謝凱

摘要：基于移動通信技術(shù)自身的局限性，開始將具備更加廣闊的應(yīng)用前景的嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用在移動通信系統(tǒng)中，因此研究嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先分析嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并從具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式和不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式兩個方面，分析嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：嵌入式以太網(wǎng);移動通信;終端端口

中圖分類號：TP393.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0060-02

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了通信系統(tǒng)的技術(shù)革命，人們逐漸希望擁有一臺移動通信設(shè)備，并可以在任何時間、任何地點及時查看移動通信設(shè)備的狀態(tài)，并隨時進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。嵌入式系統(tǒng)在這方面能夠起到巨大的作用，所謂嵌入式系統(tǒng)一般是以計算機科學(xué)為基礎(chǔ)，以滿足用戶的功能需求為根本目的，能夠獨立控制處理數(shù)據(jù)的一項技術(shù)，一般體積小、能耗少、可靠性強，在與以太網(wǎng)連接之后就具備了遠(yuǎn)程通信的能力[1]。目前的嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)有了十分巨大的進(jìn)步，并且科學(xué)家們逐漸將視線轉(zhuǎn)移至嵌入式以太網(wǎng)。在科技的飛速進(jìn)步之下，各式各樣的嵌入式系統(tǒng)越來越多，并且先后接入了以太網(wǎng)，擁有了以太網(wǎng)的連接功能[2]。因而開始將嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)中，為用戶提供一個方便快捷且成本低廉的通信方式。

1 嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性

如上文所述，嵌入式以太網(wǎng)因為技術(shù)先進(jìn)、信息傳輸性能優(yōu)越、網(wǎng)絡(luò)延遲低、設(shè)備操作簡單等原因，已經(jīng)在現(xiàn)實中實現(xiàn)了初步應(yīng)用。但是由于嵌入式以太網(wǎng)自身局域性的特點，很多人擔(dān)心在移動通信技術(shù)中，很有可能因為會因為通信用戶過多而導(dǎo)致嵌入式以太網(wǎng)過載連接失敗，因此對嵌入式以太網(wǎng)在移動通信技術(shù)中的應(yīng)用沒有足夠的信心[3]。在傳統(tǒng)的嵌入式以太網(wǎng)中，因為嵌入式以太網(wǎng)程度通信方式是一種相互協(xié)議且非確定性的通信模式，不存在優(yōu)先級判定，因此當(dāng)多人同時向一個人發(fā)送信息時，系統(tǒng)無法判定那條信息應(yīng)該首先表達(dá)，繼而產(chǎn)生邏輯沖突，導(dǎo)致信息接收失敗[4]。在同一條網(wǎng)絡(luò)通路上，即使不是向同一個人發(fā)送信息，也很可能因為嵌入式以太網(wǎng)本身的局限性而導(dǎo)致信息發(fā)送失敗。這種情況看似合理，卻幾乎不可能會發(fā)生。即使在理論上嵌入式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)流沖突不可避免，但是在移動數(shù)據(jù)的容量較小時，是能夠保證性能的。且嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的速度較其他網(wǎng)絡(luò)更快，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度的增強保證了嵌入式以太網(wǎng)在移動通信技術(shù)中的實時性。在嵌入式以太網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展之后，交換機技術(shù)得到推廣，嵌入式以太網(wǎng)信息碰撞的問題得到了妥善的解決，每個用戶都可以獨占一條線路，不必再擔(dān)心信息流沖突的問題[5]。對比研究普通網(wǎng)絡(luò)和嵌入式以太網(wǎng)，可以發(fā)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)比普通網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)信息的響應(yīng)速度快太多了，因為以太網(wǎng)自身的特點，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)上移動時不需要像普通網(wǎng)絡(luò)一樣經(jīng)過各個節(jié)點，而是可以一步到位。這樣一來，就能夠大量地節(jié)省傳輸時間，并省略了數(shù)據(jù)通過節(jié)點時占據(jù)的內(nèi)存空間。在網(wǎng)絡(luò)空間中的數(shù)據(jù)大致可以分為三類：正常周期性傳輸?shù)倪\行數(shù)據(jù)、突發(fā)事件的偶然數(shù)據(jù)和隨機性數(shù)據(jù)。普通網(wǎng)絡(luò)面對突發(fā)性數(shù)據(jù)和隨機數(shù)據(jù)的反應(yīng)速度也遠(yuǎn)不如嵌入式以太網(wǎng)。而且在科技的發(fā)展下，嵌入式以太網(wǎng)的造價較過去降低了很多，已經(jīng)具備了初步普及的條件，這使得嵌入式以太網(wǎng)在移動通信技術(shù)中的應(yīng)用擁有了可行性，并為其提供了可靠的保證。

