基于PXA270嵌入式Web服務器的設計與實現(xiàn)

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和Internet的普及，嵌入式系統(tǒng)接入網絡已經成為嵌入式系統(tǒng)應用的一個重要方向和必然結果，嵌入式Web服務器是嵌入式系統(tǒng)網絡化應用的重要方面。傳統(tǒng)的8位單片機由于其運行速度、驅動能力、功耗等問題已經越來越不能滿足用戶的需求。ARM處理器以其高性能、低功耗、豐富驅動等功能成為新的嵌入式電子產品開發(fā)的理想選擇。同時為了實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的更好分配、復雜任務的更好調度，引入嵌入式操作系統(tǒng)。ARM-Linux具有很好的移植性、穩(wěn)定性、強大的協(xié)議支持功能和豐富的設備支持功能，現(xiàn)在被廣泛應用于嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于INTEL Xscale架構的嵌入式處理器PXA270與ARM-Linux相結合構建一個嵌入式Web服務器。

1 嵌入式Web服務器技術

1.1 嵌入式Web服務器體系結構

嵌入式Web服務器的體系結構如圖1所示。其中，客戶端和Web服務器之間的通信協(xié)議采用HTTP 1.1；嵌人式實時多任務操作系統(tǒng)提供TCP／IP協(xié)議支持；Web服務器與數(shù)據(jù)庫服務器間的交互接口為CGI(Common Gateway Interface)。

1.2 嵌入式Web服務器工作流程

客戶端使用Web瀏覽器與Web服務器進行通信。Web服務器中使用HTTP協(xié)議，HTTP(超文本傳輸協(xié)議)為標準WWW傳輸協(xié)議，使用可靠的TCP連接，通常采用端口80。HTTP是一個簡單的協(xié)議，每次連接只完成一個請求?？蛻舳伺cWeb服務器交換數(shù)據(jù)之前，首先用TCP／IP建立連接，服務器端程序建立TCP類型SOCKET并在80端口進行監(jiān)聽，服務器在接收到用戶端的請求后，解析客戶請求的HTTP協(xié)議頭、分析客戶的請求，根據(jù)客戶的請求返回相應的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可來自靜態(tài)主頁和文件，也可以根據(jù)請求動態(tài)產生。由此可見，接收客戶端請求、解析客戶端請求、響應客戶端請求、向客戶端回送請求的結果是Web服務器所完成的主要任務。

2 模塊功能分析

系統(tǒng)分為客戶連接處理模塊、客戶請求處理模塊、協(xié)議處理模塊3個模塊。

2.1 客戶連接處理模塊功能

連接處理模塊如圖2所示。此模塊完成第一步客戶連接請求的處理，并將請求信息傳遞給客戶請求解析處理模塊去處理。 

模塊工作流程如下：

(1)打開文件描述字，建立文件描述符；

(2)讀取連接信息、獲取客戶信息；

(3)調用客戶請求解析模塊，關閉文件流。

2.2 客戶請求解析處理模塊功能

此模塊在連接模塊完成對客戶請求信息進行解析、處理。模塊工作流程如下：

(1)對用戶信息進行解密；

(2)查找用戶請求資源是否存在；

(3)判斷用戶請求類型，選取不同的協(xié)議進行數(shù)據(jù)回傳。[!--empirenews.page--]

2.3 協(xié)議處理模塊的功能

TCP／IP協(xié)議包括很多的協(xié)議，鑒于嵌入式Web服務器的應用場合和有限的資源，并不是所有的協(xié)議都需要實現(xiàn)，應根據(jù)系統(tǒng)的要求有選擇的加以實現(xiàn)。以太網數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來識別。為了保證系統(tǒng)在以太網的正常通信，首先需要實現(xiàn)ARP協(xié)議，因為ARP協(xié)議提供IP地址到MAC地址的轉換功能。嵌入式Web服務器要實現(xiàn)在Internet上通信，在網絡層一定要實現(xiàn)IP協(xié)議，以及能報告數(shù)據(jù)傳送差錯等情況的ICMP協(xié)議，因為IP協(xié)議是面向無連接的，它無法將狀態(tài)信息和錯誤信息傳到最初的主機上，因此要通過網際控制報文協(xié)議(ICMP)實現(xiàn)。在傳輸層主要有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，UDP協(xié)議是面向無連接的數(shù)據(jù)報文傳輸協(xié)議，而TCP協(xié)議則是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸?；趹玫男枰蛯煽啃缘囊?，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對TCP協(xié)議進行簡化處理。在應用層，遠端主機是通過瀏覽器的訪問控制方式讀取數(shù)據(jù)的，所以要實現(xiàn)HTTP協(xié)議。其他一些在Internet上應用較廣泛的協(xié)議(如FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議等)在此無需實現(xiàn)。

