大連理工大學(xué)嵌入式_一種嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案

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大連理工大學(xué)嵌入式_一種嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案,   





隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式智能儀器得到越來越廣泛的應(yīng)用，人類社會進(jìn)入后PC時代。本文主要介紹了嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)方案，以及實(shí)現(xiàn)和主要應(yīng)用。

1.引言

嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server，EWS）是指將Web服務(wù)器嵌入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。

嵌入式Web服務(wù)器簡化了傳統(tǒng)服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在嵌入式設(shè)備上它同時實(shí)現(xiàn)信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)接口的功能。嵌入式Web服務(wù)器基于HTTP協(xié)議運(yùn)作，有標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議。它可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面。Web技術(shù)的開放性和平臺獨(dú)立特性能夠降低開發(fā)難度，減少軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)維護(hù)工作量，提高了現(xiàn)場測試和控制設(shè)備的管理水平。

2.嵌入式WEB服務(wù)器總體設(shè)計(jì)方案

接入Internet有很多種接入方式：電話撥號接入、ISDN，ADSL、以太網(wǎng)接入等，其中以太網(wǎng)作為一種廉價、高效的Internet接入方式，已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，本文的Internet接入采用以太網(wǎng)方式。

將TCP/IP協(xié)議棧嵌入到單片機(jī)中，使用網(wǎng)絡(luò)控制芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。利用網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)（嵌入了TCP/IP協(xié)議棧的單片機(jī)）可以實(shí)現(xiàn)很多功能，嵌入式Web服務(wù)器就是其中的一種。通過Web服務(wù)器，客戶端瀏覽器可以瀏覽這些設(shè)備的動態(tài)信息，并且還可以實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的交互功能。

（1）嵌入式Web服務(wù)器的一般結(jié)構(gòu)

嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)通常以通用Web服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特性進(jìn)行優(yōu)化。嵌入式Web服務(wù)器的硬件系統(tǒng)包含了Web通信功能的微處理器或者微控制器系統(tǒng)，它可以和前端的應(yīng)用系統(tǒng)直接集成在一起，也可以通過現(xiàn)場總線與應(yīng)用系統(tǒng)相連。

一個完整的硬件系統(tǒng)由微型處理器、FLASH存儲器、DRAM存儲器、網(wǎng)絡(luò)接口和前端應(yīng)用系統(tǒng)硬件所組成。微型處理器負(fù)責(zé)全局的運(yùn)行和管理，F(xiàn)LASH存儲器用來存儲實(shí)時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)核、TCP/IP協(xié)議棧、各種Web文檔；DRAM存儲器在系統(tǒng)運(yùn)行時使用；網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與Internet的連接；前端應(yīng)用系統(tǒng)的硬件完成傳統(tǒng)意義上的應(yīng)用功能。

由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限，嵌入式Web服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)不能很復(fù)雜，實(shí)時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)核、TCP/IP協(xié)議棧、各種Web文檔都必須存儲在FLASH中，這對軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。


  


（2）系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

LPC2132微控制器是所設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器的核心，一方面LPC2132微控制器內(nèi)部要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，并驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)接口控制器ENC28J60，經(jīng)耦合隔離變壓器H1102和以太網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)Internet接入；另一方面，LPC2132微控制器又是相應(yīng)控制系統(tǒng)的控制單元。

由于以太網(wǎng)的廣泛使用，本文選擇了最為常用的Internet接入方式，即通過以太網(wǎng)接入Internet.由美國Microchip公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60是本設(shè)計(jì)所選擇的網(wǎng)絡(luò)接口控制器，它集成了介質(zhì)訪問控制子層和物理層的功能，主要完成網(wǎng)絡(luò)接口層中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收。

H1102是一款耦合隔離變壓器，用來對網(wǎng)絡(luò)上的脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波。H1102聯(lián)接RJ45接頭，可以直接接入以太網(wǎng)。

串行電平轉(zhuǎn)換模塊選用了Maxim公司出品的MAXSP3232E芯片。該芯片內(nèi)部含有倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V電源供電即可實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS232C電平的轉(zhuǎn)換。RS232串口一方面是作為開發(fā)調(diào)試用的，一方面可以作為相應(yīng)的通信應(yīng)用。

