基于SOPC 的嵌入式Web 服務器設計與實現(xiàn)

摘要：設計并實現(xiàn)了基于SOPC技術的嵌入式Web服務器，簡單介紹了SOPC技術的特點及構建方法，隨后對該嵌入式Web服務器的實現(xiàn)在硬件和軟件兩方面都作了詳細論述，其中運用Nios II軟核處理器作為主控制器，實時多任務操作系統(tǒng)uC/OS-II為應用軟件運行平臺，簡化的TCP/ IP 協(xié)議LwIP為應用層通信協(xié)議。具有設計靈活、可重構、集成度高、實現(xiàn)風險低、開發(fā)周期短的優(yōu)點。

1、引言

近來，隨著嵌入式Internet技術的飛速發(fā)展，當今社會逐漸步入網(wǎng)絡時代。嵌入式Web服務器技術在遠程監(jiān)控和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，該技術允許任意地點的用戶通過Web瀏覽器接入網(wǎng)絡，訪問Web服務器發(fā)布的各類信息，通過Web可以實現(xiàn)最為親切的信息互動。

基于SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術的嵌入式Web服務器采用嵌入式軟核處理器技術,使用嵌入式實時操作系統(tǒng),內(nèi)嵌網(wǎng)絡接口和網(wǎng)絡通信協(xié)議,可直接接入以太網(wǎng)。由于嵌入式Web服務器具有成本低、體積小、高可靠、微功耗、環(huán)境適應能力強等諸多優(yōu)勢,在通信和工業(yè)控制等領域正得到日益廣泛的應用。

2、Web服務器概述

本設計介紹的嵌入式Web服務器采用基于FPGA的Nios II 軟核處理器，具有靈活性高、而成本低的特點，充分體現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)的優(yōu)勢?？蛻舳送ㄟ^IE瀏覽器對該服務器進行訪問，實時地獲得服務器發(fā)布的各類信息，以便執(zhí)行相應的操作。這樣就要求服務器提供WWW服務，即實現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應被所有瀏覽器支持，以保證任何地方的用戶都可以通過瀏覽器下達命令。在網(wǎng)絡接口上，本設計選擇以太網(wǎng)為其運行的網(wǎng)絡環(huán)境。如圖1所示為HTTP設計模型[1]。首先，客戶端的瀏覽器與Web服務器使用一個或多個TCP連接，通過80號端口進行通信，瀏覽器通過HTTP協(xié)議瀏覽存儲在FLASH中的網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁傳遞瀏覽、控制命令到網(wǎng)絡服務器，然后服務器對命令進行解析，調(diào)用相應的功能，充分實現(xiàn)客戶端與瀏覽器之間的信息互動。根據(jù)Web服務器的原理，本設計實現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。

3、硬件結構設計

3.1、FPGA芯片

服務器的整體硬件方案采用1 片規(guī)模較大的FPGA 完成大部分功能,該款FPGA采用Altera公司的低價格、高性能的Cyclone系列,根據(jù)系統(tǒng)邏輯規(guī)模的預判,選EP1C20F400C7不勝數(shù)FPGA。此型FPGA含有以下可編程邏輯資源:20 060個邏輯單元;64個M4K RAM塊,多達294 912位RAM;內(nèi)嵌2個PLL(鎖相環(huán)),可作為全局時鐘;最大用戶I/O引腳301個;且該芯片還支持用Altera公司的SOPC Builder工具嵌入Nios II的內(nèi)核。

圖1 HTTP設計模型

3.2、Nios II 軟核處理器

Nios II[2]是在Altera公司的FPGA上實現(xiàn)的一款嵌入式處理器。Nios II系列嵌入式處理器是一款用戶可配置的通用的32/16位RISC(精簡指令集)結構的CPU ,它定位于廣泛的嵌入式應用。使用業(yè)界領先的設計軟件Altera 公司的Quartus II軟件以及SOPC Builder 工具。

3.2、Nios II 軟核處理器的實現(xiàn)與應用

系統(tǒng)采用32 位嵌入式Nios II軟核,它可以提供靈活豐富的接口,針對該系統(tǒng)的需求配置合適的外圍設備。在Altera 公司提供的SOPC軟件中對該軟核進行配置時,我們選用了NIOSCPU、內(nèi)部定時器、JTAG異步串行接口、SDRAM 控制器、Flash 存儲器接口、以太網(wǎng)接口、LCD接口、片內(nèi)存儲器和EPCS4串行配置器件控制器接口。其框圖如圖2所示。

圖2 SOPC系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

在SOPC芯片中，所有部件都由Altera 公司或第三方以IP 核的方式提供,可方便復用,用戶也可在FPGA 中自定義用戶模塊,并生成自定義IP(知識產(chǎn)權)核。系統(tǒng)部件及其功能見表1。CPU 和所有部件通過Avalon 總線連接在一起,構成基于Avalon 總線的SOPC 系統(tǒng)架構。

Avalon總線是Altera 公司開發(fā)的片上總線,是一種簡單的總線體系結構,用來將處理器和周邊設備集成到SOPC 中,并規(guī)定了主設備和從設備的端口連接方式和時序關系。主設備和從設備的交互采用“從端仲裁”技術。在多個主設備試圖訪問同一個從設備時,用于決定哪個主設備獲得訪問權。在本文的系統(tǒng)設計中,CPU 是主設備,其他部件均為從設備。

