CN111541688B - 一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置，该嵌入式系统包括依次连接的TCP/UDP应用层、IP层、链路层以及网卡驱动层，还包括EtherCAT协议栈，EtherCAT协议栈连接所述链路层，网卡驱动层设置有用于支持Ethernet协议和EtherCAT协议的网口，所述网口用于区分数据包传输所用的协议，并根据区分后的协议调用链路层对应的协议接口，以实现多协议间数据包的收发过程。本发明旨在从软件方式上增加EtherCAT的支持，使得同一网口能同时实现Ethernet协议和EtherCAT协议的支持，减少嵌入式系统研发成本，并且扩大Ethernet协议栈功能，方便用户。

Description

一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置

技术领域

本发明涉及嵌入式技术领域，具体涉及一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置。

背景技术

现场总线是用于生成制造现场的底层通信网络，它实现了微机化的现场测量控制仪器或设备直接的双向串行多节点数字通信，具有实时性、稳定性高的特定。以太网(Ethernet)是商业领域普遍采用的局域网络，结合TCP/IP协议构成了Internet的基础，成为网络应用中事实上的标准，这也使得现场总线控制系统通过以太网与其一信息网集成实现监控一体化成为大趋势。

EtherCAT协议(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，EtherCAT名称中的CAT为ControlAutomationTechnology(控制自动化技术)首字母的缩写。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本，其具有高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议的特点。

嵌入式系统(Embedded System)是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统，可以用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备，应用于工业控制、交通管理、家庭智能管理、POS网络、环境工程等领域。

然而现有的嵌入式系统仅具有Ethernet功能，只具备支持Ethernet协议的外部设备的网口，若要使得具有Ethernet功能的嵌入式系统同时具备EtherCAT功能，则需要在硬件上增加一路网口，并在软件上增加对于EtherCAT协议的支持，以完成与EtherCAT外设的通讯。正如图1所示，终端设备PC通过网线连接嵌入式系统中控制器的Ethernet网口1，实现与控制器的通讯；同时控制器上EtherCAT网口2与EtherCAT外设的连接，从而实现与EtherCAT外设的通讯。这样，通过在嵌入式系统的硬件上额外增加网口的方式使得嵌入式系统同时兼容Ethernet协议与EtherCAT协议，必然增加研发成本，不利于产品推广。

因此，现有技术还有待发展和改进。

发明内容

基于此，本发明提供一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置，旨在解决现有技术中嵌入式系统只能通过增加网口实现Ethernet协议与EtherCAT协议支持而导致成本增加的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种兼容多协议的嵌入式系统，包括Ethernet协议栈以及网卡驱动层，所述Ethernet协议栈与所述网卡驱动层相连接，所述Ethernet协议栈包括依次连接的TCP/UDP应用层、IP层以及链路层，其所述嵌入式系统还包括EtherCAT协议栈，所述EtherCAT协议栈连接所述链路层，所述网卡驱动层设置有一用于支持Ethernet协议和EtherCAT协议的网口，所述网口用于区分数据包传输所用的协议，并根据区分后的协议调用链路层对应的协议接口，以实现多协议间数据包的收发过程。

所述的兼容多协议的嵌入式系统，其中，所述嵌入式系统还包括一交换机或集线器，所述交换机或集线器一端连接支持EtherCAT协议的智能设备以及支持Ethernet协议的若干外部设备，所述交换机或集线器的另一端连接所述网口。

所述的兼容多协议的嵌入式系统，其中，所述链路层设置有Ethernet输入接口，所述Ethernet输入接口用于判断数据包对应的协议并根据判断后的协议将所述数据包转发给IP层或EtherCAT协议栈。

所述的兼容多协议的嵌入式系统，其中，所述链路层还设置有EtherCAT输出接口，所述EtherCAT输出接口用于将所述EtherCAT协议栈发送的数据包输出至所述网卡驱动层。

所述的兼容多协议的嵌入式系统，其中，所述链路层还设置有Ethernet输出接口，所述Ethernet输出接口与所述EtherCAT输出接口连接，所述Ethernet输出接口用于将所述IP层发送的数据包转发至所述EtherCAT输出接口。

所述的兼容多协议的嵌入式系统，其中，所述EtherCAT协议栈包括SOEM协议栈

本发明还提供一种利用上述所述的兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法，其中，所述数据处理方法包括以下步骤：

Ethernet输入接口接收终端设备发送的数据包；

解析所述数据包，得到数据包包头；其中，所述数据包包头包括协议字段信息；

根据所述数据包包头所携带的协议字段信息确定所述数据包是Ethernet数据包或EtherCAT数据包；

当确定所述数据包是EtherCAT数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至EtherCAT协议栈进行处理。

