数字家电的网络接口功能设计及实现.docx
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数字家电的网络接口功能设计及实现
分类号学号
学校代码密级
硕士学位论文
数字家电的网络接口功能
设计及实现
学位申请人
：
学科专业
：
计算机应用技术
指导教师
：
教授
答辩日期
2009.10
AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
TheFunctionDesignandImplementationofNetworkInterfaceofDigitalAppliances
Candidate:
Major:
ComputerApplicationTechnology
Supervisor:
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期：
年月日
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本论文属于
保密□，在年解密后适用本授权书。
不保密□。
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指导教师签名：
日期：
年月日日期：
年月日
摘要
信息化是当今世界发展的大趋势，是推动经济社会发展和变革的重要力量。
在社会日益信息化的变革需求下，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落，嵌入式处理技术也发展得越来越强大。
由于传统数字家电实现方案一般是采用家庭网关和专用计算机的方式，既不经济也缺少全面实用性，实现数字家电、控制设备的网络化、智能化的控制与信息共享，已经成为未来家电的一个发展趋势。
用DSP芯片TMS320C5402与网络接口控制器RTL8139相结合,将各个家用电器接入到以太网，再通过以太网接入到因特网的嵌入式系统网络接入方式即为本系统的解决方案。
本系统是对DSP应用进行设计与实现，主要介绍了嵌入式系统设计的步骤与方法、数字家电的概念、TCP/IP协议栈的相关核心协议，给出了解决方案的软硬件实现方法，包括TMS320C5402的接口设计；RTL8139体系结构；硬件电路；嵌入式TCP/IP协议栈，系统软件流程以及协议软件实现方法。
实现了精简的TCP/IP协议栈，包括ARP,ICMP,TCP,IP。
详细解析了各层协议的实现过程、硬件接口技术及程序调度流程。
关键词：
嵌入式系统，数字信号处理，数字家电
Abstract
Informationization,asanimportantforcecompellingtheeconomicsocialdevelopment,isamaintendencyintheworld’sdevelopment.Meetingtheneedsofsocialrenovationofinformation,computersandnetworkhavealreadyenteredintopeople’sdailylivescompletely.Andtheembeddedprocessingtechnologyhasbecomebetterandbetter.Thetraditionaldigitalappliancesusuallyemployedthemeansofhomegatewayandspecializedcomputers,whichwasneithereconomicalnorpractical.Asaresult,theimplementationofremotecontrolandinformationsharinginthenetworkandintelligentofdigitalappliancesandcontrolequipmentshasbecomeatrendinthefuturaldevelopmentofappliances.
Theresolutionofembeddedsystemnetworkaccessstatedinthethesisis:
connectingthecombinationofDSPchip-TMS320C5402andnetworkintegrationchip-RTL8139toethernet,thenconnectingethenettointernet.Itincludesthreefuntionmodules:
DSPapplication,theinformationinterfaceofappliancesandnetworkinterface.ThisdeviceisthedesignandimplementationofDSPapplication.Itmainlyintroducesthestepsandmethodsofembeddedsystemdesign,theconceptofdigitalappliances,therelatedcoreprotocolofTCP/IPstack.Italsoputsforwardtheimplementationmethodsbothofhardwareandofsoftware.Themethodsare:
theinterfaceofTMS320C5402,thearchitectureofRTL8139,thehardwarecircuits,theembeddedstackofTCP/IP,thesystemsoftwareprocedureandtheprotocolsoftware.ItimplementsthesimplifiedstackofTCP/IP,whichincludsARP,ICMP,TCPandIP.Atlast,itanalysestheimplementationprocessofprotocolofeachlayer,thehardwareinterfacetechnologyandprogramschedulerprocess.