2 嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用模式

2.1 具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式

嵌入式以太網(wǎng)在應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)以后，需要首先設(shè)置嵌入式以太網(wǎng)的接口，并優(yōu)先完成處理信息網(wǎng)絡(luò)通信的模塊，即通信模塊。基于TCP/IP協(xié)議的復(fù)雜性，想要實現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)立，需要優(yōu)先處理CPU運行速度、RAM和ROM的內(nèi)存容量、雙網(wǎng)設(shè)計切換等嵌入式以太網(wǎng)的核心問題。選擇合適的嵌入式以太網(wǎng)控制器以后，就可以真正在移動通信技術(shù)中應(yīng)用嵌入式以太網(wǎng)[6]。嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中一般有兩種應(yīng)用方式，其一是在如智能手機、筆記本等智能電子設(shè)備上安裝一個嵌入式以太網(wǎng)接口，并將該設(shè)備作為一個嵌入式以太網(wǎng)的節(jié)點連接在嵌入式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上，具體模型如圖1所示。

如上圖所示，嵌入式以太網(wǎng)的終端端口分別由個人端口和工程師端口組成，通過嵌入式以太網(wǎng)連接不同的電子設(shè)備，并使這些電子設(shè)備具備嵌入式以太網(wǎng)的特點。但是若想實現(xiàn)實時性更高的嵌入式以太網(wǎng)移動通信技術(shù)，就需要得到硬件層面的保證。整個嵌入式以太網(wǎng)體系都需要支持嵌入式以太網(wǎng)DMA的數(shù)據(jù)傳輸，嵌入式以太網(wǎng)控制器的規(guī)格為10/100Mbps，將嵌入式以太網(wǎng)控制器的芯片調(diào)整為兼容模式，并將嵌入式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)壓縮編碼成為數(shù)據(jù)包。這樣才能準(zhǔn)確地重新輸入代碼，定時中斷信號，通過指令讀取堆棧指針和CPU寄存信息，支撐整個移動通信系統(tǒng)的運行。以太網(wǎng)控制器和收發(fā)器的種類很多，隨著芯片科技的發(fā)展，集成式的嵌入式以太網(wǎng)控制器已經(jīng)應(yīng)用在實踐領(lǐng)域。因此，此時具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式就有兩種不同的硬件實現(xiàn)方案。第一，將CPU與嵌入式以太網(wǎng)控制器聯(lián)合起來，再加上嵌入式以太網(wǎng)收發(fā)器，形成嵌入式以太網(wǎng)硬件系統(tǒng)。

嵌入式以太網(wǎng)的控制器和收發(fā)器都需要執(zhí)行IEEE 802.3所制定的規(guī)則，由TCP/IP協(xié)議完成解釋和執(zhí)行計劃。還可以使用集成芯片作為嵌入式以太網(wǎng)的主體，其具體模式如圖2所示。

如圖2所示，64位操作系統(tǒng)的CPU與嵌入式以太網(wǎng)控制器處于同一集成芯片上，不需要使用外部數(shù)據(jù)線連接，而是通過其芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線作為連接工具。因此，圖2所示的集成式硬件系統(tǒng)具備極強的抗干擾性和可靠性，不過在價格上較分布式硬件系統(tǒng)略貴。因此，當(dāng)CPU為64位或32位操作系統(tǒng)時，通常使用集成式硬件系統(tǒng)，但是當(dāng)操作系統(tǒng)變?yōu)?6位，因為不容易找到能夠與其相匹配的嵌入式以太網(wǎng)控制器作為集成芯片的組成部分。