所述的数据处理方法，其中，还包括：

当确定所述数据包是Ethernet数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至IP层进行处理。

本发明还提供一种利用上述所述的兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法，其中，所述数据处理方法包括以下步骤：

所述EtherCAT协议栈向所述链路层发送数据包；

所述链路层判断所述数据包所携带的协议字段信息是否是EtherCAT协议；

若该数据包所携带的协议字段信息是EtherCAT协议，则调用所述链路层的EtherCAT输出接口将所述数据包转发至所述网卡驱动层进行处理。

本发明还提供一种装置，其中，其包括处理器以及与所述处理器连接的存储器，所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序，以实现上述所述的数据处理方法的步骤。

有益效果：

1.确保当前支持Ethernet的嵌入式系统中也能支持EtherCAT，无需不用修改硬件。

2.改变传统网口仅支持单一协议，使得一个网口同时实现2种协议的同时支持，减少了嵌入式系统硬件研发成本。

3.改变原有嵌入式系统仅具有Ethernet功能，使得嵌入式系统既能实现Ethernet功能，又能实现EtherCAT功能，从而扩展了Ethernet协议栈功能。

附图说明

图1为现有嵌入式系统应用场景。

图2为现有嵌入式系统数据包收发过程。

图3为本发明提供的一种兼容多协议的嵌入式系统应用场景。

图4为本发明提供的一种兼容多协议的嵌入式系统数据包收发过程。

图5为本发明一实施例利用兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法的流程图。

图6为本发明另一实施例利用兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法的流程图。

图7为本发明装置的功能原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，图1示例了现有嵌入式系统应用场景，图2示例了现有嵌入式系统数据包收发过程，如图1和图2所示，现有嵌入式系统包括Ethernet协议栈以及网卡驱动层，所述Ethernet协议栈与所述网卡驱动层相连接，所述Ethernet协议栈包括依次连接的TCP/UDP应用层、IP层以及链路层，现有嵌入式系统中的该链路层包括Ethernet输入接口以及Ethernet输出接口，其中，该Ethernet输入接口仅用于接收数据包携带的协议字段信息为Ethernet协议的数据包，并且将该数据包转发至IP层进行处理。并且，如图1所示，其网卡驱动层上对应的网口仅支持单一协议。

本发明基于现有嵌入式系统从软件上进行改进，不修改硬件，以使得本申请的嵌入式系统同时支持Ethernet协议和EtherCAT协议。请参阅图3和图4，图3示例了本发明中兼容多协议的嵌入式系统应用场景，图4示例了本发明中兼容多协议的嵌入式系统数据收发过程。如图3和图4所示，本发明中嵌入式系统还包括EtherCAT协议栈，所述EtherCAT协议栈连接所述链路层，所述网卡驱动层设置有一用于支持Ethernet协议和EtherCAT协议的网口，所述网口用于区分数据包传输所用的协议，并根据区分后的协议调用链路层对应的协议接口，以实现多协议间数据包的收发过程。这样，使得同一网口支持多协议，无需修改硬件，降低了研发成本。

进一步地，所述嵌入式系统还包括一交换机或集线器，所述交换机或集线器一端连接支持EtherCAT协议的智能设备以及支持Ethernet协议的若干外部设备，所述交换机或集线器的另一端连接所述网口。

如图4所示，本发明兼容多协议的嵌入式系统中链路层设置有Ethernet输入接口、Ethernet输出接口以及EtherCAT输出接口，其中，本发明兼容多协议的嵌入式系统中该Ethernet输入接口的作用区别于现有嵌入式系统中Ethernet输入接口，本发明中的该Ethernet输入接口用于判断数据包对应的协议并根据判断后的协议将所述数据包转发给IP层或EtherCAT协议栈。这样，本发明中同一网口支持多种协议，使得携带有不同协议的数据包经过同一网口后，由该Ethernet输入接口区分不同协议的数据包，从而转发至不同协议对应的上层组织进行处理。

进一步地，本发明中的EtherCAT输出接口用于将所述EtherCAT协议栈发送的数据包输出至所述网卡驱动层。并且，该Ethernet输出接口与所述EtherCAT输出接口连接，所述Ethernet输出接口用于将所述IP层发送的数据包转发至所述EtherCAT输出接口，再由所述EtherCAT输出接口转发至网卡驱动层。

具体地，利用本发明的兼容多协议的嵌入式系统，用于实现数据处理方法，分别从数据包接收过程和数据包发送过程进行描述数据处理方法。下面结合附图，详细说明本发明的各种非限制性实施方式。