Keywords:
Embeddedsystem,Digitalsignalprocessing,Digitalappliances
引言
随着以计算机技术为核心的信息技术，特别是数字化技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，信息技术正逐步向传统的家用电子产业渗透，基于因特网的智能化数字家电产品已经开始步入社会和家庭。
数字家电由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在21世纪必将成为现代社会和家庭的新时尚。
当家庭综合服务器将家庭中各种各样的智能数字家电通过局域网连接在一起时，就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家电系统。
数字家电是为了迎合普通大众的使用习惯，降低信息产品的使用难度，以家电化的界面出现的信息产品。
它减少了人机之间的技术障碍，突出了机器的应用功能，必将加快信息产品的普及速度。
数字家电以应用为主，既具备普通家电的优势——操作简单、性能稳定、价格低廉、维护简便，又能突出功能优势，将某些应用功能，譬如文字处理、图形处理、发送传真、电子邮件等等从大而全的电脑整体功能上剥离出来，并集合在某一特定产品中，从而大大提高了产品的专用性，体现出科技以人为本的精神。
另外，由于其操作系统采取了嵌入式软件，用户在使用时，不用和操作系统直接接触，从而降低了应用界面的技术要求，提高了产品的智能化水准。
虽然应用性和专用性在产品中得到了极大的突出，但是信息交互、家庭娱乐、家庭教育等信息产品固有的高性能特征亦被保留，并得到强化。
这样的数字家电产品在优化电脑应用功能的同时，摒弃了电脑作为专业产品所要求的一定的计算机知识要求，使信息产品携带高科技走入千家万户。
新的数字世界正在改变着家庭生活，使生活、工作的环境越来越舒适、越来越安全、越来越方便。
信息技术和数字技术为家庭的网络化和智能化带来了美好的前景。
目前支持嵌入式系统上网的标准是TCP/IP协议栈，包括TCP、IP、ICMP、ARP等，这些协议的实现在嵌入式系统中有特别的要求，研究嵌入式TCP/IP协议栈以满足嵌入式系统的性能要求有重要的意义。
而数字信号处理器（DSP）正加速进入嵌入式应用领域，如何将DSP与以太网连接起来，实现DSP与DSP或PC与计算机间的网络互连显得非常重要。
1
嵌入式系统及数字家电概述
1.1嵌入式系统简介
1.1.1嵌入式的定义
嵌入式系统就是“嵌入到对象系统的专用计算机系统”。
广义地说，一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软硬件的集合体，可大致分为硬件与软件两部分。
硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端、图形控制器等。
软件部分包括操作系统软件（WindowsCE或RTOS）和应用程序。
狭义的嵌入式系统则仅指装入另一设备并控制设备的专用计算机系统，包括目标机与宿主机两部分；其中目标机是一种功能单一、处于从属地位的计算机系统。
嵌入式计算机系统的正式定义为：
以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、体积、成本、功耗的严格要求的专用计算机系统[2]。
1.1.2嵌入式系统与PC系统的区别
嵌入式系统的最大特点是专用性，即每一个嵌入式系统都是专用为某个特定的设备或是为了实现某个特定的功能而设计实现的，这是嵌入式系统与PC系统最大的区别。
正因如此，嵌入式系统也受到空间、成本、存储、带宽等限制。
1.2数字家电的概念及其发展
1.2.1数字家电的概念
随着科技的不断发展进步以及人们对生活质量的标准的提高，追求家电品位和操作控制的便捷性。
信息技术和网络化技术为数字家电的集中控制和远程调控提供了可能。
将信息技术和家电控制技术相融合，来实现家庭生活的信息化、网络化和自动化，满足人们舒适、方便的生活要求。
数字家电（IA）也叫3C产品，是计算机（Computer）、通信（Communication）和消费类电子产品（ConsumerProducts）三者融合的产物，其实质就是将移动通讯设备及传统PC机中的一些常用功能，与数字技术和网络技术紧密结合，以简单精巧的形式融入到家电设备中，使其成为具有视听、信息处理、双向网络通讯等功能的家庭信息终端，故也叫网络家电。
