嵌入式WebServer技術(shù)及其實(shí)現

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)供應商），在不需要使用PC機或高檔單片機的情況下接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著(zhù)嵌入式系統的迅猛發(fā)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(lái)Internet發(fā)展中的主力軍；將會(huì )廣泛應用于智能家居系統、工業(yè)智能化從站系統、LED網(wǎng)絡(luò )控制顯示屏系統、網(wǎng)絡(luò )安全加密系統等各個(gè)方面。

　　利用單片機實(shí)現嵌入式WebServer方案的主要技術(shù)難點(diǎn)是：如何利用單片機本身有限的資源對信息進(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)上傳輸的IP數據包以及可以在內置Web頁(yè)上瀏覽的數據?！?/P>

1 應用方案

1.1 方案簡(jiǎn)介

　　利用單片機實(shí)現嵌入式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：應用系統設計工程師完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，只需要解釋并執行網(wǎng)絡(luò )芯片傳送過(guò)來(lái)的指令和數據就可以實(shí)現與Internet網(wǎng)絡(luò )連接。

　?、?EMIT技術(shù)。EMIT采用桌面計算機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)行遠程訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)器。emGateway通過(guò)RS232、RS485、CAN等輕量級總線(xiàn)與外設聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)外設的應用程序中包含一個(gè)獨立的通信任務(wù)，稱(chēng)為emMicro，監測嵌入式設備中預先定義的各個(gè)變量，并將結果反饋到emGateway中；同時(shí)emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設備中的變量或進(jìn)行某種控制。該方案中復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是通過(guò)emGateway在PC機上實(shí)現的，應用系統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)現形式。實(shí)現該形式的Web Server，可選用多種型號的MCU來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)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(shí)現形式”的硬件結構最為簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(hù)可以根據不同的要求來(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(kāi)發(fā)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(gè)系統的工作流程如圖2所示。當數據包通過(guò)RJ45接口傳送到RTL8019AS和MCU后,系統內部的TCP/IP堆棧進(jìn)行數據包解析和流向判斷，然后進(jìn)行解包或者打包的動(dòng)作，以繼續進(jìn)行后續工作。顯然，最終的處理結果都要通過(guò)WebServer來(lái)進(jìn)行。

2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的實(shí)現

　　通常，所謂的TCP/IP協(xié)議是一個(gè)四層協(xié)議系統，包括數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層(含IP協(xié)議)、傳輸層（含TCP協(xié)議）和應用層，每一層負責不同的功能?；赥CP/IP協(xié)議可以實(shí)現多種功能應用，如： HTTP（超文本傳輸控制協(xié)議）、TELNET（遠程登錄）、 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在應用層的主要構成協(xié)議。當然，用戶(hù)也可以根據需要附加其它的協(xié)議功能。

2.1 TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)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(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(shí)現過(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(jìn)：不像Z80指令集那樣使用16位尋址覆蓋存儲空間，而用一個(gè)20位或1MB的實(shí)際存儲空間；采取直接與靜態(tài)存儲器件相連接的方式；有3條存儲芯片選擇線(xiàn)路和2組寫(xiě)入/輸出啟動(dòng)線(xiàn)路；片上外設包括4個(gè)串行端口、1個(gè)子端口、40條I/O線(xiàn)、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。

　　系統硬件框架結構如圖1所示，用戶(hù)只需對應添加相關(guān)芯片及輔助設施（如電源、用戶(hù)所需外設等）即可；而軟件的實(shí)現，由于Rabbit　2000系列芯片得到Dynamic C編譯器的支持以及實(shí)現TCP/IP所需的庫文件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IP配置信息；“memmap”句可使程序在芯片里面運行時(shí)，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(xié)議棧函數，使協(xié)議棧開(kāi)始處理入棧數據報；后者主要有兩個(gè)用途：① 支持后臺處理的最新信息；② 測試 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。當通信建立以后，就可以在此基礎上進(jìn)行后續的進(jìn)一步功能擴展，開(kāi)展例如HTTP、PPP等應用層的協(xié)議實(shí)現。

2.2 HTTP的實(shí)現

　　HTTP(超文本傳輸協(xié)議)服務(wù)器可使 HTML (超文本鏈接標示語(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)負責實(shí)現。HTTP服務(wù)器實(shí)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(hù)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(dòng)態(tài)或靜態(tài)元素(無(wú)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(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(shí)現的具體應用，相信對讀者的實(shí)際工作會(huì )有些幫助。至于采用其它芯片或方案的實(shí)現步驟及過(guò)程大同小異，讀者可舉一反三。