I/O口擴(kuò)展包括系統(tǒng)的LED顯示電路、JTAG調(diào)試電路以及其他測試電路等。

（3）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

Web服務(wù)器是在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種應(yīng)用程序。從系統(tǒng)軟件工作過程來看，可將系統(tǒng)分三部分：第一部分，以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)；第二部分：嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，這部分內(nèi)容在第一部分的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)具體環(huán)境，對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行簡化并在ARM7單片機(jī)上進(jìn)行移植；第三部分：應(yīng)用層部分，通過嵌入式TCP/IP協(xié)議對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)處理。這里是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議來完成Web服務(wù)器功能的。

所以系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括了以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動程序、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧以及動態(tài)web網(wǎng)頁的實(shí)現(xiàn)等幾個模塊：

1）以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序是指LPC2132微控制器對ENC28J60芯片的驅(qū)動、控制過程。

2）在LPC2132微控制器內(nèi)部嵌入TCP/IP協(xié)議棧是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，它主要包括了ARP，ICMP，IP，TCP和HTTP協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3）動態(tài)網(wǎng)頁的實(shí)現(xiàn)。使用CGI技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)信息的交換，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制的目的。

軟件設(shè)計(jì)中的另一任務(wù)是確定開發(fā)語言。對于嵌入式系統(tǒng)來說，掌握匯編語言的編程是至關(guān)重要的，即使使用高級語言來進(jìn)行編程，通過閱讀編譯出來的匯編代碼，也可以發(fā)現(xiàn)高級語言編程時需要優(yōu)化的地方，從而提高高級語言所編寫代碼的執(zhí)行效率。

同時嵌入式系統(tǒng)的資源緊張，要合理利用資源，提高運(yùn)行效率，關(guān)鍵部分、時間要求嚴(yán)格的部分還是需要使用匯編語言來完成。但匯編語言在代碼編寫和維護(hù)上效率較低，通用性不強(qiáng)，在復(fù)雜的項(xiàng)目上還是選用高級語言比較合理。在本設(shè)計(jì)中，采用匯編語言編寫ARM7內(nèi)核的啟動代碼（boot loader），其它的程序采用C語言作為設(shè)計(jì)語言。它有很明顯的優(yōu)勢：C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，有豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，較匯編語言有更好的可讀性。

3.嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

（1）主程序流程

在主程序流程中，主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括兩大部分：第一是對接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包：第二則是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送。

系統(tǒng)初始化模塊主要包括了LPC2I32微控制器的初始化、網(wǎng)絡(luò)接口芯片ENC28J60的初始化、TCP/IP協(xié)議棧中各標(biāo)志的初始化等：

ARP處理模塊主要完成接收ARP請求并發(fā)送ARP響應(yīng)；ICMP處理模塊主要完成接收ICMP回顯請求并發(fā)送ICMP回顯響應(yīng)；TCP數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對TCP數(shù)據(jù)報(bào)及HTTP數(shù)據(jù)的處理。

當(dāng)程序運(yùn)行時，首先對系統(tǒng)初始化，這時系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有數(shù)據(jù)幀到達(dá)。ENC28J60接收完數(shù)據(jù)幀以后，首先去除幀頭，然后判斷該數(shù)據(jù)幀的報(bào)文是否為ARP包，若是，則進(jìn)行ARP數(shù)據(jù)包處理，若不是，則檢查數(shù)據(jù)報(bào)頭，看IP數(shù)據(jù)包的報(bào)文是否為ICMP數(shù)據(jù)包，若是ICMP數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)到ICMP數(shù)據(jù)處理子程序。若不是ICMP數(shù)據(jù)包，就繼續(xù)進(jìn)行判斷，看是否為TCP數(shù)據(jù)包，若為TCP數(shù)據(jù)包則轉(zhuǎn)入TCP數(shù)據(jù)處理子程序，若此時即不是ICMP數(shù)據(jù)包也不是TCP數(shù)據(jù)包，則將該包丟棄。

子程序的設(shè)計(jì)是為了完成TCP/IP協(xié)議體系的每一層的功能的，TCP/IP協(xié)議的每一層都是相互聯(lián)系的，但也是相對獨(dú)立的，具體由下面7個部分實(shí)現(xiàn)：以太網(wǎng)驅(qū)動程序、以太網(wǎng)層程序、ARP協(xié)議處理程序、IP協(xié)議處理程序、ICMP協(xié)議處理程序、TCP協(xié)議處理程序、HTTP協(xié)議處理程序。


（2）嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

1）網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)接口是Web服務(wù)器與外界交流的接口。操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持，最主要是TCP/IP以及socket套接字系統(tǒng)函數(shù)庫。