数字家电既具有双向传输信息的功能:
如网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事物管理等，又具有电器简单易用、价格低廉、维护简便的特点[3]。
目前我们能够看到的数字家电，是使普通电视机可接收数字电视信号，并能上网的机顶盒以及WebTV，Webphone，Web游戏机，还有各种手持式信息装置，如掌上电脑、PDA及智能移动电话等。
数字家电应该继承传统家用电器简单、方便、实用、耐用性。
同传统的家电产品相比，数字家电具有如下特点:
（1）网络化 数字家电通过其相应的网络接口（家庭网关等），可与Internet相连，实现家电的网络可视化和控制；并可以与厂家的服务器相连，可对家电实行智能更新和故障维护。
（2）智能化 智能数字家电可以根据周围环境的不同自动做出响应，不需要人为干预。
（3）自动化 能够实现对家用电器设备的自动化控制和远程控制功能，对电表、水表和煤气表用量进行自动数据采集、计量，并将采集结果传送给小区物业管理系统。
（4）开放性和兼容性 数字家电的生产厂家成千上万，数字家电平台必须具有开发性和兼容性。
（5）家庭通信与网络应用 传递数字与多媒体信息，如电话、传真、计算机等，包括Web浏览器、收发E-mail、聊天、网络游戏、网上购物等等。
（6）易用性 虽然数字家电增加许多功能，但其操作则更加简单，易懂。
总之，数字家电是网络上的家电，而不是PC的外设。
也就是说，数字家电是个独立的实体，能够完整地实现某种统一的、标准的通信协议和控制协议，访问Internet。
1.2.2数字家电产品分类
数字家电技术和产品分类
数字家电主要有二大技术流派：
一是以WinCE为核心的“维纳斯计划”，包括TCL“网事通”、联想起居室电脑、海尔“见龙”等；二是“女娲计划”，它和上海红壹佰电脑制造有限公司、西安协同软件集团、摩托罗拉联合成立新世纪IT战略联盟。
另外，还有一些既非“维纳斯”又非“女娲”的流派比如康佳的“光元”、高通的“东方一号”等。
按照功能区域划分成五大类产品：
第一类就是家庭网关类产品，我们叫做家庭控制中心，这个中心，它可以和家庭所有的设备进行内部的通讯，以及它和外界Internet连接目前是通过电话线来进行，同时它又是家里各种设备的控制中心，比如说：
你可以通过它控制包括从电灯到冰箱，以及到你（家里）一系列的，这样的一种（电器）产品；
第二类就是围绕着PC构成的，以信息处理为主的叫做信息中心，包括家用台式PC、笔记本、掌上电脑、手持电脑等；
第三类是围绕着电视，就是电视和视听这一类产品，构成的叫做娱乐中心，它是家庭娱乐和生活的一部分，它包括机顶盒，包括现在的MP3、数码录像机、VCD这一系列的电器产品，这叫做娱乐中心；
第四类是通讯中心，是围绕着跟外界进行语音、数据通讯，包括现在智能电话、因特网电话这一系列通信产品；
最后一类是生活中心，就是说包括网络冰箱、网络空调，洗衣机这一类的产品，它们都会在未来的网络化世界里得到一些变化。
1.3数字家电与Internet
1.3.1数字家电与Internet
随着网络技术的飞速发展，Internet己成为社会信息设备的基础。
作为信息流通的主要渠道，其范围覆盖整个世界，深入到生活的每个角落。
通过网络能传输包括图像在内的任何数据信号，而且协议是标准公开的，任何一种标准浏览器都可以浏览等。
家电接入Internet，成为Internet中的独立节点，使之成为执行工作与控制任务Web站点。
这种嵌入式网络化数字家电可以像普通家电那样按设定程序对相关物理量进行自动工作、控制、存储和显示测量的工作结果及控制状态；同时具有重要的网络应用特征，经授权的家电使用者，通过Internet可以远程对家电进行功能操作、获取结果并对家电实时监控、设置参数和故障诊断，控制其在因特网上动态发布信息为所有授权者共享。
总之，家电进行网络化改变了家电工作的面貌，打破了控制和显示的传统模式，依靠Internet和网络技术，人们就可以有效的控制远程设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。
1.3.2数字家电的技术标准
