探析嵌入式Web服務器的設計與實現
一、引言
嵌入式Web服務器(Embedded Web Server，EWS)是指將Web服務器嵌入到現場測試和控制設備中，在相應的硬件平臺和軟件系統的支持下，使傳統的測試和控制設備轉變為具備了以TCP/IP為底層通信協議，Web技術為核心的基于互聯網的網絡測試和控制設備。嵌入式Web服務器簡化了傳統服務器的系統結構，在嵌入式設備上它同時實現信息傳輸和網絡接口的功能。嵌入式Web服務器基于HTTP協議運作，有標準的接口形式和通信協議。它可以向任何接入它所在網絡的合法用戶提供統一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面。Web技術的開放性和平臺的獨立特性能夠降低開發難度，減少軟件系統和通信系統的設計維護工作量，提高了現場測試和控制設備的管理水平。
二、嵌入式WEB服務器總體設計方案
接入Internet有很多種接入方式：電話撥號接入、ISDN， ADSL、以太網接入等，其中以太網作為一種廉價、高效的Internet接入方式，已經得到了非常廣泛的應用，本文的Internet接入采用以太網方式。
將TCP/IP協議棧嵌入到單片機中，使用網絡控制芯片實現單片機的上網和數據傳輸。利用網絡單片機(嵌入了TCP/IP協議棧的單片機)可以實現很多功能，嵌入式Web服務器就是其中的一種。通過Web服務器，客戶端瀏覽器可以瀏覽這些設備的動態信息，并且還可以實現與系統的交互功能。
(一)嵌入式Web服務器的一般結構
嵌入式Web服務器的設計通常以通用Web服務器系統結構為藍本，根據嵌入式系統的特性進行優化。嵌入式Web服務器的硬件系統包含了Web通信功能的微處理器或者微控制器系統，它可以和前端的應用系統直接集成在一起，也可以通過現場總線與應用系統相連。
一個完整的硬件系統由微型處理器、FLASH存儲器、DRAM存儲器、網絡接口和前端應用系統硬件所組成。微型處理器負責全局的運行和管理，FLASH存儲器用來存儲實時操作系統的系統內核、TCP/IP協議棧、各種Web文檔;DRAM存儲器在系統運行時使用;網絡接口實現與Internet的連接;前端應用系統的硬件完成傳統意義上的應用功能。
由于嵌入式系統硬件資源有限，嵌入式Web服務器的硬件結構不能很復雜，實時操作系統的系統內核、TCP/IP協議棧、各種Web文檔都必須存儲在FLASH中，這對軟件系統設計提出了較高的要求。嵌入式Web服務器應用系統的硬件結構如圖1所示：
網絡接口
微處理器
SDRAM
FLASH
前端應用系統硬件
圖1嵌入式W比服務器應用系統的硬件結構
(二)系統的硬件設計方案
LPC2132微控制器是所設計的`嵌入式Web服務器的核心，一方面LPC2132微控制器內部要實現TCP/IP協議棧，并驅動網絡接口控制器ENC28J60，經耦合隔離變壓器H1102和以太網以實現Internet接入;另一方面，LPC2132微控制器又是相應控制系統的控制單元。
由于以太網的廣泛使用，本文選擇了最為常用的Internet接入方式，即通過以太網接入Internet。由美國Microchip公司生產的以太網控制芯片ENC28J60是本設計所選擇的網絡接口控制器，它集成了介質訪問控制子層和物理層的功能，主要完成網絡接口層中數據幀的發送和接收。
H1102是一款耦合隔離變壓器，用來對網絡上的脈沖進行轉換和濾波。H1102聯接RJ45接頭，可以直接接入以太網。
串行電平轉換模塊選用了Maxim公司出品的MAXSP3232E芯片。該芯片內部含有倍增電路和轉換電路，只需+5V電源供電即可實現TTL電平到RS232C電平的轉換。RS232串口一方面是作為開發調試用的，一方面可以作為相應的通信應用。
