嵌入式网络与协议栈
嵌入式IPv6协议栈的设计与实现
ｈｔ：ｗ ．＿ ａ ｒ． ｔ ／ ｗｗ ｃｓ ． ｇｃ ｐ／ －ｏ ｎ
计 算 机 系 统 应 用
嵌入式 Ｉ ｖ Ｐ ６协议栈 的设计 与实
刘 桢光 ，张
摘
品
（ 杭州 电子 科 技 大 学 通 信 工 程 学 院 ， 杭 州 ３ ０ １） １０ ８
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｍ ｂ ｄ ｄ Ｉ ６ Ｉ ｙ ｒ ：ｅ ｅ ｅ ； Ｐｖ ； ＣＭ Ｐ ６； ｉ ｈ ｏ ｉｃ ｖ ｒ ｖ ｎｅｇ ｂ ｒｄ ｓ ｏ ｅｙ
随 着 嵌 入式 设 备 的 应 用 日益 广 泛 ，尤 其 在 大 量 的
Ｒ Ｍ、网络芯片等。嵌入式操作系统 完成对硬件 资源 Ｏ 的管理 、为高层应用提供 良好的软件平台 。Ｉｖ Ｐ ６网络 协议就是要使嵌入式系统能直接接收来 自于 Ｉｖ 网络 Ｐ６ 的信息 ，和 向 Ｉｖ Ｐ ６网络中发送信息 ，完成与 Ｉｖ Ｐ ６协 议 的网络通信 功能。应 用程 序是嵌入式系 统的最 终 目
好解 决了Ｉ ｖ 地址空 间有限无法满足数量庞大的嵌入 Ｐ４ 式设备接 入网络的 问题 ，巨大 的地址 空问使得每个 嵌 入式 设备 都可 以作为一个独立 的实体接入 互联网 ，不
再 受 地 址 匮 乏 的 限制 。在 互 联 网 即将 从 ｌ ｖ 过 渡 到 Ｐ４
标所在 ，它可 以是对 设备的控制 ，也可以是对 实时参 数的获取处理等【。 ”
应 用 程 序
Ｓ ｋｅ ＰＩ ｏｃ ｔ Ａ
Ｉｖ Ｐ ６的大 背景下， 在嵌入式设备上实现 Ｉｖ Ｐ ６是大势所
趋。
Ｉ ｖ 协议 栈 Ｐ６ 驱动 程 序 实 时 操 作 系统 硬 件 设备
ｌ 协议 栈的设 计要 点
嵌入式SIP协议栈的设计与实现
② 即时信息服务
ＳＰ协议 的语 法和 语 义很 大程 度 上借 鉴 了 Ｓ Ｔ Ｉ Ｍ Ｐ和 Ｈ ｒ ＴＰ
交流 ， 在嵌入式终端设备 中集成该 服务 ， 以方便用户利用单一 可 的硬件工具享受多种通信服务 ， 增强设备对用户的吸引力。 ③ 实时在线应用 随着嵌入式技术 的发展 ， 实时应用逐 渐 深入到嵌 入式领域 ， 而嵌 入式小 型灵 活的特点 又能促使 该应用 需 求的发展 。在嵌入式设 备上实 现在线 实时游 戏 、 线共享应 在 用 程序 、 共享文本编 辑 、 共享 白板 这些 Ｐ Ｃ上 常见 的 服务 ， 是对 嵌 入式 需求提出 的一种新 的理念 。
功能扩展十分方便 ， 户可 根据需要 ， 用 通过在 ＳＰ终 端定义新 的 Ｉ
随着嵌入式系统和 网络 技术 的发展 ， 嵌入式 通信 网络设备 的应用越来越广泛 。本文针对嵌入式设备在通信 网络上 的互 操 作性和兼容性 ， 以及 扩展 服务 等 问题 ， ＳＰ引入 到嵌 入 应用 将 Ｉ 中。ＳＰ本 身的开放 性和 良好 的服 务可 融合 性 ， Ｉ 可提 高嵌 入 式 网络设备 的互操作性和接入 网络 的便利性 。
ＳＰ协 议本 身只给出了 ＳＰ消息 的文法 定义 以及 自然语 言 Ｉ Ｉ
消息体 、 的消息 头部 或新 的消息类 型来 实现各项业务 。同时 ， 新 ＳＰ很好 的模块化设 计使得 ＳＰ可以方便 地和其他 负责身份验 Ｉ Ｉ 证、 位置 信息 、 音质量 等现有 的 Ｉｔ ｔ 语 ｎ ｍｅ 协议整合 在一起 以提 ｅ
（ ）支持移动性 ３
的实现机制 ， 使用 客户／ 服务 器通讯模 式 ， 其消息 报文基 于文 本 格式 。该协议开放灵活 ， 对下层传输平 台没有 过多要求 ， 既可 以 采用 Ｔ Ｐ， Ｃ 也可以采用 Ｕ Ｐ或其他协议 。 Ｄ
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，EtherCAT （Ethernet for Control Automation Technology）作为一种高效的实时以太网通信协议，逐渐成为了嵌入式控制系统中的重要选择。