数字家电的市场是无限的，但是生产厂家的不同，对数字家电的通用性发展形成了障碍。
为此，制定统一的数字家电技术标准，是发展数字家电关键一步。
现在常用的标准有：
（1）分布式网络环境协议Jini技术
Jini是Sun公司推出的基于Java的，具备即插即用功能的分布式计算机环境，利用Java的远程方法调用（RMI）来使用其它设备提供的服务。
Jini技术的目标就是让网络上的成员功能方便地共享彼此的资源。
该技术可以创造出一个富有弹性、容易管理、且可随时随地使用各种服务的家庭网络环境。
（2）通用即插即用技术（UPnP）
UPnP（UniversalPlug&Play）由微软公司开发，基于IP网络，为家庭中可能出现的动态环境提供了如何发现服务和如何实现服务的应用程序编程接口（API）。
它通过简单服务发现协议和轻量级目录帮助协议来实现网上设备和服务的自动查询，并用XML描述设备的操作界面并产生控制信息。
（3）家庭API技术（HomeAPI）
由微软、Intel、飞利浦等公司发起的HomeAPI工作组为加速家庭网络应用软件的开发，正在研发一套适宜于家庭网络的通用API的工业规范以及相应的SDK。
HomeAPI与其它方案的不同之处，就是它定义了独立于协议的API和通用的编程模型，所以可以在很大程度上补充其它的方案。
（4）Jetsend技术
Jetsend是HP公司的技术，它集中于互操作协议栈的会话层、格式层和内容层，其重点是提供了数据的表示与协商机制。
Jetsend不制定任何特定的传输机制，所以它能够使用任何可靠的传输。
（5）家庭音频/视频互操作技术（HAVi）
HAVi（HomeAudioVideointeroperabitily）技术得到了索尼、飞利浦和其它消费电子产品公司的支持。
它以IEEEE1394为基础，使来自不同厂商的数字音频、视频设备能够相互连接和操作，以构成家庭娱乐性的AV（音频和视频）网络。
它支持高速数据传输，允许设备预定带宽和其它资源，所以特别适合实时AV数据流的不间断传输。
它还具有即插即用功能，提供直观的用户界面和将来的可扩展性，所以很有技术优势和发展前景。
（6）开放系统网关开创技术（OSGi）
OSGi（OpenSystemGatewayinintiative）技术由IBM、爱立信、朗讯等公司联合组成的协会开发。
OSGi也以Java为基础，是一种尝试在Internet上实现非IP协议之间的通信机制。
其中，Jini技术和HAVi技术以其独特的技术优势得到业界广泛的关注。
1.3.3数字家电与Internet连接方式
数字家电与Internet的连接方式是多样的，一般有五种：
（1）在家用电器内部控制器上嵌入支持TCP/IP协议的芯片，直接上互联网；
（2）在家用电器中加入WebChipTM芯片，使之通过MCUnetTM网络芯片与Gateway连接，再进入因特网；
（3）利用EmWera公司的EMIT技术，再通过emGateway和因特网连接；
（4）在家用电器中嵌入NeuronChip，利用LonWorks组成局域网，再通过网关和因特网连接；
（5）采用32位高档单片机，在RTOS（实时多任务操作系统）平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议处理。
1.4国内外现状
目前，数字家电正处于起步阶段，己经开发的数字家电有电子书、信息手表、机顶盒、视频观察眼睛、个人数字助理、具有信息访问能力的微波炉及冰箱等10多种。
目前接触数字家电只是极少数具有先锋意识的专业人士，绝大部分家庭对数字家电还缺乏基本的了解和认识。
对于业界研究的状况而言，近年主要是对家庭网关和专门的计算机服务器等数字家电连接方式的研究，从而实现数字家电Internet连接。
复杂的计算都是在PC机上实现。
随着对嵌入式系统和芯片的不断认识，将复杂计算和TCP/IP协议运行的繁重任务交由DSP芯片（单片机）来实现。
这样，由DSP芯片来控制网卡芯片实现与Internet进行连接，对家庭家用而言是个很大的节约，对数字家电的推广也有很大的促进。
1.5数字家电发展存在的问题
现有家电网路网络控制系统在操作方式及方便使用方面离用户的要求还有一定的差距，问题的主要表现在：
（1）家庭内部各部分的通信协议不同，难以构成一个统一的家庭网络系统，无法在应用层为用户提供方便统一的使用界面。
