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用MSP430實(shí)現(xiàn)的嵌入式因特網(wǎng)終端設(shè)計(jì)
【摘 要】本文詳細(xì)描述了用TI公司的MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式因特網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩大部分。MSP430微控制器控制以太網(wǎng)控制器CS8900A實(shí)現(xiàn)本地局域網(wǎng)的功能，通過(guò)TCP/IP協(xié)議提供與因特網(wǎng)進(jìn)行連接的應(yīng)用接口，使用該應(yīng)用接口，可以建立新的任務(wù)或改變現(xiàn)有的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)中其它終端間的通信。在本文中，給出了硬件原理圖，說(shuō)明了部分模塊的工作流程。
【關(guān)鍵詞】因特網(wǎng)；MSP430；終端；以太網(wǎng)；TCP/IP
1.介紹
計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)尤其是因特網(wǎng)在日常生活中的作用越來(lái)越重要，并且呈加速發(fā)展的趨勢(shì)。如今，上網(wǎng)不再是個(gè)人電腦和網(wǎng)絡(luò)工作站的專利，很多用微控制器（或稱單片機(jī)）控制的嵌入式系統(tǒng)也成為了因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的一員，通常，這種嵌入式系統(tǒng)可稱為嵌入式因特網(wǎng)終端。試想，如果通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，能夠完成對(duì)遠(yuǎn)處的微控制器控制，并能夠接收到微控制器采集的信號(hào)，那將給人們的生活帶來(lái)很大的便利和極大地推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。打個(gè)比方，如果通過(guò)辦公室的一臺(tái)連接到因特網(wǎng)的電腦和安裝在家里的嵌入式控制器，人們就可以了解到家里或者發(fā)生的一切，那么家居防盜等一系列問(wèn)題將會(huì)等到很好的解決。
MSP430是由于TI（Texas Instruments，美國(guó)德州儀器公司）開(kāi)發(fā)的16位微處理器，其突出的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)低功耗，非常適用于各種低功率要求的應(yīng)用，有多個(gè)系列和型號(hào)。由于其性價(jià)比比較高，所以，被廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng)化，醫(yī)療設(shè)備，安防系統(tǒng)，樓宇控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域當(dāng)中。本因特網(wǎng)終端設(shè)計(jì)方案中使用的MSP430F149是TI公司于2000年增加的MSP430F1X中的一員。
2.協(xié)議基礎(chǔ)
ISO（Internet Standard Organization，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織）于1981年提出了OSI（Open System Interconnect，開(kāi)放系統(tǒng)互連）七層網(wǎng)絡(luò)模型。七層網(wǎng)絡(luò)模型的最大優(yōu)點(diǎn)是將服務(wù)、接口和協(xié)議這三個(gè)概念明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)：服務(wù)說(shuō)明某一層為上一層提供一些什么功能，接口說(shuō)明上一層如何使用下層的服務(wù)，而協(xié)議涉及如何實(shí)現(xiàn)本層的服務(wù)。
因特網(wǎng)采用的四層網(wǎng)絡(luò)模型是OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的一個(gè)子集，其具體的四層：應(yīng)用層、傳輸層、因特網(wǎng)層和網(wǎng)絡(luò)層，圖1為因特網(wǎng)的四層網(wǎng)絡(luò)模型與OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。因特網(wǎng)模型通過(guò)數(shù)據(jù)分段(Segment)中的序列號(hào)保證所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在遠(yuǎn)端按照正常的次序進(jìn)行重組，而且通過(guò)確認(rèn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?BR>
圖1 OSI七層協(xié)議與因特網(wǎng)四層模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系
2.1 以太網(wǎng)（Ethernet）[1]
以太網(wǎng)是目前用得最廣泛的一種局域網(wǎng)，它在因特網(wǎng)四層網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)中，屬于網(wǎng)絡(luò)層。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利，它們之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)占用是通過(guò)具有沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)( CSMA/CD )的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，網(wǎng)絡(luò)中的連接一般采用雙絞線或同軸電纜。以太網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)48位、唯一編號(hào)的地址。每幀數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為1518個(gè)字節(jié)，第一個(gè)48位為目標(biāo)地址，第二個(gè)48位為數(shù)據(jù)源地址，然后是2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀類型值，在數(shù)據(jù)幀的最后，自動(dòng)生成4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）值，用于保證數(shù)據(jù)幀的完整性。