而ZYNQ嵌入式平台凭借其出色的处理能力和可扩展性，被广泛用于各类复杂工业控制系统中。
因此，面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现，对于提升系统性能和稳定性具有重要意义。
二、EtherCAT协议概述EtherCAT是一种实时以太网通信协议，通过简单的数据结构传输，实现对数据的实时采集和高速传输。
EtherCAT的协议结构分为三层：网络层、过程层和应用层。
其中，网络层负责数据传输，过程层负责同步处理，应用层则提供了接口用于控制器的逻辑操作。
EtherCAT因其高速性和高效性，广泛应用于机器人、工业自动化等复杂系统。
三、ZYNQ嵌入式平台简介ZYNQ嵌入式平台是一种基于ARM架构和Xilinx FPGA技术的异构计算平台。
它集成了丰富的硬件资源，包括处理器、内存、外设等，可以满足各种复杂系统的需求。
ZYNQ嵌入式平台具备出色的性能和可扩展性，适用于各类工业控制系统。
四、EtherCAT通信协议栈设计面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计，需要从硬件抽象层、网络层、过程层和应用层四个方面进行考虑。
1. 硬件抽象层设计：硬件抽象层负责与ZYNQ嵌入式平台的硬件资源进行交互。
该层需要提供对网络接口、处理器等硬件资源的访问和控制接口，以便于上层协议的实现。
2. 网络层设计：网络层是EtherCAT协议的核心部分，负责数据的传输。
在ZYNQ嵌入式平台上，网络层需要实现以太网帧的封装和解封装，以及数据的发送和接收功能。
3. 过程层设计：过程层负责数据的同步处理和周期性操作。
在ZYNQ嵌入式平台上，需要实现与控制器和其他设备的同步通信，以及实时数据的采集和处理功能。
嵌入式系统的网络通信
嵌入式系统的网络通信嵌入式系统是一种具有特定功能的计算机系统，通常被嵌入到其他设备中，如手机、汽车、电视等。
它们通常需要进行网络通信，以实现与其他设备或云服务器的交互。
本文将探讨嵌入式系统的网络通信相关内容。
嵌入式系统的网络通信方式嵌入式系统可以通过多种方式进行网络通信，其中最常见的是以太网、Wi-Fi和蓝牙等。
以太网是目前最常用的有线网络通信方式，它能够提供较高的通信速度和可靠性。
Wi-Fi是一种无线网络通信方式，它可以实现高速的数据传输，并且可以在室内范围内进行通信。
蓝牙则是一种适用于近距离通信的无线技术，通常用于连接手机和耳机、手环等设备。
不同的网络通信方式适用于不同的应用场景。
例如，以太网适用于需要高速、可靠网络连接的场景，例如服务器、路由器等；Wi-Fi则适用于需要在较大范围内进行通信的场景，例如家庭、办公室、公共场所等；蓝牙则适用于近距离通信的场景，例如手环、耳机等。
嵌入式系统的网络通信协议在进行网络通信时，嵌入式系统需要遵循特定的通信协议，以确保通信的准确性和可靠性。
以下是几种常用的网络通信协议：TCP/IP协议TCP/IP是一种用于互联网的通信协议，它包含了传输控制协议（TCP）和互联网协议（IP）两部分。
TCP负责数据的可靠传输，IP则负责数据在网络中的路由，确保数据能够正确到达目的地。
TCP/IP协议被广泛应用于网络通信中。
HTTP协议HTTP是一种用于客户端和服务器之间通信的协议，它通常被用于Web浏览器和Web服务器之间的通信，用于传输HTML和其他Web资源。
HTTP协议使用TCP/IP协议进行通信，是Web 的核心协议之一。
MQTT协议MQTT是一种轻量级的通信协议，被广泛应用于物联网领域。
它采用发布-订阅模式进行通信，可以实现高效的消息传递。
MQTT协议通常被用于传感器和云服务器之间的通信，例如用于智能家居、智能城市等场景。