表1 SoPC 中的系統(tǒng)部件

4、SOPC的構建方法

SoPC 系統(tǒng)的設計基于EDA 工具的可編程邏輯器件設計流程,是一個軟/ 硬件協(xié)同設計的過程[3]。采用Altera 公司SOPC Builder 設計工具，可以極大提高系統(tǒng)得設計效率，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)設計的新理念。

硬件開發(fā)流程：用 SOPC Builder 系統(tǒng)綜合軟件來選取合適的CPU、存儲器以及外圍器件，并定制它們的功能。使用Quartus II 軟件來選取具體的Altera 可編程器件系列，并對SOPC Builder 生成的HDL 設計文件進行布局布線;在使用Quartus II 軟件完成管腳的分配。最后生成配置文件，下載到開發(fā)板上。軟件開發(fā)流程：在用SOPC Builder 進行硬件設計的同時，就可以開始編寫獨立于器件的C/C++軟件，用戶可以使用現(xiàn)成的軟件庫和開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核來加快開發(fā)進程。在NiosII IDE 中建立新的軟件工程時，IDE 會根據(jù)SOPC Builder 對系統(tǒng)的硬件配置自動生成一個定制HAL(硬件抽象層)系統(tǒng)庫。這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅動程序，之后進行編譯、調(diào)試、下載軟件到開發(fā)板上。

5、軟件實現(xiàn)

軟件設計主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡協(xié)議棧的實現(xiàn)、應用級代碼編寫等部分。軟件結構框圖如3所示。

圖3 SOPC系統(tǒng)軟件結構框圖

5.1、uC/OS-II 操作系統(tǒng)的應用

根據(jù)Web服務器的特點，設計必須滿足實時性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持TCP/IP運行時的多任務環(huán)境的調(diào)度，所以應用軟件應該基于嵌入式實時操作系統(tǒng)。目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有VxWorks、Windows CE、uCLinux、uC/OS-II 等?？紤]到uC/OS-II的規(guī)模較小、實時性和可靠性較高，Nios II IDE 開發(fā)環(huán)境對uC/OS-II的良好支持，故操作系統(tǒng)選擇uC/OS-II[4]。它是一種可移植、可固化、可裁減、占先式的多任務實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。它通過為每個任務分配單獨的任務堆棧來保存任務工作環(huán)境，提供任務管理與調(diào)度，任務間的同步、互斥與通信，時間和中斷管理、內(nèi)存的動態(tài)分配等多種系統(tǒng)服務。在程序設計時，將網(wǎng)絡協(xié)議棧在其中一個任務中運行，而用戶程序在另外的任務中運行。通過調(diào)用協(xié)議棧提供的API函數(shù)進行通信。[!--empirenews.page--]

在本設計中uC/OS-II主要完成任務的管理與調(diào)度，在網(wǎng)絡協(xié)議棧初始化后，使用標準套接字API創(chuàng)建新任務訪問網(wǎng)絡協(xié)議棧。在本設計中使用函數(shù)sys_thread_new()創(chuàng)建DHCP超時任務dhcp_timeout_task()來動態(tài)分配IP地址，創(chuàng)建HTTP任務http_task()管理HTTP連接并調(diào)用相關的子程序來為HTTP請求服務。這里使用的sys_thread_new()位于LwIP的操作系統(tǒng)封裝層，實際上是調(diào)用uC/OS-II的OSTaskCteate()函數(shù)。通過創(chuàng)建消息郵箱、信號量實現(xiàn)任務與任務之間、任務與中斷服務程序之間的同步與互斥，以保證它們協(xié)調(diào)運行。

5.2、LwIP網(wǎng)絡協(xié)議棧的實現(xiàn)

LwIP(輕量級網(wǎng)絡協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議棧的一個實現(xiàn)。LwIP是一種專門針對嵌入式系統(tǒng)應用而設計的網(wǎng)絡通信協(xié)議，由于LwIP實現(xiàn)的關鍵在于削減代碼大小和內(nèi)存消耗，但可以完成傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的大部分功能，通常只需要大約40K的ROM和數(shù)十K的RAM即可運行。在保持協(xié)議分層體系結構的前提下，通過采用“零拷貝”技術提高實時性。

Nios II支持LwIP使用如下的3個基本任務[2]。這些任務在程序創(chuàng)建時添加后連續(xù)運行：首先，被協(xié)議棧使用的主任務。這個任務用來接收包，任務模塊的主函數(shù)用于等待消息郵箱。當一個新的包到來時，產(chǎn)生一個中斷請求，中斷服務程序清除IRQ并且向消息郵箱發(fā)送一個消息。其次，新的消息激活接收任務。這一設計可以使中斷服務程序盡可能快的執(zhí)行，從而減少系統(tǒng)延時的影響。最后，實時器任務在于周期性地調(diào)用各種任務所需的時間。上述這些任務將在初始化成功后自動運行。系統(tǒng)初始化后，進入主程序部分。主程序包括兩大部分：對接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行解包和對欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送。圖4為Web服務器軟件框圖。

圖4 軟件框架圖

6、結語

經(jīng)測試，本設計可以正常工作，達到了預期的效果?；?strong>SOPC的嵌入式Web服務器，其功能可根據(jù)需要定制，非常靈活。該Web服務器不僅可以廣泛應用于工業(yè)控制領域，實現(xiàn)小型工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡化，具有良好的應用前景。

作者創(chuàng)新點：本文介紹了基于軟核處理器的Web服務器實現(xiàn)方法，使設計變得靈活，嵌入式操作系統(tǒng)的引入，滿足了設計對實時性的要求。