基于SX52的嵌入式Web服務(wù)器的快速實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了如何利用現(xiàn)有軟件虛擬模擬高效構(gòu)筑可現(xiàn)場控制的嵌入式Web服務(wù)器，一些方法也可用于其他資源有限的小型嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) Internet Web服務(wù)器

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，信息共享的程度不斷提高，網(wǎng)絡(luò)儀表及網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的流行逐漸成為趨勢。如何通過互聯(lián)網(wǎng)共享以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設(shè)備的信息，成為當(dāng)今電子界的熱門話題。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以PC為中心。如今，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點(diǎn)是：如何利用單片機(jī)本身有限的資源對信息進(jìn)行TCP／IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個(gè)問題有兩種方案：一種是PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng)，缺點(diǎn)是要增加布線和第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件；另一種是32位MCU+RTOS，弊端是開發(fā)難，成本極高。而用軟件方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的芯片，具有節(jié)省空間、降低成本的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議，且能通過軟件升級方式跟隨未來的發(fā)展。八位單片機(jī)目前仍占有很大的市場份額，而通過美國Ubicom公司的SX52微控器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制更具其獨(dú)特優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：(1)速度快，在100MHz頻率下能達(dá)到100MIPS；(2)現(xiàn)成的協(xié)議模塊供使用，即使對不熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)人員也能簡單套用。雖然其它八位單片機(jī)也能用軟件實(shí)現(xiàn)精簡的TCP／IP協(xié)議，如PICl6C76等，但上面所說兩大優(yōu)點(diǎn)是采用SX52MCU的充分理由。套用成熟的現(xiàn)有程序是最具效率的開發(fā)辦法，這也是避免目前國內(nèi)普遍存在的低水平開發(fā)的有效途徑。雖然目前還沒有單獨(dú)的TCP／IP軟件虛擬模塊提供，但在演示板程序的基礎(chǔ)上，可以采用其成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入系統(tǒng)的做法構(gòu)筑現(xiàn)場控制Web服務(wù)器。

1 SX52控制器簡介

SX52 MCU與PIC單片機(jī)有很多地方相似，它也采用RISC指令系統(tǒng)，帶可擦寫上萬次的片上Flash程序存儲(chǔ)器，具在系統(tǒng)編程等。SX52的流水線指令操作可1個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。沒有中斷嵌套使中斷響應(yīng)時(shí)間固定為3個(gè)時(shí)鐘周期，適用于一些要求強(qiáng)實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)。5個(gè)可驅(qū)動(dòng)30mA電流的I／O口可自由設(shè)置為TI'L或CMOS輸入電子，262×8bit的SRAM數(shù)據(jù)空間，4096×12bit的EE／Flash程序空間。內(nèi)部集成有模擬比較器、定時(shí)器、捕捉／PWM比較器、欠壓檢測、看門狗等多種功能部件。具有三個(gè)特殊器件配置寄存器，其長度分別為12位，(FUSE、FUSEX、DEVICE)，硬件配置靈活多樣，加密性能好，能有效地防止產(chǎn)品被盜版或仿制的可能性。已提供的軟件虛擬模塊有UART、A／D、DTMF、PWM、FSK、IRDA、VC等眾多常用功能塊。應(yīng)用微控器用軟件方法替代硬件功能是一大特色，可以避免一些常用功能的重復(fù)開發(fā)。
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2 聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

