嵌入式WebServer技術(shù)及其實現(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)實現(xiàn)方案;給出系統(tǒng)硬件原理框圖和有關(guān)軟件實現(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Internet發(fā)展中的主力軍;將會廣泛應(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)等各個方面。 　　利用單片機(jī)實現(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頁上瀏覽的數(shù)據(jù)?！?1 應(yīng)用方案 1.1 方案簡介 　　利用單片機(jī)實現(xiàn)嵌入式WebServer,大體可有以下三種形式: 　?、?MCU+專用網(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)芯片傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)與 Internet網(wǎng)絡(luò)連接。

　　② EMIT技術(shù)。EMIT采用桌面計算機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，稱為emGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，形成一個用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)器。emGateway通過RS232、RS485、CAN等輕量級總線與外設(shè)聯(lián)系起來，每個外設(shè)的應(yīng)用程序中包含一個獨(dú)立的通信任務(wù)，稱為emMicro，監(jiān)測嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中;同時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emGateway在PC機(jī)上實現(xiàn)的，應(yīng)用系統(tǒng)MCU只處理較簡單的emNet協(xié)議，進(jìn)行網(wǎng)際連接。 　?、跰CU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(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直接實現(xiàn)形式”的硬件結(jié)構(gòu)最為簡潔，不失為首選方案。下面就詳細(xì)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。 　　　　　　　 　　圖1中，MCU以SX52BD100的運(yùn)算速度最快，在100 MHz晶振驅(qū)動下指令執(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，用戶可以根據(jù)不同的要求來配置 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主要用來存WEB頁面、圖像文件、PDF文檔等內(nèi)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(wǎng)控制芯片RTL8019AS，進(jìn)而完成接入網(wǎng)絡(luò)的工作;而且可以通過編程來選擇通信電路類型，如 RS232、RS485、MODEM等。該技術(shù)方案最大的特點(diǎn)在于：用簡潔硬件構(gòu)架應(yīng)用平臺，使原本硬件成本所需的支出可用于相對復(fù)雜的軟件開發(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 　　整個系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)包通過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WebServer來進(jìn)行。 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn) 　　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(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。基于TCP/IP協(xié)議可以實現(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(簡單郵件傳送協(xié)議)、SNMP(簡單網(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(jī)的對等進(jìn)程之間提供可靠的進(jìn)程間通信。與TCP兩端口所連接的實體中，一端為應(yīng)用程序進(jìn)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(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(jié)構(gòu)以Zilog公司的原始Z80微處理器為基礎(chǔ)，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(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶只需對應(yīng)添加相關(guān)芯片及輔助設(shè)施(如電源、用戶所需外設(shè)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dcrtcp.lib，因此只要會用C語言就可以進(jìn)行開發(fā)。用戶關(guān)注的重點(diǎn)也變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(rèn)IP配置信息;“memmap”句可使程序在芯片里面運(yùn)行時，如同在擴(kuò)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(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(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，開展例如HTTP、 PPP等應(yīng)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(wù)器可使 HTML (超文本鏈接標(biāo)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(fù)責(zé)實現(xiàn)。HTTP服務(wù)器實現(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的所有其它動態(tài)或靜態(tài)元素(無論是否符合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)，選用不同的開發(fā)工具和開發(fā)語言進(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系列芯片實現(xiàn)的具體應(yīng)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。