網(wǎng)絡(luò)接口使用操作系統(tǒng)提供的socket函數(shù)族建立可遠(yuǎn)程通信的套接字。它分兩部分，一部分在系統(tǒng)初始化的時候建立，另一部分在HTTP引擎模塊里面實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的功能描述為：首先建立socket.socket是BSOUnix提出的進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制，它是一種雙向的通信接口，使得可以在兩個不同進(jìn)程（通常是網(wǎng)絡(luò)上的不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程）之間可以直接通信。

2）中心處理模塊

中心處理模塊是嵌入式W e b服務(wù)器的核心。它進(jìn)行全局的控制和管理。它通過accept（）接收HTTP請求，調(diào)用read將請求接收到本地，然后進(jìn)行請求解析。根據(jù)請求的內(nèi)容，判斷是屬于動態(tài)內(nèi)容還是靜態(tài)內(nèi)容，如果是動態(tài)內(nèi)容則調(diào)用相應(yīng)的動態(tài)處理函數(shù)，如果是靜態(tài)內(nèi)容則訪問VFS獲得相應(yīng)的內(nèi)容。然后將獲得的內(nèi)容包裝成為HTTP響應(yīng)，返回給客戶端。中心處理模塊還實(shí)現(xiàn)控制管理信息和容錯機(jī)制。

3）動態(tài)文件預(yù)處理器

Web服務(wù)器必須有交互能力才是有實(shí)際意義的服務(wù)器程序。目前大多數(shù)的Web服務(wù)器都是利用CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口）來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的接口。本論文從嵌入式系統(tǒng)的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種內(nèi)部的應(yīng)用程序接口。

動態(tài)文件預(yù)處理器所實(shí)現(xiàn)的功能是將普通的Web動態(tài)資源轉(zhuǎn)變成為可編譯的函數(shù)代碼。設(shè)動態(tài)文檔為f.dtm，它包含內(nèi)容{x，f（a）}.其中x為靜態(tài)的內(nèi)容，F(xiàn)（）為應(yīng)用程序，a為通過解析HTTP請求得出的參數(shù)。動態(tài)文件預(yù)處理器將f.dtm轉(zhuǎn)變成為f_dtm.c.它的內(nèi)容為（f_dtm（）}，它是一個函數(shù)，實(shí)現(xiàn)功能為輸出{x\“，f（a）}.其中f（a）是f（a）的實(shí)際輸出，而x‘是輸出靜態(tài)內(nèi)容的動作。

4.嵌入式Web服務(wù)器的主要應(yīng)用

嵌入式Web服務(wù)器是應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)上的Web服務(wù)器架構(gòu)。它的主要應(yīng)用是設(shè)備管理和應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

嵌入式Web服務(wù)器作為一個后臺程序直接在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，用戶通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備配置、控制、監(jiān)測，保證設(shè)備安全、有效地運(yùn)作。

Web接口使得用戶可以在任何一臺有互聯(lián)網(wǎng)接入能力的帶有Web瀏覽器的設(shè)備訪問到該嵌入式設(shè)備。Web服務(wù)器提供應(yīng)用程序接口可以擴(kuò)展Web的應(yīng)用。這種設(shè)備管理方式不僅起到監(jiān)測、控制的功能，而且根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)可以更加入性化和智能化。它使對遠(yuǎn)程設(shè)備的操作從監(jiān)控（Monitor）變成為管理（Manage）。其中基于嵌入式WEB服務(wù)器的視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流技術(shù)，在嵌入式系統(tǒng)中集成嵌入式Web視頻服務(wù)器，采用嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)；內(nèi)置一個嵌入式Web服務(wù)器。攝像頭送來的視頻信號數(shù)字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過內(nèi)部總線送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)上用戶可以直接用瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像，授權(quán)用戶還可以控制攝像機(jī)、云臺、鏡頭的動作或?qū)ο到y(tǒng)配置進(jìn)行操作。

另一個應(yīng)用是應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。Web服務(wù)已成為支撐現(xiàn)代應(yīng)用程序技術(shù)和系統(tǒng)核心組件，現(xiàn)今約87%的企業(yè)用戶都希望為他們的程序添加上基于Web的用戶接口。嵌入式Web服務(wù)器很好地提供了Internet網(wǎng)絡(luò)的接口，將應(yīng)用程序和Web接口結(jié)合起來，是應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的解決方案。