CoAP协议CoAP是一种轻量级的通信协议，最初被设计用于无线传感器网络（WSN）中。
轻量级嵌入式TCP／IP协议栈的设计
Ｉ 转发； Ｐ 支持 ＩＭＰ Ｃ 协议； 包括实验性扩展的 Ｕ Ｐ 包括阻 Ｄ ； 塞控制， Ｔ Ｒ Ｔ估算和快速恢复／ 快速转发的Ｔ Ｐ 可选择的类 Ｃ ； 似 Ｂ ｒｅ ｙ的 ｓｃｅＡ Ｉ 支持 Ｄ Ｃ ； ｅ ｌ ｋｅ ｏｋｔ Ｐ； Ｈ Ｐ 支持 Ｐ Ｐ Ｐ ；以太 网的
ＡＲＰ。
上一层无所不在的 “ 电子皮肤” 。要想实现嵌入式系统 的
Ｉｔ ｎ ｔ ｎ ｒｅ 网络化 ， ｅ 就必须在嵌入式系统中实现 Ｔ ＰＩ Ｃ倚介
Ｔ ＰＩ Ｃ／ Ｐ协议层次结构如 图 １ 所示 。
应用层
运输 层 网络 层
Ｉ Ｍ Ｐ、 Ｉ Ｃ Ｐ
这 已经成为嵌入式应 用领 域和 网络互联领域 的研究热点 。 要 实现嵌入式 Ｔ ＰＩ 协议栈，最 关键 的一 个问题就是 ， Ｃ／ Ｐ
［ ｂｔ ｃ］Ｔ ｅ ａｅ ｔ ｄ ｃｓｈ ｇ ｔ ｅ ｈ ｓ ｃ ， ｓｒ ｅ ｅ ｔ ｄ ｒ Ｔ Ｐ Ｐ ｔ ｋ Ｉｇ ｅ ｐ ￣ ｓＯ ｈ ａ ｃ ｒ ｏ ＰＩ ａ Ａ ｓ ａ ｔ ｈ ｐ ｒｎ ｏ ｕｅ ｅ ｉ — ｉ ｔｔ ｋ Ｉｄ ｃ ｂ ｓｈ ａ ａｄ Ｃ ￣ ａ ＋ｔ ｉ ｓ ｍ ｈ ｉ ｔ ｔ ｃ ｒ ｔ ｓ ｆ Ｃ ／ ｓ ｃ ｒ ｐ ｉｒ ｔ ｌｈ ｗ ｇ ａ ｔｅ ｉ ｔ ｓ ｎ ｓ ｃ ｖ ｅ ｅ ｈ ａ ｅ Ｔ Ｐｔｋ
ｉ ｍｂ ｄｄ ｄｓ ｓｅ ａ ｄｄ ｓｇ ｔｏ ｓＡ ｏｍｐ ｒｓ ｎｂ ｔ ｅ ｔｎ ａｄＴＣＰ￣Ｐｓ ｃ ｎ ｇ ｔｗｅｇ ｔ ｎｅ ｅ ｅ ｙ ｔｍ ｎ ｅｉ ｎｍｅｈ ． ｃ ｄ ａｉｏ ｅｗｅ ｎｓａ ｄ ｒ ｔ ｋａ ｄｌ ｈ— ｉｈ ａ ｉ ＴＣＰ／Ｐｓ ｃ ｓｌｓｅ Ｉ ｔ ｋ ｉ ｔｄ． ａ ｉ
总结了轻量级 Ｔ Ｐ Ｐ 议栈 和标准 Ｔ Ｐ Ｐ Ｃ／ 协 Ｉ Ｃ ｆ 协议栈 的区别。 ｉ 关蝴 Ｉ ：嵌入式系统 ；轻量级 ；Ｔ Ｐ Ｐ协议栈 Ｃ／ Ｉ
基于嵌入式的实时通信协议栈研究与设计
层， 最 上 面 一 层 代 表 的 是 应 用 程 序 和 网 络 软 件 之 间 的 接
口， 最 下 面 一 层 表 示 网 络 软 件 与 网 络 物 理 设 备 之 间 的 接
ＡＰＩ
口。 为 了 进 行 网 络 之 间 的通 信 ， 应用 程序需 要从 上到下 ， 通 过协 议栈来 进行数 据 的传输 。 网 络 经 过 协 议 栈 使 信 息
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：Ｔ ＣＰ ／ Ｉ Ｐ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ； ｒ ｅ ｌ －ｔ ａ ｉ ｍｅ
嵌 入 式 网 络 协 议 栈 是 指 通 信 网 络 中 网 络 层 与 其 他 各 层之 间的协 议 。 嵌 入 式 通 信 网 络 可 看 成 是 一 系 列 功 能
操 作 系 统 接 Ｅ ｔ 层
回
回
协 议 栈 核
心
１嵌 入 式 通 信 协 议 栈 及 实 时 性
对 于 嵌 入 式异 构 型 对 等异 质 网络 的 通信 和交 互 问
ｉ ｎ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ －ｔ ａ ｉ ｍｅ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｔ Ｃ Ｐ／ Ｉ Ｐ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ １ ．
的 嵌 入 式 领 域 ，其 实 时 性 方 面 的 性 能 显 得 不 足 。 为 此 ，对 基 于 Ｔ Ｃ Ｐ ／ Ｉ Ｐ协 议 的 嵌 入 式 通 信 协 议 栈 进 行 了分
