一种嵌入式WEB服务器的设计与实现_嵌入式系统论文
关键词：web服务器 以太网 can总线
在企业自动化的工业现场，下层车间的监测设备之间都是采用现场总线相互连接，而企业的管理层和生产监控层都是连于以太网的pc，甚至是位于异地的连于互连网上的pc。为了使工业现场的现场总线上的设备和管理监控层之间的pc能够通信，同时改善故障检测和设备维护的远程访问能力，笔者在can总线网与以太网的互连系统中设计了一个嵌入式web服务器。
1 嵌入式web服务器硬件设计
通常嵌入式系统硬件包括微控制器、存储器及外设器件和i／o端口等，其核心是嵌入式微控制器。为适应上网需求，嵌入式微控制器不仅要具有传统的控制功能，还要具有与因特网连接的功能。而ubicom公司的sx52芯片能比较容易实现tcp／ip协议，选择它作为微控制器。关于传输媒质，采用最常用的连接模式即通过以太网连接internet，利用网络接口控制器rtl8019as实现数据链路层协议。rtl8019as采用台湾realtek公司生产的rtl8019as芯片。
嵌入式web服务器硬件结构框图如图1所示。
嵌入式web服务器用sx52微控制器作为处理器，以太网驱动芯片rtl8019as经耦合隔离滤波器hr61101g和rj45接口接入以太网，配有rs232和can总线两个扩展接口，可以将具有rs232接口的设备或采用can总线协议通信的设备连到以太网上。rs232接口采用max232cpe芯片，can总线控制器采用philips公司的sjal000芯片，can收发器采用philips公司的pca82c250。
图1
数据的流向为：请求和控制信息从局域网中来，通过nj45送到rtl8019as，rtl8019as负责将以太网帧的首部和尾部信息剥离，将处理后的数据包送入sx52的tcp／ip协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始的请求和控制信息。请求和控制信息再经过sjal000进行can协议格式的数据封装，再与现场的can总线设备进行通信。请求和控制的回复到局域网的过程正好相反。
在嵌入式web服务器的硬件设计中，在确保通信功能顺利实现的同时，充分利用了sx52芯片i／o口灵活配置的特点，最大程度地节约了微控制器sx52的硬件资源。
图2为web服务器主要芯片连接电路简图，结合本图详细分析系统硬件设计。
1．1 rtl8019as驱动程序实现
rtls019as是台湾realtek公司制造的一种高集成度的全双工10mbps以太网控制芯片，实现了基于ethernet协议的mac层的全部功能，内置16kb的sram、双dma通道和fifo完成数据包的接收和发送功能。在网关设计中，使用跳线模式(jp置为高)来硬配置rtls019as为8位模式；使用了rtl8019的低五位地址线a0～a4以及低8位数据线d0～d7。为满足rtl8019as的isa时序，rtl8019as高端地址a5～a19须设置为0x300。sx52的b口的b0～b4脚作为地址线连接rtl8019as的低5位地址线，b5～b7作为控制线分别连接读写时序控制脚iorb、iowb、iochrdy；c口作为数据线连接rtls019as的低8位数据线；a口保留，用作日后扩展。设计中采用at24c64这样一个8kb的eeprom来保存web服务器的配置，如网关ip地址、mac地址和sjal000的id网络标示符、网络掩码amr和总线定时(btr0、btr1)等。这样就能够灵活方便地修改网关参数，适应不同环境，同时也考虑到以后的扩展。
图2
要实现嵌入式web服务器接入以太网，就要对rtl8019as进行编程，完成以太网帧的数据收发，相当于实现pc机中网卡的驱动程序功能。首先要对rtl8019as进行复位，并将其设置为跳线模式；然后对rtl8019as的工作参数进行设置，以使其开始工作；接下来读写rtl8019as的ram以完成数据包的接收和发送。程序流程如图3所示。