對于資源緊缺的小型嵌入系統(tǒng)，一般都要對TCP／IP協(xié)議族做一些精簡處理。Wing Poon等提供的演示板程序集合了如下模塊：ARP、DHCP、ICMP的echo響應(yīng)，精簡的TCP／IP、HTYP、SMTP等；還可以看到應(yīng)用了I2C以及∑-△A／D的軟件虛擬模塊。由于程序空間的限制，當(dāng)實(shí)現(xiàn)DHCP時(shí)，只能用SMTP。底層采用8019AS網(wǎng)絡(luò)接口芯片。網(wǎng)頁通過12C存儲(chǔ)于24C256中，中斷程序可用于A／D虛擬模塊的計(jì)數(shù)及TCP／IP協(xié)議族的各個(gè)定時(shí)器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序流程如圖1。當(dāng)IP包頭有選項(xiàng)或存在分片時(shí)，此包被簡單丟棄而不處理。TCP能同時(shí)打開兩個(gè)連接，連接1用于SMTP(套接字用Bank 3,TCBI_BANK)，連接2用于HTTP(套接字用Bank 4,TCB2_BANK)。TCP不使用滑動(dòng)窗口的流量控制，發(fā)送時(shí)每發(fā)一個(gè)分組就停下來等待確認(rèn)。程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)長度放在變量Tcp2Un-AckMSB、Tcp2UnAckLSB中。在接收模塊TcpProcPktln中只有接收到Ack包后才復(fù)位這兩個(gè)變量；而發(fā)送模塊Tcp·Transmit中只有這兩個(gè)變量為零才允許發(fā)送下一段數(shù)據(jù)，否則檢查Tcp2TimeMSB是否超時(shí)；如是則重發(fā)。TCP接收模塊TcpProcPktln檢查端口號及32序列號是否與套接字內(nèi)的相符，如不符則可能是收到重發(fā)的包，TCP簡單地發(fā)Ack的空包并丟棄本包；否則處理本包數(shù)據(jù)同時(shí)清除上次發(fā)送數(shù)據(jù)長度變量Tcp2UnAckMSB、Tcp2UnAckLSB，以便在TcpTransmit中能發(fā)送下一段數(shù)據(jù)。

子模塊TcpAppTxBytes、TcpAppRxData是TCP處理發(fā)送及接收數(shù)據(jù)的模塊。用戶如不變更原TCP／IP的精簡設(shè)計(jì)，只要修改這兩個(gè)模塊就能實(shí)現(xiàn)自己特定的應(yīng)用功能。

16位校驗(yàn)和Checksum的計(jì)算對于很少或沒有數(shù)據(jù)緩沖的系統(tǒng)來說并不容易，一般有兩種方法處理。一是在TCP頭的檢驗(yàn)和域放任意一個(gè)16位數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)計(jì)算Checksum，然后在數(shù)據(jù)最后附加2個(gè)字節(jié)以保證之前任意取值的正確。這種方法的缺點(diǎn)是要讓接收的應(yīng)用程序忽略最后2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致許多程序的運(yùn)行異常。二是先對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)計(jì)算Checksum，但不發(fā)送，然后再產(chǎn)生同樣的數(shù)據(jù)加上正確的校驗(yàn)和發(fā)送。顯然要求系統(tǒng)產(chǎn)生重復(fù)的數(shù)據(jù)有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的，利用網(wǎng)卡芯片8019的緩沖可以解決這一問題，將數(shù)據(jù)寫入8019的同時(shí)計(jì)算Checksum，最后將Checksum寫入8019后調(diào)用NicSendTxFrame才真正發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

TCP在Web服務(wù)器下采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖2。

(1)服務(wù)器在closed狀態(tài)下主動(dòng)打開端口80進(jìn)入listen狀態(tài)；

(2)經(jīng)過3次常規(guī)握手后進(jìn)人establish的數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)；

(3)服務(wù)器發(fā)完數(shù)據(jù)發(fā)fin關(guān)閉請求進(jìn)入fin wait-1狀態(tài)；

(4)收到對方發(fā)來的Ack后進(jìn)入fin wait-2狀態(tài)；

(5)收到對方發(fā)來的fin關(guān)閉請求后回送Ack回到closed狀態(tài)。

考慮HTYP常用的abs_單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) Internet Web服務(wù)器形式的統(tǒng)一資源標(biāo)識符URI，在資源緊缺的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)完整的文件結(jié)構(gòu)如"images．gif''的查詢與定位，如果采用一般計(jì)算機(jī)程序中常用的方法則代價(jià)很高。一種簡便有效的方法是計(jì)算URI各字符的ASCII碼之和。網(wǎng)頁存放于SX52的外部EEPROM中。假設(shè)利用前512字節(jié)存放最大256個(gè)網(wǎng)頁的地址，絕對路徑"．btm"的不帶進(jìn)位ASCII碼之和為#＄be，可以到2x#$be+#$17c的地方找到要發(fā)送回客戶瀏覽器的數(shù)據(jù)存放地址；下載網(wǎng)頁到服務(wù)器時(shí)也用一個(gè)程序按上述方法將各網(wǎng)頁排好即可，當(dāng)然網(wǎng)頁前都加了一段HTYP 1．0的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)頭信息。這正是Ubicom公司提供的E2File程序所做的，也可以自己編寫一個(gè)這樣的程序以實(shí)現(xiàn)HTFP 1．1的除GET、POST方法外的其它方法或擴(kuò)展功能。