2.2 不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式

不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的智能移動通信設(shè)備無法直接與嵌入式以太網(wǎng)連接，只能先通過RS232/485連在一起，將另一個具備嵌入式以太網(wǎng)接口的移動通信設(shè)備作為中轉(zhuǎn)站，作為節(jié)點連接在嵌入式以太網(wǎng)接口上，并將不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的智能移動通信設(shè)備連接在具備嵌入式以太網(wǎng)接口的移動通信設(shè)備上。相比于具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式，不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式在軟件配置和成本控制上有一定的差異。嵌入式以太網(wǎng)本質(zhì)上是在物理與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層面具備邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種總線型網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)包括TCP/IP協(xié)議在內(nèi)的各種高層協(xié)議。作為一種成熟的高層協(xié)議，TCP/IP協(xié)議在指定的最初就擁有一個具備廣適性的通信協(xié)議。這個網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次模型如下圖所示。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的層次模型共分為6層，應(yīng)用程序作為應(yīng)用層，TPC/IP協(xié)議作為傳輸層，UDP和邏輯鏈路作為網(wǎng)絡(luò)連接層，均由微處理器處理。嵌入式以太網(wǎng)訪問控制層作為鏈路訪問層由嵌入式以太網(wǎng)控制器管理，嵌入式以太網(wǎng)收發(fā)器作為物理層由硬件驅(qū)動器實現(xiàn)。因此，所有的通信行為均由微處理器在應(yīng)用層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)連接層實現(xiàn)?？紤]到嵌入式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲能力有限，在完成保留其數(shù)據(jù)處理能力的前提下，可以將TPC/IP協(xié)議拆分為IP協(xié)議、TPC協(xié)議和UDP協(xié)議，這三個協(xié)議都是TPC/IP協(xié)議的基本協(xié)議。

為了滿足TPC/IP協(xié)議的復(fù)雜性，一般將多任務(wù)、多線程的TPC/IP協(xié)議軟件作為操作系統(tǒng)，嵌入式以太網(wǎng)一般具備極強的實時通訊功能，因而具備移動通信系統(tǒng)的實時性特征，嵌入式以太網(wǎng)對于每一個具備物理特性的應(yīng)用都保證了其可預(yù)測性。因此，在TPC/IP協(xié)議實現(xiàn)時，采用了嵌入式以太網(wǎng)作為移動通信系統(tǒng)的重要工具，利用多任務(wù)機制和互斥機制進(jìn)行管理和調(diào)度。

因此，在實現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用模型的過程中，需要一次構(gòu)建嵌入式RTOS模塊以及TPC/IP模塊。充分利用嵌入式操作系統(tǒng)的多角度互斥機制，使嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用機制清晰可見。

就目前來看，嵌入式以太網(wǎng)的建設(shè)成本已經(jīng)控制在了很低的程度，已經(jīng)初步具備了大范圍推廣的條件。無論是使用具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式還是使用不具備嵌入式以太網(wǎng)接口的應(yīng)用模式作為嵌入式以太網(wǎng)的實現(xiàn)方式，都會因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的不同對網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生不同的影響。因此具體在實際中應(yīng)用哪種模式，需要根據(jù)具體情況和所需成本來考慮。

3 結(jié)束語

移動通信技術(shù)的應(yīng)用是必然的發(fā)展，本文將嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用在移動通信系統(tǒng)中，對其進(jìn)行了簡要探討和研究。為了增強移動通信系統(tǒng)的實時性和操作性，上文中簡單介紹了嵌入式以太網(wǎng)，探究了嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了嵌入式以太網(wǎng)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用模式及其相關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)。綜上所述，應(yīng)用嵌入式以太網(wǎng)的移動通信技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，因此這項新興技術(shù)還需要更加深入的研究。

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【通聯(lián)編輯：張薇】