1．2 tcp／ip协议栈的实现
并不是所有的协议在嵌入式web服务器中都要实现，应根据项目要求有选择地加以实现。以太网数据的传输采用mac地址来识别，而arp协议提供ip地址和数据链路层使用的mac地址之间的转换功能，为了保证系统在以太网的通信，首先要实现arp协议；由于嵌入式web服务器要能在internet上通信，在网络层一定要实现ip协议，还要实现能报告数据传送差错等情况的icmp协议；在应用层，主要实现远端主机通过浏览器的访问控制方式，所以要实现http协议。而http协议是基于tcp协议实现传输的，加上tcp协议是面向可靠的数据流的传输，基于应用的需要和对可靠性的要求，在传输层采用tcp协议，并对tcp协议进行简化处理，主要针对http协议开发tcp协议。
由于嵌入式系统的资源有限，因此将tcp／ip协议最大幅度精简，以提高程序的运行速度，减少在sx52存储器中占用的空间。tcp／ip协议栈主流程图如图4所示。
精简协议主要遵循以下两个原则：
(1)协议内容精简
嵌入式web服务器的实现需要arp、ip、tcp、icmp等网络协议的支持，每一个完整协议都很庞大，在存储容量并不大的sx52上全部实现是不现实的。应该在保证实现网络通信基本功能的前提下尽可能地精简协议，确定出协议的哪一部分是必需的，哪一部分可以省略，以满足系统要求。
(2)协议接口层次明确
tcp／ip协议分布在链路层、网络层、传输层和应用层上，是分层实现的，每一层只负责处理通信过程中的一部分问题，其它层不能实现其功能。采用模块化的设计思路，如果需要修改哪个协议，只需修改相应模块的功能，其它模块不用改动。协议分层简化了程序的设计和调试，每层的协议相互独立，使协议的开发更高效。在网络系统中，按照分层的思想，从网络最底层开始每一层都为高层提供服务，明确层间接口对软件开发十分重要。
2 嵌入式web服务器应用程序的实现
brower／server(简称b／s)模式已经成为流行的开发模式，课题中的嵌入式web服务器要实现的功能主要是现场实时数据发布功能。b／s访问模式是webserver和browser之间的直接访问。客户和服务器间的中间节点不对http请求及响应做任何操作，只需在客户端采用如ie这样的浏览器对服务器上的数据进行浏览，不用开发客户端程序。采用b／s结构具有如下优势：
·具有分布性特点，可以随时随地进行业务处理；
·系统维护或升级只在服务器端，对客户端无须进行改动，只需要改变服务器端网页，即可实现所有用户的同步更新，易于维护和升级；
·开发简单，共享性强。
图4
b／s访问模式只需对服务器端程序进行开发。在服务器端形成动态网页最常用的工具有asp和jsp。由于采用的嵌入式芯片sx52只有4kb存储容量，在sx52中既实现tcp／ip协议栈，又实现asp和jsp的功能是很困难的。所以可以采用字节传输方式针对sx52用汇编语言编程实现动态网页。
java applet能够被传送到浏览器并且在浏览器所在的本地机上运行。本设计正是利用了这一特性改进了传统的b／s模式设计出的应用程序，java applet对于管理和处理动态数据也是一种行之有效的技术。java applet能实时表示从轮询得到的更新，利用这个特性显示实时数据。所以程序客户端采用java applet设计实现。
嵌入式web服务器接入以太网时，在程序中设置了自身的ip地址和mac地址，可以与局域网上任一台微机通信。服务器端主要实现两部分功能：利用http协议实现网页浏览功能和利用套接字编程实现与客户端applet通信的功能。服务器程序用sx52的汇编语言实现。
在web服务器中实现http协议才能实现网页文件的浏览。方案中将web服务器上扩展的eeprom与sx52相连，用来存储要浏览的web文件，eeprom里的web内容采用原始数据的形式存储，没有进行封装和编码。文本内容以ascⅡ码形式存储，图像内容以二进制数据形式存储。