请参阅图5，图5示出了本发明实施例利用中兼容多协议的嵌入式系统的数据处理方法，针对的是数据包接收过程，所述数据处理方法包括以下步骤：

S10、Ethernet输入接口接收终端设备发送的数据包。

即网卡收到数据包时产生中断，并产生发送数据处理信号，然后向外部接收线程发送数据处理信号。

接收线程收到该数据处理信号后被唤醒处理接收，将收过来的数据通过调用Ethernet输入接口送到链路层，以便于后续区分将该数据包发送至IP层处理或EtherCAT协议栈处理。

S20、解析所述数据包，得到数据包包头；其中，所述数据包包头包括协议字段信息。

即预先定义并存储链路层中Ethernet协议和EtherCAT协议用于解析数据包对应的协议字段。优选地，本实施例中运用Ethernet协议的协议传输的数据包携带的协议字段是0x8000，运用EtherCAT协议的协议传输的数据包携带的协议字段是0x88a4。

也就所是说，如果接收到的数据包的包头所携带的协议字段信息是0x8000，则该数据包是Ethernet数据包，如果接收到的数据包的包头所携带的协议字段信息是0x88a4，则该数据包是EtherCAT数据包。

因此，在接收到该数据包时，需要判断该数据包包头所携带的协议字段信息，从而根据确定的协议转发至协议对应的上层组织进行数据处理。

需要说明的是，上述Ethernet协议和EtherCAT协议传输的数据包所携带的协议字段并非限制的，可根据实际需要自定义设置，以满足不同用户需求。

S30、根据所述数据包包头所携带的协议字段信息确定所述数据包是Ethernet数据包或EtherCAT数据包。

现有嵌入式系统中，如图2所示，由于IP层处理属于Ethernet数据包，则链路层根据数据包包头中的协议字段判断是否是Ethernet数据包，一旦该数据包包头所携带的协议字段为0x8000，则将数据包转发至IP层处理。但其如果接收到数据包包头中的协议字段为其他字段，如0x88a4，则不进行后续处理，直接丢弃。这样，现有的嵌入式系统容易导致包丢失，同时无法实现一些特定业务的应用。

基于此，本申请修改代码，使得在链路层中该Ethernet输入接口根据解析后包头所携带的协议字段区分接收到的数据包是Ethernet数据包或EtherCAT数据包。

S40、当确定所述数据包是EtherCAT数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至EtherCAT协议栈进行处理。

即若数据包是EtherCAT数据包，将数据发送给EtherCAT协议栈，然后EtherCAT接收线程被唤醒接收并处理。

当然，当确定所述数据包是Ethernet数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至IP层进行处理。此时，IP层根据IP包头判断该数据包是属于TCP数据包还是UDP数据包，若确定是TCP数据包，则发送给TCP协议应用层，若是UDP数据包，则发送给UDP协议应用层。当然，其与现有的嵌入式系统原理相同。

在另一实施方式中，请参阅图6，图6示出了本发明实施例利用中兼容多协议的嵌入式系统的数据处理方法，针对的是数据包发送过程，所述数据处理方法包括以下步骤：

S100、所述EtherCAT协议栈向所述链路层发送数据包。

即EtherCAT协议栈直接发送数据包到链路层，不经过由Ethernet输出接口。

S200、所述链路层判断所述数据包所携带的协议字段信息是否是EtherCAT协议。

即链路层通过数据包所携带的协议字段信息区分是否调用EtherCAT输出接口将数据包转发至网卡驱动层。

S300、若该数据包所携带的协议字段信息是EtherCAT协议，则调用所述链路层的EtherCAT输出接口将所述数据包转发至所述网卡驱动层进行处理。

即基于步骤S200，一旦链路层判断数据包所携带的协议字段信息是EtherCAT协议，则直接调用链路层发送接口link_output，发送信号给网卡驱动层的发送线程，继而网卡发送线程收到信号被唤醒后将数据包发出。

当然，若是上层协议或TCP/UDP协议调用发送函数将数据包发送给IP层，则IP层对数据打包并发送给链路层。链路层发送数据处理信号给Ethernet输出接口，再由与所述Ethernet输出接口连接的EtherCAT输出接口(即link_output)转发至网卡驱动层的发送线程，网卡发送线程收到信号被唤醒后将数据包发出。

对比图2和图4，现有的嵌入式系统针对数据包发送过程中，嵌入式系统在链路层接收到IP发送的数据包时，是直接由Ethernet输出接口将数据包转发至网卡驱动层的发送线程，不需要经过如本发明中的EtherCAT输出接口，网卡发送线程收到信号被唤醒后将数据包发出。

需要说明的是，本发明中兼容多协议的嵌入式系统使用的操作系统是rt-thread，Ethernet协议栈使用LWIP(A Lightweight TCP/IP stack)，EtherCAT协议栈使用SOEM(Simle Open EtherCAT Master，一种开源的EtherCAT协议栈实现)。

