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嵌入式WebServer技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)
摘要：討論基于TCP/IP協(xié)議棧，利用8位單片機(jī)構(gòu)建嵌入式WebServer的具體技術(shù)及相關(guān)實(shí)現(xiàn)方案；給出系統(tǒng)硬件原理框圖和有關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)的代碼框架結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：WebServer TCP/IP協(xié)議棧 套接字
引 言
利用8位微控制器通過(guò)ISP（Internet服務(wù)供應(yīng)商），在不需要使用PC機(jī)或高檔單片機(jī)的情況下接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和IA（信息電器）的出現(xiàn)，該應(yīng)用系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的以PC為中心的應(yīng)用，成為未來(lái)Internet發(fā)展中的主力軍；將會(huì)廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)智能化從站系統(tǒng)、LED網(wǎng)絡(luò)控制顯示屏系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)等各個(gè)方面。
利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式WebServer方案的主要技術(shù)難點(diǎn)是：如何利用單片機(jī)本身有限的資源對(duì)信息進(jìn)行HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP及PPP等協(xié)議的處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包以及可以在內(nèi)置Web頁(yè)上瀏覽的數(shù)據(jù)。
1 應(yīng)用方案
1.1 方案簡(jiǎn)介
利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式WebServer,大體可有以下三種形式:
�、� MCU+專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)芯片，如E1552、Webchip PS2000等。此種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)芯片傳送過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
② EMIT技術(shù)。EMIT采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，稱(chēng)為emGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)的服務(wù)器。emGateway通過(guò)RS232、RS485、CAN等輕量級(jí)總線與外設(shè)聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)外設(shè)的應(yīng)用程序中包含一個(gè)獨(dú)立的通信任務(wù)，稱(chēng)為emMicro，監(jiān)測(cè)嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中；同時(shí)emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設(shè)備中的變量或進(jìn)行某種控制。該方案中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是通過(guò)emGateway在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用系統(tǒng)MCU只處理較簡(jiǎn)單的emNet協(xié)議，進(jìn)行網(wǎng)際連接。
�、跰CU直接實(shí)現(xiàn)形式。實(shí)現(xiàn)該形式的Web Server，可選用多種型號(hào)的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如AT89C8252、SX52BD100等，并可根據(jù)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(jié)構(gòu)大致相同。
顯然以上方案中，以“MCU直接實(shí)現(xiàn)形式”的硬件結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)潔，不失為首選方案。下面就詳細(xì)論述之。
1.2 硬件平臺(tái)
MCU直接實(shí)現(xiàn)形式的WebServer的硬件平臺(tái)如圖1所示。
圖1中，MCU以SX52BD100的運(yùn)算速度最快，在100 MHz晶振驅(qū)動(dòng)下指令執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS；RABBIT2000次之，51系列最慢。但是硬件成本恰好反之，用戶(hù)可以根據(jù)不同的要求來(lái)配置MCU。以太網(wǎng)控制芯片可采用RealTek公司的RTL8019AS。該芯片是一款全雙工以太網(wǎng)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(lái)存WEB頁(yè)面、圖像文件、PDF文檔等內(nèi)容,因此沒(méi)有特殊要求，可由用戶(hù)自由選擇，一般32 KB左右即可。
該方案中，MCU為核心芯片，通過(guò)它控制以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，進(jìn)而完成接入網(wǎng)絡(luò)的工作；而且可以通過(guò)編程來(lái)選擇通信電路類(lèi)型，如RS232、RS485、MODEM等。該技術(shù)方案最大的特點(diǎn)在于：用簡(jiǎn)潔硬件構(gòu)架應(yīng)用平臺(tái)，使原本硬件成本所需的支出可用于相對(duì)復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)上，且該方案的I/O接口可以自由擴(kuò)展和支配。