因此延缓了相关市场的普及和家庭网络化的进程。
提供了一个兼容各种底层协议的面向开发应用的进程。
从而实现了家庭网络的互操作。
是当前技术团体研究的热点，同时也是家庭网络进一步发展的关键。
（2）现有协议和目前的网络家电构想的缺陷与不足，目前没有统一的应用层通信协议标准出现，大多数网络家电产品需要家底那厂家的配合，所以在技术商具有较大的依赖程度；而家电厂家往往不愿公开自己的技术密码。
网络家电产品的不兼容性造成了网络技术发展的障碍。
（3）各厂家各自为战带来的问题。
1.6小结
数字家电是今后电子产品的发展趋势，也将人们的生活、工作与信息紧密地联系在一起。
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DSP数字信号处理与嵌入式协议
2.1数字信号处理理论及实现
2.1.1数字信号处理理论
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合与识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的。
信号处理技术要完成的主要任务是在背景噪声下提取出有用的信号或信号的特征并将其应用于实际工程。
2.1.2数字信号处理实现
数字信号处理的实现可以分成软件实现和硬件实现。
用软件实现的方法也就是用户通过自己编写软件或是使用现成的软件包在PC机上实现数字信号处理。
这种方法的优点是费用较低、易调试，但是速度慢，不能用于实际系统。
此方法适用于教学和仿真研究，MATLAB就是仿真软件中较流行的一种。
硬件实现的方法大体可以分为以下几种：
利用单片机实现
（1）优点是单片机的接口性能良好，容易实现人机接口，而且单片机也在不断地发展。
但是由于单片机的总线结构是冯·诺依曼结构，因此其系统结构复杂，运算速度慢。
（2）利用通用DSP实现
DSP采用了改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、累加器，使用流水线结构，具有很高的并行性，并有一套专门的指令系统。
（3）利用专用DSP实现
将某种特定功能的软件算法已经固化在DSP芯片内，用硬件来实现。
用户不再需要进行复杂的编程，只需输入数据，便可在输出端得到结果。
此方法对于那些常用的处理，可以达到最大的效率。
其缺点则是灵活性差。
（4）利用FPGA等可编程阵列实现
这种方法可以通过公司提供的软件或是VHDL等开发语言编程，用硬件实现特定的数字信号处理算法，如FFT、FIR等。
其优点是具有通用性，并且可以实现算法的并行运算；缺点是对于一个大系统，用FPGA实现硬件相对困难。
2.2DSP芯片
2.2.1什么是DSP芯片
DSP芯片，也称为数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。
其主要特点：
（1）在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速的RAM，通常可通过独立的数据总线同时访问两块芯片；
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
（5）快速的中断处理和硬件I/O接口支持；
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
（7）可以并行执行多个操作；
（8）支持流水线操作，使取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行。
2.2.2DSP芯片的基本结构及其特点
（1）哈佛结构哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。
（2）流水线操作流水线与哈佛结构相关。
DSP芯片广泛采用流水线，以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。
（3）多总线结构许多DSP芯片内部都采用了多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内，同时访问数据和程序存
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