I/O口擴展包括系統的LED顯示電路、JTAG調試電路以及其他測試電路等。
(三)系統的軟件設計方案
Web服務器是在嵌入式TCP/IP協議棧的基礎上實現的一種應用程序。從系統軟件工作過程來看，可將系統分三部分：第一部分，以太網控制器驅動程序的實現;第二部分：嵌入式TCP/IP協議的實現，這部分內容在第一部分的基礎上，結合系統具體環境，對標準TCP/IP協議進行簡化并在ARM7單片機上進行移植;第三部分：應用層部分，通過嵌入式TCP/IP協議對用戶數據進行收發處理。這里是在應用層實現HTTP協議來完成Web服務器功能的。
所以系統軟件設計部分主要包括了以太網控制器的驅動程序、嵌入式TCP/IP協議棧以及動態web網頁的實現等幾個模塊：
(1)以太網控制器驅動程序是指LPC2132微控制器對ENC28J60芯片的驅動、控制過程。
(2)在LPC2132微控制器內部嵌入TCP/IP協議棧是系統實現的關鍵，它主要包括了ARP， ICMP， IP， TCP和HTTP協議的設計與實現。
(3)動態網頁的實現。使用CGI技術，可以實現動態信息的交換，從而達到遠程監視、控制的目的。
軟件設計中的另一任務是確定開發語言。對于嵌入式系統來說，掌握匯編語言的編程是至關重要的，即使使用高級語言來進行編程，通過閱讀編譯出來的匯編代碼，也可以發現高級語言編程時需要優化的地方，從而提高高級語言所編寫代碼的執行效率。同時嵌入式系統的資源緊張，要合理利用資源，提高運行效率，關鍵部分、時間要求嚴格的部分還是需要使用匯編語言來完成。但匯編語言在代碼編寫和維護上效率較低，通用性不強，在復雜的項目上還是選用高級語言比較合理。在本設計中，采用匯編語言編寫ARM7內核的啟動代碼(boot loader)，其它的程序采用C語言作為設計語言。它有很明顯的優勢：C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，有豐富的庫函數、運算速度快，而且可以直接實現對系統硬件的控制，較匯編語言有更好的可讀性。
三、嵌入式Web服務器的實現
(一)主程序流程
在主程序流程中，主要設計實現包括兩大部分：第一是對接收到的以太網數據幀進行解包：第二則是對要發送的數據進行封裝并發送。
系統初始化模塊主要包括了LPC2I32微控制器的初始化、網絡接口芯片ENC28J60的初始化、TCP/IP協議棧中各標志的初始化等：
ARP處理模塊主要完成接收ARP請求并發送ARP響應;
ICMP處理模塊主要完成接收ICMP回顯請求并發送ICMP回顯響應;
TCP數據處理模塊主要完成對TCP數據報及HTTP數據的處理。
當程序運行時，首先對系統初始化，這時系統處于等待狀態，直到有數據幀到達。ENC28J60接收完數據幀以后，首先去除幀頭，然后判斷該數據幀的報文是否為ARP包，若是，則進行ARP數據包處理，若不是，則檢查數據報頭，看IP數據包的報文是否為ICMP數據包，若是ICMP數據包，則轉到ICMP數據處理子程序。若不是ICMP數據包，就繼續進行判斷，看是否為TCP數據包，若為TCP數據包則轉入TCP數據處理子程序，若此時即不是ICMP數據包也不是TCP數據包，則將該包丟棄。
子程序的設計是為了完成TCP/IP協議體系的每一層的功能的，TCP/IP協議的每一層都是相互聯系的，但也是相對獨立的，具體由下面7個部分實現：以太網驅動程序、以太網層程序、ARP協議處理程序、IP協議處理程序、ICMP協議處理程序、TCP協議處理程序、HTTP協議處理程序。
(二)嵌入式Web服務器的實現
1、網絡接口的實現