析， 针对 通信 中的 Ｔ Ｃ Ｐ拥塞控 制 问题进行 了改进 ， 有 效地提 高 了 Ｔ Ｃ Ｐ ／ Ｉ Ｐ协议 的 实时性。
嵌入式网络接口模块设计及协议栈实现
解决 的问题是 如何 实现 嵌入 式设 备 与网络互 联 的
问题 。本 文 以 Ｓｌ ｏ ａｏａｏ ｅ 公 司 的 Ｃ ２ ０ ｉｃｎ Ｌ ｂ ｒｔ ｉｓ ｉ ｒ Ｐ２ ０
以太 网控制 器 为基 础 ， 重介 绍 了嵌 入 式 系统 网 着 络接 口的软硬 件设计 。
Ｆ Ａ Ｈ存 储 器 、２位 Ａ Ｃ ９通 道 输 人 多路 选 择 ＬＳ １ Ｄ 、 开 关 和可 编 程增 益 放 大 器¨ 。Ｃ ８５ Ｆ２ Ｊ Ｆ０ １００指 令 执 行 的高速 度为 它处理 复杂 的网络协议 提 供 了条
随着 信息 家 电 的出 现 ， 入式 设 备 的网 络化 必 将 嵌
拥有 更加 广 阔 的 发展 前 景 。在 此 过 程 中 ， 首先 要
５ １有 标 准 的 ８５ ０ １程 序 和数 据 地 址 配 置 ， 用 采
流水线 结构 ， 大多 数 指 令 的执 行 时 间 为 １或 ２个
系统时钟周期 ， 时钟频率 ２ Ｍ ｚ ， ５ Ｈ 时 峰值 速度可
系统 硬件 主 要 由单 片机 和 以 太 网控 制 器 组 成 。单 片机 和 以 太 网 控 制 器 都 采 用 的 是 Ｓｉ ｎ ｉｃ ｌｏ Ｌｂｒｔｉｓ 司 开 发 的 芯 片 ， 片 机 采 用 的 是 ａｏａ ｒ 公 ｏｅ 单
Ｃ ０ １ ０ ０， ８ ５ Ｆ ２ 以太 网 控 制 器采 用 的是 Ｃ ２ ０ 。系 Ｐ２０
１Ｂ Ｓ ０ Ａ Ｅ—Ｔ以太 网 物 理 层 收 发 器 ， 括 接 收 器 、 包
１２ Ｃ ０ １ ０ ０微 控制器 简 介 ． ８ ５ Ｆ ２ Ｃ ０ １ ０ ０单 片机是 由 Ｓｌ ｏ ｂ ｒｔ ｅ ８５ Ｆ２ ｉｃｎ Ｌ ｏ ｏ ｓ ｉ ａ ａｒ ｉ
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》
《面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈设计与实现》一、引言随着工业自动化和智能制造的快速发展，EtherCAT （Ethernet for Control Automation Technology）通信协议因其高带宽、低延迟和易扩展的特性，在嵌入式系统中得到了广泛应用。
本文将详细介绍面向ZYNQ嵌入式平台的EtherCAT通信协议栈的设计与实现过程，通过对其体系结构和功能的全面描述，旨在为相关开发人员提供一定的参考。
二、EtherCAT协议概述EtherCAT是一种实时以太网通信协议，其核心思想是将实时控制任务的数据传输与标准以太网进行无缝集成。
EtherCAT协议通过分布式时钟和状态机机制，实现了对数据的高效、实时传输。
在嵌入式系统中，EtherCAT协议的应用能够显著提高系统的响应速度和数据处理能力。
三、ZYNQ嵌入式平台简介ZYNQ嵌入式平台是一款基于Xilinx FPGA和ARM Cortex-A9处理器的嵌入式系统。
其具有高性能、低功耗的特点，广泛应用于工业控制、医疗设备、智能交通等领域。
在ZYNQ平台上实现EtherCAT协议，能够更好地满足实时性、稳定性和可扩展性的需求。
四、EtherCAT通信协议栈设计1. 整体架构设计EtherCAT通信协议栈的设计包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。
其中，物理层负责与硬件设备进行数据传输；数据链路层负责帧的封装与解析；网络层负责数据的路由与转发；应用层则提供丰富的接口供上层应用使用。
2. 详细设计（1）物理层设计：物理层采用标准的以太网物理层芯片，通过MII/GMII接口与ZYNQ平台进行连接。
（2）数据链路层设计：数据链路层负责将上层数据封装成EtherCAT帧，并实现帧的发送与接收。
