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嵌入式WebServer技術及其實現 
(發布日期:2009-6-19 9:48:33) 來源:Rabbit Semiconductor
 
    摘要:討論基于TCP/IP協議棧,利用8位單片機構建嵌入式WebServer的具體技術及相關實現方案;給出系統硬件原理框圖和有關軟件實現的代碼框架結構。
關鍵詞:WebServer TCP/IP協議棧 套接字
引 言
   
利用8位微控制器通過ISP(Internet服務供應商),在不需要使用PC機或高檔單片機的情況下接入互聯網。隨著嵌入式系統的迅猛發展和IA(信息電器)的出現,該應用系統正逐步取代傳統的以PC為中心的應用,成為未來Internet發展中的主力軍;將會廣泛應用于智能家居系統、工業智能化從站系統、LED網絡控制顯示屏系統、網絡安全加密系統等各個方面。
    利用單片機實現嵌入式WebServer方案的主要技術難點是:如何利用單片機本身有限的資源對信息進行HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP及PPP等協議的處理,使之變成可以在互聯網上傳輸的IP數據包以及可以在內置Web頁上瀏覽的數據。 
1 應用方案
1.1 方案簡介
    利用單片機實現嵌入式WebServer,大體可有以下三種形式:
① MCU+專用網絡芯片,如E1552、Webchip PS2000等。此種方案的主要優點是:應用系統設計工程師完全不必考慮任何網絡協議,只需要解釋并執行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現與Internet網絡連接。
② EMIT技術。EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網關,稱為emGateway,上面支持TCP/IP協議并運行HTTP服務程序,形成一個用戶可以通過網絡瀏覽器進行遠程訪問的服務器。emGateway通過RS232、RS485、CAN等輕量級總線與外設聯系起來,每個外設的應用程序中包含一個獨立的通信任務,稱為emMicro,監測嵌入式設備中預先定義的各個變量,并將結果反饋到emGateway中;同時emMicro還可以解釋emGateway的命令,修改設備中的變量或進行某種控制。該方案中復雜的網絡協議是通過emGateway在PC機上實現的,應用系統MCU只處理較簡單的emNet協議,進行網際連接。
③MCU直接實現形式。實現該形式的Web Server,可選用多種型號的MCU來實現網絡協議,如AT89C8252、SX52BD100等,并可根據具體要求選用不同速度的MCU作為核心芯片,但是基本硬件結構大致相同。
    顯然以上方案中,以“MCU直接實現形式”的硬件結構最為簡潔,不失為首選方案。下面就詳細論述之。
1.2 硬件平臺
    MCU直接實現形式的WebServer的硬件平臺如圖1所示。
 
圖1中,MCU以SX52BD100的運算速度最快,在100 MHz晶振驅動下指令執行速度可達100MIPS;RABBIT2000次之,51系列最慢。但是硬件成本恰好反之,用戶可以根據不同的要求來配置MCU。以太網控制芯片可采用RealTek公司的RTL8019AS。該芯片是一款全雙工以太網控制器,可以工作在Ethernet II和IEEE802.3、 10Base5、10Base2、10BaseT下,并與NE2000兼容。E2PROM主要用來存WEB頁面、圖像文件、PDF文檔等內容,因此沒有特殊要求,可由用戶自由選擇,一般32 KB左右即可。
  該方案中,MCU為核心芯片,通過它控制以太網控制芯片RTL8019AS,進而完成接入網絡的工作;而且可以通過編程來選擇通信電路類型,如RS232、RS485、MODEM等。該技術方案最大的特點在于:用簡潔硬件構架應用平臺,使原本硬件成本所需的支出可用于相對復雜的軟件開發上,且該方案的I/O接口可以自由擴展和支配。
1.3 工作流程和軟件設計
    整個系統的工作流程如圖2所示。當數據包通過RJ45接口傳送到RTL8019AS和MCU后,系統內部的TCP/IP堆棧進行數據包解析和流向判斷,然后進行解包或者打包的動作,以繼續進行后續工作。顯然,最終的處理結果都要通過WebServer來進行。
2 網絡協議棧的實現
 


