嵌入式WebServer技術及其實現

關鍵詞：WebServer TCP/IP協議棧 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網。隨著嵌入式系統的迅猛發展和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Internet發展中的主力軍；將會廣泛應用于智能家居系統、工業智能化從站系統、LED網絡控制顯示屏系統、網絡安全加密系統等各個方面。

　　利用單片機實現嵌入式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等協議的處理，使之變成可以在互聯網上傳輸的IP數據包以及可以在內置Web頁上瀏覽的數據。　

1 應用方案

1.1 方案簡介

　　利用單片機實現嵌入式WebServer,大體可有以下三種形式:

　　① MCU+專用網絡芯片，如E1552、Webchip PS2000等。此種方案的主要優點是：應用系統設計工程師完全不必考慮任何網絡協議，只需要解釋并執行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現與Internet網絡連接。

　　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關，稱為emGateway，上面支持TCP/IP協議并運行HTTP服務程序，形成一個用戶可以通過網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。該方案中復雜的網絡協議是通過emGateway在PC機上實現的，應用系統MCU只處理較簡單的emNet協議，進行網際連接。

　　③MCU直接實現形式。實現該形式的Web Server，可選用多種型號的MCU來實現網絡協議，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直接實現形式”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，用戶可以根據不同的要求來配置MCU。以太網控制芯片可采用RealTek公司的RTL8019AS。該芯片是一款全雙工以太網控制器，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，通過它控制以太網控制芯片RTL8019AS，進而完成接入網絡的工作；而且可以通過編程來選擇通信電路類型，如RS232、RS485、MODEM等。該技術方案最大的特點在于：用簡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發上，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

　　整個系統的工作流程如圖2所示。當數據包通過RJ45接口傳送到RTL8019AS和MCU后,系統內部的TCP/IP堆棧進行數據包解析和流向判斷，然后進行解包或者打包的動作，以繼續進行后續工作。顯然，最終的處理結果都要通過WebServer來進行。

2 網絡協議棧的實現

　　通常，所謂的TCP/IP協議是一個四層協議系統，包括數據鏈路層、網絡層(含IP協議)、傳輸層（含TCP協議）和應用層，每一層負責不同的功能。基于TCP/IP協議可以實現多種功能應用，如： HTTP（超文本傳輸控制協議）、TELNET（遠程登錄）、 FTP（文件傳輸協議）、SMTP（簡單郵件傳送協議）、SNMP（簡單網絡管理協議）等。本文主要討論HTTP， 也就是WebServer在應用層的主要構成協議。當然，用戶也可以根據需要附加其它的協議功能。

2.1 TCP/IP協議棧的實現

　　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，另一端則為底層協議，如IP協議。TCP在建立連接過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的具體實現過程。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，由于Rabbit　2000系列芯片得到Dynamic C編譯器的支持以及實現TCP/IP所需的庫文件dcrtcp.lib，因此只要會用C語言就可以進行開發。用戶關注的重點也變為網絡通信實現以后的代碼編制及優化，可以極大提高開發進度。

　　以下是Dynamic C實現TCP/IP協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 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協議棧函數，使協議棧開始處理入棧數據報；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。

　　可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP協議包，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的進一步功能擴展，開展例如HTTP、PPP等應用層的協議實現。

2.2 HTTP的實現

　　HTTP(超文本傳輸協議)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HTTP.LIB來負責實現。HTTP服務器實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的所有其它動態或靜態元素(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，就可以根據不同的硬件特點，選用不同的開發工具和開發語言進行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步驟及過程大同小異，讀者可舉一反三。