協(xié)議處理模塊完成對連接信息進行分析，根據(jù)參數(shù)的不同，發(fā)送不同的HTTP協(xié)議頭信息，在Linux系統(tǒng)下建立通信雙方的服務程序可以使用套接字技術，常用的套接字有2種：流式套接字和數(shù)據(jù)報套接字。本系統(tǒng)為實現(xiàn)Web服務器功能采用的是流式套接字，流式套接字用法流程圖如圖3所示。

流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，此方法對單個的數(shù)據(jù)報和對數(shù)據(jù)包都提供一種流式數(shù)據(jù)傳輸。流式套接字由socket函數(shù)調用來創(chuàng)建、而且調用時必須用bind函數(shù)為它分配一個地址。使用listen函數(shù)建立和客戶機的連接，該函數(shù)告訴套接字開始偵聽客戶機的連接請求。一旦將套接字設置成偵聽連接后，用accept函數(shù)來完成連接，如果連接成功，accept函數(shù)將返回一個新套接字的描述符，新套接字被用作以后處理的連接。一旦客戶機套接字和服務器套接字建立連接，雙方就可以通過send()和recv()函數(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3 硬件平臺與軟件設計

3.1 硬件開發(fā)平臺

基于PXA270的Web服務器硬件平臺為研興科技開發(fā)的EDK-270SL硬件系統(tǒng)，EDK-270SL是研興科技針對Intel PXA270 CPU推出的Linux開發(fā)平臺。PXA270嵌入式微處理器最高主頻可達624 MHz，加入了WirelessMMX技術，大大提升了多媒體處理能力，同時PXA270還引入PC機上的Intel SpeedStep動態(tài)電源管理技術，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動設備的功耗。EDK-270SL由處理器核心板、主板及LCD三部分組成。EDK-270SL上還集成了下列部件：64 MB SDRAM、32 MB FLASH Memory、LAN91C113以太網接口、1個全功能串口，1個帶流控串口、1個紅外接口、1個CF、接口、1個USB HOST、1個USB SLAVE、2個SSP接口等。因處理器的高性能、低成本、高效率等特點，廣泛應用于PDA、智能電器、儀器儀表、監(jiān)測控制等領域。

3.2 軟件設計

嵌入式Web服務器的軟件開發(fā)主要包括以下幾項內容：

(1)嵌入式操作系統(tǒng)ARM-linux的移植。ARM-Linux可移植性強，用戶通過重新進行配置、編譯內核可以使其內核文件小于500 kB。Linux是源碼公開的免費操作系統(tǒng)，所用版本支持MMU功能。ARM-Linux網絡支持功能強大，支持PPP，Ethernet等多種網絡連接方式，包括完整的TCP／IP協(xié)議棧及大量的其他協(xié)議。另外，由于ARM-Linux的開放性，新的網絡協(xié)議可以很容易地加入到內核中。移植過程如下：

①安裝交叉編譯工具鏈。由于嵌入式設備沒有足夠的內存以及存儲資源來完成編譯工作，于是就必須在主機上完成針目標機的代碼編譯生成，編譯后的代碼下載到目標機上運行。

②編譯Linux內核需要的源碼樹：linux2.6.9-270SL1.tar.gz。使用自動編譯腳本my編譯內核，生成可運行在嵌入式系統(tǒng)上的內核映像文件zImage。

③創(chuàng)建JFFS2根文件系統(tǒng)。對于一個實際的嵌入式應用系統(tǒng)，僅包含Linux內核是不夠的，還必須有文件系統(tǒng)的支持。在嵌入式Linux內核啟動后，需要加載根文件系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)與用戶交互。[!--empirenews.page--]