除了用Java Applet實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁外，利用post方法也可與服務(wù)器交互。例如通過IE瀏覽器用復(fù)選框按鈕控制并顯示一組燈的開與關(guān)的基本W(wǎng)eb控制，其HTML網(wǎng)頁的提交表單FORM內(nèi)應(yīng)該包含有<input type=checkbox name="l"value="0～n">的類似語句，其中0～n為欲控制燈的編號，name的取值為一位數(shù)字或字符，有利于節(jié)省SX52的查詢匹配程序空間，E2File程序?qū)⒕W(wǎng)頁中如下顯示燈的狀態(tài)的HTML超鏈接語句<img src="images／led?gif">中的"?"編號為非ASCII字符#$f0～#$fn等下載存儲(chǔ)到服務(wù)器的EEPROM中。當(dāng)n用POST方法發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器時(shí)，SX52服務(wù)器計(jì)算兩個(gè)空格間的abs_單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) Internet Web服務(wù)器形式的URI的ASCII字符之和后到相應(yīng)EEPROM中，用上述下載網(wǎng)頁的計(jì)算方法找到該網(wǎng)頁的地址后，跳過HTTP的請求頭匹配l=0&…l=n表示復(fù)選框被選中的數(shù)據(jù)并對相應(yīng)編號的燈開關(guān)后，返回該網(wǎng)頁給IE時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際燈的狀態(tài)將EEPROM中存儲(chǔ)網(wǎng)頁的非ASCII字符#$f0～#$fn退換為ASCII字符"n"或"f"。這樣IE就能正確地通過超鏈接再次與服務(wù)器交互(GET方法)，下載顯示ledon．gif或ledof．gif顯示實(shí)際燈的狀態(tài)了。而要在IE上正確顯示現(xiàn)場某個(gè)控制變量的值時(shí)，同樣可以將n位顯示數(shù)值編號為非ASCII字符#$f0#$fl…#$fn的形式存儲(chǔ)到服務(wù)器中，SX52服務(wù)器端先將實(shí)際的數(shù)值轉(zhuǎn)換為BCD碼后再用對應(yīng)的ASCII字符將#Sf0#$f1…#$fn替換返回，從而能在瀏覽器端顯示服務(wù)器端控制變量的變化。國內(nèi)用戶使用的北京革新提供的開發(fā)演示板程序較充分地提供了常用的Intemet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊，也提供了一個(gè)基本可實(shí)際應(yīng)用的Web演示控制，只要做較少改動(dòng)就可以用于實(shí)際控制中。不過它只能一次控制一個(gè)燈的開關(guān)，且任何人都可以輕易地更改�，F(xiàn)要求一次能控制所有的燈，但需要在IE瀏覽器上輸入密碼123abc方可生效。程序修改如下：

(5)在模塊TcpAppRxData的分支：lookforl的開頭增加以下語句：

當(dāng)然以上密碼通過IE仍以明文傳送，不安全，但是它可以通過常用的IE瀏覽器操作，不需要專用的客戶端軟件。這適用于大企業(yè)，它們有局域網(wǎng)，電腦上只能用固定的幾種軟件。當(dāng)然編寫客戶端軟件加入加密解密算法來適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境也是容易實(shí)現(xiàn)的。用SX52構(gòu)建各種小型的現(xiàn)場控制Web服務(wù)器只要合理利用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊，參照演示板的做法在應(yīng)用子模塊TcpAppTxBytes、TcpAppRxData中對發(fā)送及接收數(shù)據(jù)按照自己特定的要求做處理即可。它還可以通過UDP的方式同時(shí)與客戶端軟件傳送語音或視頻數(shù)據(jù)流，只要增加很少的外圍接口電路并改動(dòng)相應(yīng)的UDP處理模塊UDPProcPktIn即可。而如果未來協(xié)議的更新也只要下載最新的程序替換即可，開發(fā)人員單獨(dú)修改特定協(xié)議模塊的一些實(shí)現(xiàn)方式如增加滑動(dòng)窗口的TCP／IP等也比重新編寫一個(gè)完整的協(xié)議族遠(yuǎn)為輕松。

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