 rac信息格式

2.3.1 rac任务控制类

任务控制类允许用户在远程节点上使用适当的dcx51系统调用，或者控制远程节点自身。在dmcueias中用户可以把指定的任务文件（必须是十六进制格式，如.hex）通过internet下载到inetmcu里，然后通过下载后，客户端还要发create命令激活下载的文件数据，通过rac任务create服务把命令传到devmcu，完成新任务的建立，实现控制设备。

用户还可以控制其它服务如delete task（删除特定的任务，并禁止所有与该任务有关的中断）、reset device（全部任务初始化），为此用户必须知道当前运行的任务号。这需用户事前发get function ids命令，devmcu通过rac任务的get function ids服务把id号传给inetmcu，并通过internet返回到客户端，用户可对任务进行不同的操作（如删除等）。

2.3.2 rac数据存取类

数据存取类使用户可以对不同的存储段或i/o空间进行数据的读写。在dmcueias中，客户端可以通过对devmcu的i/o空间进行数据读写来控制设备，完成数据的写（客户端传来的数据直接控制设备状态）、读（把设备的状态通过网络传给客户端）。

rac任务写服务：写数据到devmcu的i/o口中。客户端从internet传来的设备状态码从inetmcu写到devmcu，完成对设备的控制。

rac任务读服务：把devmcu的i/o口内容进行读和显示。当前设备的状态（用一字节8位表示，即可同时控制8个设备）从devmcu传到inetmcu，然后通过internet返回到远端的客户端，用户就可知道设备的状态。

3 实验结果

本文的实验环境是：通过计算机的rs-232串口把编好的服务程序（采用汇编语言，这样可减少程序代码量，并提高执行效率）固化到inetmcu的flash存储器里，实现较完整的服务器功能，如任务调度、线程的支持、文件系统、内存管理、网络系统（tcp/ip）和i/o管理。断开程序下载线，双mcu结构的嵌入式internet接入服务器（dmcueias）和运行客户端程序的pc机只通过网线连接。了演示实验结果，把8个设备用8个指示灯代替，对指示灯的控制通过二进制0（灯灭）、1（灯亮）实现，即指示灯只有两个状态，完成客户远端控制和读取指示灯的状态。这个实验环境是对用户通过internet远端控制设备的模拟。

验证rac任务控制类：首先下载文件fd.hex，它控制指示灯，使8个小灯按序接连亮，然后灭，下一个亮，到最后一个灯，再从第1个灯开始，重复循环……然后用户发create命令，激活任务，实现实验目的。在这里共有4个任务，所有用户发的get function ids只有id0、id1、id2、id3返回，它们分别完成不同的功能。任务0即rac任务，完成inetmcu与devmcu的通信。客户端可以分别控制这4个任务，对不同任务进行不处理（如删除等）。验证rac数据存取类：用户发“写”0xff命令，则8个灯全亮（8位，每位控制1个灯）；用户发“读”命令，则从devmcu返回0xff，指示灯状态是全亮。

但为使mcu与非标准设备有统一的接口，而不用提供专门的接口是下一步研究的方向。