这样，本发明从软件方式上增加EtherCAT的支持，使得同一网口能同时实现Ethernet协议和EtherCAT协议的支持，减少嵌入式系统研发成本，并且扩大Ethernet协议栈功能，方便用户。

实施例二

在一个实施例中，基于上述方法，本发明提供了一种装置，如图7所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(Communications Interface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

综上所述，本发明提供了一种兼容多协议的嵌入式系统、数据处理方法及装置，所述嵌入式系统包括Ethernet协议栈以及网卡驱动层，所述Ethernet协议栈与所述网卡驱动层相连接，所述Ethernet协议栈包括依次连接的TCP/UDP应用层、IP层以及链路层，其还包括EtherCAT协议栈，所述EtherCAT协议栈连接所述链路层，所述网卡驱动层设置有一用于支持Ethernet协议和EtherCAT协议的网口，所述网口用于区分数据包传输所用的协议，并根据区分后的协议调用链路层对应的协议接口，以实现多协议间数据包的收发过程。本发明旨在从软件方式上增加EtherCAT的支持，使得同一网口能同时实现Ethernet协议和EtherCAT协议的支持，减少嵌入式系统研发成本，并且扩大Ethernet协议栈功能，方便用户。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种兼容多协议的嵌入式系统，包括Ethernet协议栈以及网卡驱动层，所述Ethernet协议栈与所述网卡驱动层相连接，所述Ethernet协议栈包括依次连接的TCP/UDP应用层、IP层以及链路层，其特征在于，所述嵌入式系统还包括EtherCAT协议栈，所述EtherCAT协议栈连接所述链路层，所述网卡驱动层设置有一用于支持Ethernet协议和EtherCAT协议的网口，所述网口用于区分数据包传输所用的协议，并根据区分后的协议调用链路层对应的协议接口，以实现多协议间数据包的收发过程；所述链路层设置有Ethernet输入接口，所述Ethernet输入接口接收终端设备发送的数据包，并解析所述数据包，得到数据包包头；其中，所述数据包包头包括协议字段信息，所述Ethernet输入接口根据所述数据包包头所携带的协议字段信息确定所述数据包是Ethernet数据包或EtherCAT数据包，当确定所述数据包是EtherCAT数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至EtherCAT协议栈进行处理，当确定所述数据包是Ethernet数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至IP层进行处理。

2.根据权利要求1所述的兼容多协议的嵌入式系统，其特征在于，所述嵌入式系统还包括一交换机或集线器，所述交换机或集线器一端连接支持EtherCAT协议的智能设备以及支持Ethernet协议的若干外部设备，所述交换机或集线器的另一端连接所述网口。

3.根据权利要求1所述的兼容多协议的嵌入式系统，其特征在于，所述链路层还设置有EtherCAT输出接口，所述EtherCAT输出接口用于将所述EtherCAT协议栈发送的数据包输出至所述网卡驱动层。

4.根据权利要求3所述的兼容多协议的嵌入式系统，其特征在于，所述链路层还设置有Ethernet输出接口，所述Ethernet输出接口与所述EtherCAT输出接口连接，所述Ethernet输出接口用于将所述IP层发送的数据包转发至所述EtherCAT输出接口。

5.根据权利要求1所述的兼容多协议的嵌入式系统，其特征在于，所述EtherCAT协议栈包括SOEM协议栈。

6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括以下步骤：

Ethernet输入接口接收终端设备发送的数据包；

解析所述数据包，得到数据包包头；其中，所述数据包包头包括协议字段信息；

根据所述数据包包头所携带的协议字段信息确定所述数据包是Ethernet数据包或EtherCAT数据包；

当确定所述数据包是EtherCAT数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至EtherCAT协议栈进行处理。

7.根据权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，还包括：

当确定所述数据包是Ethernet数据包时，所述Ethernet输入接口将所述数据包转发至IP层进行处理。

8.一种利用如权利要求1-5任一项所述的兼容多协议的嵌入式系统实现数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括以下步骤：

所述EtherCAT协议栈向所述链路层发送数据包；

所述链路层判断所述数据包所携带的协议字段信息是否是EtherCAT协议；

若该数据包所携带的协议字段信息是EtherCAT协议，则调用所述链路层的EtherCAT输出接口将所述数据包转发至所述网卡驱动层进行处理。

9.一种装置，其特征在于，所述装置包括处理器以及与所述处理器连接的存储器，所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序，以实现如权利要求6-7任意一项所述的数据处理方法的步骤或实现如权利要求8所述的数据处理方法的步骤。

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