一种用VHDL设计嵌入式Web Server的方案_嵌入式系统论文
关键词：vhdl internet协议 控制协议 数据报
最近几年随着internet应用的迅猛发展，internet的通信协议，特别是tcp/ip协议，已成为嵌入式internet的主体构架；然而，仅仅使用嵌入tcp/ip协议对许我应用来说远远不够，它们要求更高层次的传输和交换方式。在原有嵌入tcp/ip协议基于上加入http/1.1将构成一个功能较为简单的嵌入式web server，它可以接收和发送一些简单的数据和命令。如果再将这些嵌入通信协议和web功能用vhdl来实现的话，将大大降低嵌入成本，满足嵌入式产品对web功能的要求。
1 嵌入式web server中的协议裁减
嵌入式web server中用到的通信协议较多，若全部采用，将导致整个嵌入式web server异常复杂，而且费用显著增加。因此，为保证嵌入式web server最简化，必须对一些主要的通信协议进行相关的裁减，减小整个硬件设计的复杂性。
1.1 ip协议
ip在网络中主要实现2个基本功能：寻址和分段。ip可以根据数据报头中包括的目的地址将数据报传送到目的地。在此过程中，ip负责选择传送的通道。如果有些网络内只能传送小的数据报，ip可以将数据报重新组装并在报头域内说明。
在嵌入式web server中，由于只需传送一些简单的数据和命令，数据报的长度很小，足以适合在任何网络中传送，因此对于分段的功能可以裁减不要。
ip数据包头如图1所示。
在ip数据包头中，服务类型是指一些服务质量的参数，这些参数用于在特定网络指示所需要的服务。而选项包括时间戳，安全和特殊路由，在数据包中可以没有。因此，为简化嵌入web server的复杂程度，这2个字段都可以忽略，而且不用作任何处理。标识是发送时用于帮助重组分段包的，段偏移量是指示这个段在数据报中什么位置。由于不采用分段功能，因此这些字段都无须考虑也不用作任何处理，而且标记字段第2位必须为1，表示是不可分段的。
1.2 icmp协议裁减
icmp协议用于报告在数据报过程中的错误，它在以下几种情况下发送icmp消息：未达目的地、超时、参数总是、源拥塞、重定向、回送或回送响应、时间戳和时间戳响应、信息请求或响应。
由于嵌入式web server只是一个具有简单web功能的模块，并且它对外部传感器和网络之间只是简单的数据传输和命令的发布；因此跟成本相比较而言，许多可靠性措施可以忽略不计，只考虑一些必要。在icmp消息报告中，回送或回送响应消息、信息请求或信息响应消息在网络处理中至关重要，因此予以采用；其它消息报告可以忽略，保证嵌入式web server最简化。
1.3 tcp协议裁减
tcp，即传输控制协议，是一种面向连接的传输层协议。通过使用序列号和确认信息，tcp协议能够向发送方提供到达接收方的数据包的传送信息。当传送过程中出现数据包丢失情况时，tcp协议可以重新发送丢失的数据包，直到数据成功到达接收方或者出现网络超时为止。tcp协议还可以识别重复信息，丢弃不需要的多余信息。使网络环境得到优化。如果发送方传送数据的速度大大快于接收方接收数据的速度，tcp协议可以发送和接收的数据响应。tcp协议能够把数据传送传递给所支持的更高层次的协议或应用使用。
但在嵌入式web server中，考虑到实现的情况和复杂性，对于tcp协议，除了采用数据包传送机外，重新发送和数据流控制机制都可以忽略不计。因此在嵌入式web server中，只传送一些简单的数据和命令，而且数据量很少，因此，在系统中不会产生网络拥塞，只需在其它客户端或访问端上用流量控制机制就可以了。同时由于嵌入式web server功能简单，重新发送的可靠性不大；如果真的要求重发的话，可以与嵌入式web server重新进行连接，来完成传送任务。
2 硬件结构
由于tcp协议、ip协议和icmp协议被简化，整个协议的处理只需由协议状态机来完成。它须负责接收ip数据报、做相应的检验和消息处理、协议解释、根据接收到的进行tcp状态的转换、构造ip发送数据报。
整个嵌入式web server的硬件结构如图2所示。嵌入式web server由本地网络协议处理器、tcp处理器、ip数据包接收和发送处理及存储器、嵌入式web server ip的地址寄存器、传感器数据采集接口组成。在嵌入式web server的传感器数据采集接口的数据直接传送到主页存储器中。
ip数据报处理检查数据报是否发送给嵌入式web server以及是否有效。
tcp状态机是一个简化的tcp连接过程，只有6个状态，不包括错误情况和错误处理。
http的存储器包含了接收到的http的报头。如果接收到的ip包体有一个有效http载荷，那么http/1.0协议解释器会搜索存储器寻找相应的回答。ip数据报构造器根据http/1.0协议解释器搜索结果构造发送的包体。其中地址、端口号、确认号、序列号是根据接收到的数据包体产生的，而校验码是根据发送的数据产生。其它则是从数据接口和主页内存中形成的。
整个硬件设计采用了vhdl语言，采用xilinx的fpga进行仿真。
3 vhdl设计
整个嵌入式web server的具体的vhdl设计在这里不多说明，只介绍其核心的tcp状态机的状态转移顺序和转移条件的设计。整个协议状态机有6种状态，还可以分离出6种事件，这些事件的发生可以引起状态间相互转换，如图3所示。
syn表示连接请求；ack（syn）表示连接确认；rst表示拒绝建立连接；fin（close）主动关闭连接请求；ack（fin）关闭连接确认；time out计时等待结束。
tcp状态机的vhdl的设计代码省略。
4 结论
嵌入式web server的网络连接既可以采用以太网方式，也可以采用蓝牙技术，这可以根据需要来选定。采用硬件来解决嵌入式web server，关键在于它的复杂度很低，而且可以根据需要嵌入到相应的运用系统的芯片中去，减少了开发时间，降低了成本。采用vhdl使设计移植更加方便。