此外，还需要实现分布式时钟同步机制，以保证数据的实时性。
（3）网络层设计：网络层主要负责数据的路由与转发。
在EtherCAT协议中，网络层需要实现SDO（Service Data Object）访问和PDO（Process Data Object）通信等功能。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
HomePNA的缺点
传输距离短：150m 高频串扰
工业网络与现场总线
现场总线特点
实时性与时间确定性 协议的简单性 短帧信息传送 信息交换的频繁性和网络负载的均衡性 要求网络有较高的安全性、容错能力 低成本要求
嵌入式系统的联网
选择协议栈
网络协议所占用的内存 硬件资源 协议开销
选择网络技术 选择现成的实现方案 使用标准的应用协议 流行的网络体系结构
NetBIOS IPX/SPX AppleTalk TCP/IP
嵌入式Internet
概述 应用
智能公路、植物工厂、虚拟现实（VR）机器人、工 业制冷、VR精品店、VR家政系统、工业自动化、 POS网络及电子商务、环境工程与自然
硬件和软件体系结构
点到点通信：半双工方式、全双工方式 总线：固定优先级仲裁、公平仲裁 交叉开关网络 多级网络 多种网络
报文传递编程
请求/应答方式 推移方式
嵌入式网络-基于网络的设计过程
通信分析 系统性能分析考虑
任务之间无相互干扰 任务间的相互干扰 设计原则
网络中的优先级倒置
报文的优先级不同 报文的优先级相同
最后100m-家庭网络技术
HomePNA（Home Phoneline Network Allicance, 面向家庭的电话线路网络联盟） xDSL Cable Modem 无线接入技术
HomePNA的简介
电话线：双向、低速 有线电视电缆：单向（部分经双向改造） 电力电缆：干扰比较大，带宽有限 HomePNA的优点
原理
直接接入 通过网关接入（EMIT为例）
嵌入式TCP/IP
基于硬件实现、基于DSP实现、普通协议栈、代理 协议栈
蓝牙技术
特点
适用设备多、工作频段全球通用、使用方便、安全 加密、抗干扰能力强、兼容性好、尺寸小、功耗低、 多路多方向链接
应用
蓝牙芯片 无线耳机 手机 笔记本电脑 无线操作的便携硬盘 个人计算机附件
I2C总线
物理层（SCL和SDL） 电路接口（上拉） 数据链路层 字节格式 总线属性
嵌入式系统的联网-选择网络技术
嵌入式网络与协议栈
概述
原因
计算和处理资源的分散性 减少处理的数据量 模块化设计需求 系统可靠性要求
应用
物理层联网 通信技术 工业控制领域 Internet应用
嵌入式网络-分布式嵌入式系统
基于网络的嵌入式系统组成 网络抽象模型：开放式系统互联参考模型
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应 用层
现有现场总线标准
IEC技术报告（FF H1） ControlNet（美国Rockwell公司支持） Profbus（德国西门子公司支持） P-Net（丹麦Process Data公司支持） FF HSE（美国Fisher Rosemount公司支持） Swiff Net（美国波音公司支持） WorldFIP（法国Alsthom公司支持） Interbus（德国Phoenix Contact公司支持）
硬件平台设计、分配与调度
所需要的处理器数目 所有处理器的类型 所需要的网络数目 网络的类型（以及数据速率） 对I/O密集系统，从I/O设备以及关联的处理入手 对计算密集系统，从进程入手
嵌入式网络-几种常用的网络技术简 介
PCI方案 Compact PCI PC104/PC104 Plus IrDA/FastIrDA USB Ethernet/Fast Ethernet IEEE 1394 PCMCIA接口 其他