嵌入式WebServer技術及其實現(xiàn)

作 者：　西北工業(yè)大學 盧虎 李勇 李志芳
摘要：討論基于TCP/IP協(xié)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(xiàn)方案；給出系統(tǒng)硬件原理框圖和有關軟件實現(xiàn)的代碼框架結構。
關鍵詞：WebServer TCP/IP協(xié)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(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)，該應用系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的以PC為中心的應用，成為未來Internet發(fā)展中的主力軍；將會廣泛應用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)智能化從站系統(tǒng)、LED網(wǎng)絡控制顯示屏系統(tǒng)、網(wǎng)絡安全加密系統(tǒng)等各個方面。
　　利用單片機實現(xiàn)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(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頁上瀏覽的數(shù)據(jù)。　
1 應用方案
1.1 方案簡介
　　利用單片機實現(xiàn)嵌入式WebServer,大體可有以下三種形式:
① MCU+專用網(wǎng)絡芯片，如E1552、Webchip PS2000等。此種方案的主要優(yōu)點是：應用系統(tǒng)設計工程師完全不必考慮任何網(wǎng)絡協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行網(wǎng)絡芯片傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)與Internet網(wǎng)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(wǎng)關，稱為emGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運行HTTP服務程序，形成一個用戶可以通過網(wǎng)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(lián)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(jiān)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(wǎng)絡協(xié)議是通過emGateway在PC機上實現(xiàn)的，應用系統(tǒng)MCU只處理較簡單的emNet協(xié)議，進行網(wǎng)際連接。
③MCU直接實現(xiàn)形式。實現(xiàn)該形式的Web Server，可選用多種型號的MCU來實現(xiàn)網(wǎng)絡協(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，但是基本硬件結構大致相同。
　　顯然以上方案中，以“MCU直接實現(xiàn)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(xiàn)形式的WebServer的硬件平臺如圖1所示。
 

　　通常，所謂的TCP/IP協(xié)議是一個四層協(xié)議系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層(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)議可以實現(xiàn)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（簡單郵件傳送協(xié)議）、SNMP（簡單網(wǎng)絡管理協(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)議棧的實現(xiàn)
　　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(xié)議，如IP協(xié)議。TCP在建立連接過程中采用三向握手機制，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WebServer的具體實現(xiàn)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(shù)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(tài)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(fā)生硬件和電池支持的RTC。
　　 系統(tǒng)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(xiàn)，由于Rabbit　2000系列芯片得到Dynamic C編譯器的支持以及實現(xiàn)TCP/IP所需的庫文件，因此只要會用C語言就可以進行開發(fā)。用戶關注的重點也變?yōu)榫W(wǎng)絡通信實現(xiàn)以后的代碼編制及優(yōu)化，可以極大提高開發(fā)進度。
　　以下是Dynamic C實現(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 
main(){
sock_init();
for (;;) {
tcp_tick(NULL);}
}
　　sock_init()和tcp_tick()都是TCP/IP函數(shù)庫的基本函數(shù)，前者為初始化TCP/IP協(xié)議棧函數(shù)，使協(xié)議棧開始處理入棧數(shù)據(jù)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(tài)。
　　可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP協(xié)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(xù)的進一步功能擴展，開展例如HTTP、PPP等應用層的協(xié)議實現(xiàn)。
2.2 HTTP的實現(xiàn)
　　HTTP(超文本傳輸協(xié)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由來負責實現(xiàn)。HTTP服務器實現(xiàn)的程序主體框架如下：
#define TCPCONFIG 1
#memmap xmem
#use ""
#use ""
main(){
sock_init();
http_init();
tcp_reserveport(80);
while (1) {
http_handler();}
}
　　用戶可以根據(jù)自己的需要在此程序框架上添加構成WebServer的所有其它動態(tài)或靜態(tài)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(jù)不同的硬件特點，選用不同的開發(fā)工具和開發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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

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