1.3 工作流程和軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)RJ45接口傳送到RTL8019AS和MCU后,系統(tǒng)內(nèi)部的TCP/IP堆棧進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析和流向判斷，然后進(jìn)行解包或者打包的動(dòng)作，以繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工作。顯然，最終的處理結(jié)果都要通過(guò)WebServer來(lái)進(jìn)行。
2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
通常，所謂的TCP/IP協(xié)議是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(含IP協(xié)議)、傳輸層（含TCP協(xié)議）和應(yīng)用層，每一層負(fù)責(zé)不同的功能�；赥CP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種功能應(yīng)用，如： HTTP（超文本傳輸控制協(xié)議）、TELNET（遠(yuǎn)程登錄）、 FTP（文件傳輸協(xié)議）、SMTP（簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）等。本文主要討論HTTP， 也就是WebServer在應(yīng)用層的主要構(gòu)成協(xié)議。當(dāng)然，用戶(hù)也可以根據(jù)需要附加其它的協(xié)議功能。
2.1 TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
IP包含編址方案，并提供尋址功能；TCP則是在不同主機(jī)的對(duì)等進(jìn)程之間提供可靠的進(jìn)程間通信。與TCP兩端口所連接的實(shí)體中，一端為應(yīng)用程序進(jìn)程或用戶(hù)，另一端則為底層協(xié)議，如IP協(xié)議。TCP在建立連接過(guò)程中采用三向握手機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。
下面以ZWORLD公司的Rabbit 2000系列芯片為例，論述嵌入式We
bServer的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。Rabbit 2000系列芯片是一種高性能8位器件。由于其C語(yǔ)言友好指令集和快速數(shù)字處理功能，因而受到矚目。Rabbit結(jié)構(gòu)以Zilog公司的原始Z80微處理器為基礎(chǔ)，但作了幾項(xiàng)改進(jìn)：不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲(chǔ)空間，而用一個(gè)20位或1MB的實(shí)際存儲(chǔ)空間；采取直接與靜態(tài)存儲(chǔ)器件相連接的方式；有3條存儲(chǔ)芯片選擇線路和2組寫(xiě)入/輸出啟動(dòng)線路；片上外設(shè)包括4個(gè)串行端口、1個(gè)子端口、40條I/O線、7個(gè)不同的定時(shí)器、精確脈沖發(fā)生硬件和電池支持的RTC。
系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶(hù)只需對(duì)應(yīng)添加相關(guān)芯片及輔助設(shè)施（如電源、用戶(hù)所需外設(shè)等）即可；而軟件的實(shí)現(xiàn)，由于Rabbit 2000系列芯片得到Dynamic C編譯器的支持以及實(shí)現(xiàn)TCP/IP所需的庫(kù)文件dcrtcp.lib，因此只要會(huì)用C語(yǔ)言就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)。用戶(hù)關(guān)注的重點(diǎn)也變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)以后的代碼編制及優(yōu)化，可以極大提高開(kāi)發(fā)進(jìn)度。
以下是Dynamic C實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議通信的程序主體框架。程序中起始宏定義為默認(rèn)IP配置信息；“memmap”句可使程序在芯片里面運(yùn)行時(shí)，如同在擴(kuò)展代碼窗口下被編譯；“use”句使編譯器按照庫(kù)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(shù)庫(kù)的基本函數(shù)，前者為初始化TCP/IP協(xié)議棧函數(shù)，使協(xié)議棧開(kāi)始處理入棧數(shù)據(jù)報(bào)；后者主要有兩個(gè)用途：① 支持后臺(tái)處理的最新信息；② 測(cè)試 TCP套接字的狀態(tài)。
可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP協(xié)議包，用戶(hù)可以輕松建立起TCP/IP通信。當(dāng)通信建立以后，就可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的進(jìn)一步功能擴(kuò)展，開(kāi)展例如HTTP、PPP等應(yīng)用層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
2.2 HTTP的實(shí)現(xiàn)
HTTP(超文本傳輸協(xié)議)服務(wù)器可使 HTML (超文本鏈接標(biāo)示語(yǔ)言)頁(yè)面，如Web頁(yè)等和其它文件為客戶(hù)端所使用。在Dynamic C中，HTTP由HTTP.LIB來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。HTTP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)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(hù)可以根據(jù)自己的需要在此程序框架上添加構(gòu)成WebServer的所有其它動(dòng)態(tài)或靜態(tài)元素(無(wú)論是否符合HTML標(biāo)準(zhǔn))。限于篇幅，具體示例不再列出。
小 結(jié)
在建立起相應(yīng)的硬件連接以后，就可以根據(jù)不同的硬件特點(diǎn)，選用不同的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行WebServer的構(gòu)架工作。本文給出了目前構(gòu)架WebServer的主要原理和方法，并給出Rabbit 2000系列芯片實(shí)現(xiàn)的具體應(yīng)用，相信對(duì)讀者的實(shí)際工作會(huì)有些幫助。至于采用其它芯片或方案的實(shí)現(xiàn)步驟及過(guò)程大同小異，讀者可舉一反三。
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