(2)TCP／IP協(xié)議族的裁剪。在TCP協(xié)議中采用“停止等待算法”代替“滑動窗口算法”。一方面是由于數(shù)據(jù)量小，對網絡擁塞不會產生太大影響，從而可以裁剪TCP的流量控制功能；另一方面是因為數(shù)據(jù)量小時，采用停止等待算法的傳輸效率和滑動窗口算法的效率差不多，因此采用簡單停止等待算法代替復雜的滑動窗口算法，不但降低了實現(xiàn)難度，提高了處理速度，同時取消了TCP發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)，從而減小了占用存儲空間。研究發(fā)現(xiàn)，如果TCP層的上層實現(xiàn)服務器端的應用，可以將標準TCP狀態(tài)機建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉，即將主動創(chuàng)建連接的SYN-SENT狀態(tài)，主動關閉連接的FIN-WAIT1，F(xiàn)IN-WAIT2，CL0SING，TIME-WAIT狀態(tài)。同理，如果應用是基于客戶端的，還可以將服務器建立連接的狀態(tài)機部分簡化。當處于監(jiān)聽狀態(tài)的服務器收到客戶端的請求時，發(fā)送“ACK+對方發(fā)過來的SYN數(shù)據(jù)”。當收到來自客戶端的一個僅含有ACK的空數(shù)據(jù)片后，雙方進人Established狀態(tài)建立連接，之后可以進行TCP數(shù)據(jù)通信。這樣既節(jié)省了系統(tǒng)開銷，同時也保證了所有的數(shù)據(jù)段都能安全正確地到達目的端。

(3)編寫HTTP Web Server。Linux下嵌入式Web服務器主要有3個：httpd，thttpd和Boa。系統(tǒng)以boa作為服務器。Boa是一個單任務的http服務器，源代碼開放、性能高。建立boa Web服務器的步驟如下：

①下載boa源代碼boa-0.94.14r21.tar.gz。BoaWeb服務器的源代碼可以從http：／／www.boa.org下載，當前最新版本為0.94.14。

②安裝并編譯boa源代碼。首先將源碼文件進行解壓，修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC=／usr／local／arm-linux／bin／arm-linux-gcc(／／自己主機交叉編譯器的目錄)，修改CPP=gcc-E為CPP=／usr／local／arm-linux／bin／arm-linux-gcc-E，執(zhí)行make，即可在SRC下得到boa可執(zhí)行文件。

③配置boa Web服務器。Boa啟動時將加載一個配置文件boa.conf，在boa程序運行前，必須對其進行修改。

④執(zhí)行Boa。成功配置以后，創(chuàng)建日志文件所在目錄／var／log／boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄／var／www，將靜態(tài)網頁存入該目錄下(將主機／usr／share／doc／HTML／目錄下的index.html文件和img目錄復制到／var／www目錄下)，創(chuàng)建CGI腳本所在錄／var／www／cgi-bin，將cgi的腳本存放在該目錄下，另外還要將mime.types文件復制／etc目錄下。在實際運行時，可以將index.html，index_Zcn.html文件、img目錄和mime.types文件放到CF卡目錄下，建立目錄后，拷貝至相應目錄。啟動ARM-Linux，在終端運行.／boa，用網頁瀏覽器訪問，看到／usr／share／doc／HTML／目錄下的index.html網頁，嵌入式Web服務器移植成功。

(4)CGI程序設計

嵌入式Web服務器，其為用戶提供基于HTTP協(xié)議的網絡接入方式，再通過編寫適當?shù)腃GI程序來實現(xiàn)動態(tài)網頁的交互。

要使用CGI程序，一般使用HTML中的FORM結構：<FORM ACTION="／cgi-bin／文件名"；METHOD=傳送方法>內容<／FORM>，其ACTION屬性指定相關的CGI程序，METHOD屬性指明提交數(shù)據(jù)的方法(POST或GET)；也可以在<A>標簽的HREF屬性中調用CGI程序，結構如：<A HREF="／cgi-bin／文件名">START CGI<／A>；還可以在<IMG>的HTML標簽中調用CGI程序，如果把CGI程序的路徑當作SRC屬性的話，服務器就會去運行程序并把運行結果當成圖像的來源，結構如：<IMGSRC="／cgi-bin／文件名">。

4 結 語

嵌入式Web服務器是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)通過Web方式與Intenet互聯(lián)的關鍵組成部分，直接影響網絡應用系統(tǒng)運行的質量與效率，對其進行研究對Intenet技術的發(fā)展有重要意義。本文提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務器的設計方法，并給出相應的軟硬件設計，并利用Socket編程和CGI程序完成整個Web服務器的設計。該嵌入式Web服務器具有成本低、開放性好、可移植性強等優(yōu)點，便于后期維護和升級。由于此設計的嵌入式Web服務器是一個單獨的模塊，提供的是標準接口，只要在軟件上作少許的修改就能很容易地應用到其他的嵌入式設備(如智能家電、現(xiàn)場節(jié)點等)中，具有一定的推廣價值。