2.2傳輸控制協(xié)議TCP(Transmission Control Protocol)
TCP提供了一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，盡管TCP是DARAP協(xié)議組中的一員，但它卻有很大的獨(dú)立性。它對(duì)下層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只有最基本的要求，很容易在不同的網(wǎng)絡(luò)上建成，因而非常流行。ISO/OSI運(yùn)輸層標(biāo)準(zhǔn)中的第四類TP-4就是以 TCP作為原型建立的。TCP可以在眾多的網(wǎng)絡(luò)上工作，可以提供虛擬電路服務(wù)和面向數(shù)據(jù)流的傳輸服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)可以有序而且可靠的傳送。在一個(gè)分組可能發(fā)生丟失、破壞、重復(fù)、延遲或失序情況下，TCP服務(wù)可提供一種可靠的進(jìn)程間通信機(jī)制，協(xié)議可以自動(dòng)糾正各種差錯(cuò)。
2.3網(wǎng)際協(xié)議IP(Internet Protocol)
第三層最重要的協(xié)議是IP。它將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一個(gè)互連網(wǎng)。IP的工作是將一個(gè)以上的報(bào)文處理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)際網(wǎng)。IP的基本任務(wù)是通過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)報(bào)，各個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)之間是相互獨(dú)立的。主機(jī)上的IP層基于數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)向傳輸層提供服務(wù)。IP從源運(yùn)輸實(shí)體取得數(shù)據(jù)，通過(guò)它的數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)傳給目的主機(jī)的IP層。網(wǎng)關(guān)通過(guò)下一網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)傳到目的主機(jī)或下一網(wǎng)關(guān)。
2.4地址轉(zhuǎn)換協(xié)議ARP(Address Resolution Protocol)
在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，每個(gè)主機(jī)分配的組位IP地址只是一種邏輯地址，這樣在傳送時(shí)必須轉(zhuǎn)換成物理地址，ARP協(xié)議就是完成這一功能的。? ARP使主機(jī)可以找到同一物理網(wǎng)絡(luò)中任一物理主機(jī)的物理地址，只需給出該主機(jī)的網(wǎng)際地址即可。可見(jiàn)，基本網(wǎng)絡(luò)的物理編址對(duì)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)是透明的。
2.5 其它協(xié)議
在因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議當(dāng)中，還有其它相關(guān)的協(xié)議，如：反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議RARP(Reverse Address Resolution Protocol)、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP(Internetwork control Message Protocol)、超文本傳輸協(xié)議(hypertext transfer protocol)等，它們?cè)谝蛱鼐W(wǎng)的數(shù)據(jù)交換當(dāng)中都有什么重要的作用，本文限于篇幅，不一一詳細(xì)介紹。
3.硬件設(shè)計(jì)[1]
本設(shè)計(jì)中所用到的兩個(gè)重要組件為TI公司的微處理器MSP430F149和Crystal公司的以太網(wǎng)控制器CS8900A，下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)組件，再論述硬件實(shí)施方案。
3.1MSP430F149[2]
MSP430F149具有60K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器和2K字節(jié)的RAM、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、6個(gè)8位的通用I/O口、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口和1個(gè)硬件乘法器等。MSP430F149的60K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器足以存儲(chǔ)網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)， 6個(gè)通用I/O口既可以用來(lái)控制以太網(wǎng)控制器CS8900A，也可以用來(lái)執(zhí)行其它的用戶命令，12位A/D轉(zhuǎn)換器可以用來(lái)在終端采集數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)給用戶.
3.2CS8900A[3]
CS8900A低功耗的以太網(wǎng)控制器，被廣泛應(yīng)用于工控機(jī)中。其高集成度的設(shè)
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