網絡接口是Web服務器與外界交流的接口。操作系統提供網絡協議棧的支持，最主要是TCP/IP以及socket套接字系統函數庫。網絡接口使用操作系統提供的socket函數族建立可遠程通信的套接字。它分兩部分，一部分在系統初始化的時候建立，另一部分在HTTP引擎模塊里面實現。網絡接口模塊的功能描述為：首先建立socket。socket是BSO Unix提出的進程間通信(IPC)機制，它是一種雙向的通信接口，使得可以在兩個不同進程(通常是網絡上的不同節點的進程)之間可以直接通信。
2、中心處理模塊
中心處理模塊是嵌入式Web服務器的核心。它進行全局的控制和管理。它通過accept()接收HTTP請求，調用read將請求接收到本地，然后進行請求解析。根據請求的內容，判斷是屬于動態內容還是靜態內容，如果是動態內容則調用相應的動態處理函數，如果是靜態內容則訪問VFS獲得相應的內容。然后將獲得的內容包裝成為HTTP響應，返回給客戶端。中心處理模塊還實現控制管理信息和容錯機制。
3、動態文件預處理器
Web服務器必須有交互能力才是有實際意義的服務器程序。目前大多數的Web服務器都是利用CGI (Common Gateway Interface，通用網關接口)來實現應用程序的接口。本論文從嵌入式系統的角度出發，實現了一種內部的應用程序接口。
動態文件預處理器所實現的功能是將普通的Web動態資源轉變成為可編譯的函數代碼。設動態文檔為f.dtm，它包含內容{x， f(a)}。其中x為靜態的內容，F()為應用程序，a為通過解析HTTP請求得出的參數。動態文件預處理器將f.dtm轉變成為f_dtm.c。它的內容為(f_dtm ( )}，它是一個函數，實現功能為輸出{x'， f(a)}.其中f(a)是f(a)的實際輸出，而x'是輸出靜態內容的動作。
四、嵌入式Web服務器的主要應用
嵌入式Web服務器是應用在嵌入式系統上的Web服務器架構。它的主要應用是設備管理和應用程序的網絡擴展。
嵌入式Web服務器作為一個后臺程序直接在嵌入式設備上運行，用戶通過網絡對設備配置、控制、監測，保證設備安全、有效地運作。
Web接口使得用戶可以在任何一臺有互聯網接入能力的帶有Web瀏覽器的設備訪問到該嵌入式設備。Web服務器提供應用程序接口可以擴展Web的應用。這種設備管理方式不僅起到監測、控制的功能，而且根據設備的特點可以更加入性化和智能化。它使對遠程設備的操作從監控(Monitor)變成為管理(Manage )。其中基于嵌入式WEB服務器的視頻監控系統現已成為視頻監控系統的主流技術，在嵌入式系統中集成嵌入式 Web視頻服務器，采用嵌入式實時多任務操作系統;內置一個嵌入式Web服務器。攝像頭送來的視頻信號數字化后由高效壓縮芯片壓縮，通過內部總線送到內置的Web服務器，網絡上用戶可以直接用瀏覽器觀看Web服務器上的攝像機圖像，授權用戶還可以控制攝像機、云臺、鏡頭的動作或對系統配置進行操作。
另一個應用是應用程序網絡擴展。Web服務已成為支撐現代應用程序技術和系統核心組件，現今約87%的企業用戶都希望為他們的程序添加上基于Web的用戶接口。嵌入式Web服務器很好地提供了Internet網絡的接口，將應用程序和Web接口結合起來，是應用程序網絡擴展的解決方案。
參考文獻：
1嵌入式Web服務器的設計與實現宋凱 計算機工程與設計 2009/04
2嵌入式Linux下WEB服務器的設計與實現 吳玉成 數據通信 2008/06
3基于ARM-LINUX的嵌入式Web服務器設計 梁銀會 成都信息工程學院學報 2008/05
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