  通常,所謂的TCP/IP協議是一個四層協議系統,包括數據鏈路層、網絡層(含IP協議)、傳輸層(含TCP協議)和應用層,每一層負責不同的功能。基于TCP/IP協議可以實現多種功能應用,如: HTTP(超文本傳輸控制協議)、TELNET(遠程登錄)、 FTP(文件傳輸協議)、SMTP(簡單郵件傳送協議)、SNMP(簡單網絡管理協議)等。本文主要討論HTTP, 也就是WebServer在應用層的主要構成協議。當然,用戶也可以根據需要附加其它的協議功能。 
2.1 TCP/IP協議棧的實現
    IP包含編址方案,并提供尋址功能;TCP則是在不同主機的對等進程之間提供可靠的進程間通信。與TCP兩端口所連接的實體中,一端為應用程序進程或用戶,另一端則為底層協議,如IP協議。TCP在建立連接過程中采用三向握手機制,以保證數據的可靠性。
    下面以ZWORLD公司的Rabbit 2000系列芯片為例,論述嵌入式WebServer的具體實現過程。Rabbit 2000系列芯片是一種高性能8位器件。由于其C語言友好指令集和快速數字處理功能,因而受到矚目。Rabbit結構以Zilog公司的原始Z80微處理器為基礎,但作了幾項改進:不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲空間,而用一個20位或1MB的實際存儲空間;采取直接與靜態存儲器件相連接的方式;有3條存儲芯片選擇線路和2組寫入/輸出啟動線路;片上外設包括4個串行端口、1個子端口、40條I/O線、7個不同的定時器、精確脈沖發生硬件和電池支持的RTC。
    系統硬件框架結構如圖1所示,用戶只需對應添加相關芯片及輔助設施(如電源、用戶所需外設等)即可;而軟件的實現,由于Rabbit 2000系列芯片得到Dynamic C編譯器的支持以及實現TCP/IP所需的庫文件dcrtcp.lib,因此只要會用C語言就可以進行開發。用戶關注的重點也變為網絡通信實現以后的代碼編制及優化,可以極大提高開發進度。
    以下是Dynamic C實現TCP/IP協議通信的程序主體框架。程序中起始宏定義為默認IP配置信息;“memmap”句可使程序在芯片里面運行時,如同在擴展代碼窗口下被編譯;“use”句使編譯器按照庫文件配置編譯代碼。
#define TCPCONFIG 1 
#memmap xmem
#use dcrtcp.lib
main(){
sock_init();
for (;;) {
tcp_tick(NULL);}
}
  sock_init()和tcp_tick()都是TCP/IP函數庫的基本函數,前者為初始化TCP/IP協議棧函數,使協議棧開始處理入棧數據報;后者主要有兩個用途:① 支持后臺處理的最新信息;② 測試 TCP套接字的狀態。
  可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP協議包,用戶可以輕松建立起TCP/IP通信。當通信建立以后,就可以在此基礎上進行后續的進一步功能擴展,開展例如HTTP、PPP等應用層的協議實現。
2.2 HTTP的實現
    HTTP(超文本傳輸協議)服務器可使 HTML (超文本鏈接標示語言)頁面,如Web頁等和其它文件為客戶端所使用。在Dynamic C中,HTTP由HTTP.LIB來負責實現。HTTP服務器實現的程序主體框架如下:
#define TCPCONFIG 1
#memmap xmem
#use "dcrtcp.lib"
#use "http.lib"
main(){
sock_init();
http_init();
tcp_reserveport(80);
while (1) {
http_handler();}
}
  用戶可以根據自己的需要在此程序框架上添加構成WebServer的所有其它動態或靜態元素(無論是否符合HTML標準)。限于篇幅,具體示例不再列出。
小 結
    在建立起相應的硬件連接以后,就可以根據不同的硬件特點,選用不同的開發工具和開發語言進行WebServer的構架工作。本文給出了目前構架WebServer的主要原理和方法,并給出Rabbit 2000系列芯片實現的具體應用,相信對讀者的實際工作會有些幫助。至于采用其它芯片或方案的實現步驟及過程大同小異,讀者可舉一反三。
                 參考文獻
  1 UBICOM Corporation. SX52BD100 User’s Manual. 2000
  2 Z-World Inc. Dynamic C User’s Manual. 2002
  3 Z-World Inc. Rabbit 2000TM Microprocessor Designer''s Handbook. 2002
  4 McGraw-Hill 公司. Ed Taylor. Networking Handbook. 2001

 
Rabbit Semiconductor
所在區域: 上海.上海 郵編: 200030
公司地址: 上海徐匯區零陵路899號 聯系人:盛衛東 先生 (空)
辦公電話: 021-51506898 傳真: 空
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