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嵌入式WebServer技术解析
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2017-10-16
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引言
利用8位微控制器通过ISP（Internet服务供应商），在不需要使用PC机或高档单片机的情况下接入互联网。随着嵌入式系统的迅猛发展和IA（信息电器）的出现，该应用系统正逐步取代传统的以PC为中心的应用，成为未来Internet发展中的主力军；将会广泛应用于智能家居系统、工业智能化从站系统、LED网络控制显示屏系统、网络安全加密系统等各个方面。
利用单片机实现嵌入式WebServer方案的主要技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对信息进行HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP及PPP等协议的处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包以及可以在内置Web页上浏览的数据。
1应用方案
1.1方案简介
利用单片机实现嵌入式WebServer，大体可有以下三种形式：
①MCU+专用网络芯片，如E1552、Webchip PS2000等。此种方案的主要优点是：应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协议，只需要解
释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络连接。
②EMIT技术。EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为emGateway，上面支持TCP/IP协议并运行HTTP服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。emGateway通过RS232、RS485、CAN等轻量级总线与外设联系起来，每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为emMicro，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到emGateway中；同时emMicro还可以解释emGateway的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网络协议是通过emGateway在PC机上实现的，应用系统MCU只处理较简单的emNet协议，进行网际连接。
③MCU直接实现形式。实现该形式的Web Server，可选用多种型号的MCU来实现网络协议，如AT89C8252、SX52BD100等，并可根据具体要求选用不同速度的MCU作为核心芯片，但是基本硬件结构大致相同。
显然以上方案中，以“MCU直接实现形式”的硬件结构最为简洁，不失为首选方案。下面就详细论述之。
1.2硬件平台
MCU直接实现形式的WebServer的硬件平台如图1所示。
图1中，MCU以SX52BD100的运算速度最快，在100 MHz晶振驱动下指令执行速度可达100MIPS；RABBIT2000次之，51系列最慢。但是硬件成本恰好反之，用户可以根据不同的要求来配置MCU.以太网控制芯片可采用RealTek公司的RTL8019AS.该芯片是一款全双工以太网控制器，可以工作在Ethernet II和IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT下，并与NE2000兼容。E2PROM主要用来存WEB页面、图像文件、PDF文档等内容，因此没有特殊要求，可由用户自由选择，一般32 KB左右即可。
该方案中，MCU为核心芯片，通过它控制以太网控制芯片RTL8019AS，进而完成接入网络的工作；而且可以通过编程来选择通信电路类型，如RS232、RS485、MODEM等。该技术方案最大的特点在于：用简洁硬件构架应用平台，使原本硬件成本所需的支出可用于相对复杂的软件开发上，且该方案的I/O接口可以自由扩展和支配。
1.3工作流程和软件设计
整个系统的工作流程如图2所示。当数据包通过RJ45接口传送到RTL8019AS和MCU后，系统内部的TCP/IP堆栈进行数据包解析和流向判断，然后进行解包或者打包的动作，以继续进行后续工作。显然，最终的处理结果都要通过WebServer来进行。
2网络协议栈的实现
通常，所谓的TCP/IP协议是一个四层协议系统，包括数据链路层、网络层（含IP协议）、传输层（含TCP协议）和应用层，每一层负责不同的功能。基于TCP/IP协议可以实现多种功能应用，如：HTTP（超文本传输控制协议）、TELNET（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、SNMP（简单网络管理协议）等。本文主要讨论HTTP，也就是WebServer在应用层的主要构成协议。当然，用户也可以根据需要附加其它的协议功能。
p.lib main（）{ sock_init（）；for（；；）{ tcp_tick（NULL）；} } sock_init（）和tcp_tick（）都是TCP/IP函数库的基本函数，前者为初始化TCP/IP协议栈函数，使协议栈开始处理入栈数据报；后者主要有两个用途：①支持后台处理的最新信息；②测试TCP套接字的状态。可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP协议包，用户可以轻松建立起TCP/IP通信。当通信建立以后，就可以在此基础上进行后续的进一步功能扩展，开展例如HTTP、PPP等应用层的协议实现。2.2 HTTP的实现HTTP（超文本传输协议）服务器可使HTML（超文本链接标示语言）页面，如Web页等和其它文件为客户端所使用。在Dynamic C中，HTTP由HTTP.LIB来负责实现。HTTP服务器实现的程序主体框架如下：#define TCPCONFIG 1 #memmap xmem #use “dcrtcp.lib” #use “http.lib” main（）{ sock_init（）；http_init（）；tcp_reserveport（80）；while（1）{ http_handler（）；} }用户可以根据自己的需要在此程序框架上添加构成WebServer的所有其它动态或静态元素（无论是否符合HTML标准）。限于篇幅，具体示例不再列出。
小结
在建立起相应的硬件连接以后，就可以根据不同的硬件特点，选用不同的开发工具和开发语言进行WebServer的构架工作。
利用8位微控制器通过ISP（Internet服务供应商），在不需要使用PC机或高档单片机的情况下接入互联网。随着嵌入式系统的迅猛发展和IA（信息电器）的出现，该应用系统正逐步取代传统的以PC为中心的应用，成为未来Internet发展中的主力军；将会广泛应用于智能家居系统、工业智能化从站系统、LED网络控制显示屏系统、网络安全加密系统等各个方面。
利用单片机实现嵌入式WebServer方案的主要技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对信息进行HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP及PPP等协议的处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包以及可以在内置Web页上浏览的数据。
1应用方案
1.1方案简介
利用单片机实现嵌入式WebServer，大体可有以下三种形式：
①MCU+专用网络芯片，如E1552、Webchip PS2000等。此种方案的主要优点是：应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协议，只需要解
释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络连接。
②EMIT技术。EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为emGateway，上面支持TCP/IP协议并运行HTTP服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。emGateway通过RS232、RS485、CAN等轻量级总线与外设联系起来，每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为emMicro，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到emGateway中；同时emMicro还可以解释emGateway的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网络协议是通过emGateway在PC机上实现的，应用系统MCU只处理较简单的emNet协议，进行网际连接。
③MCU直接实现形式。实现该形式的Web Server，可选用多种型号的MCU来实现网络协议，如AT89C8252、SX52BD100等，并可根据具体要求选用不同速度的MCU作为核心芯片，但是基本硬件结构大致相同。
显然以上方案中，以“MCU直接实现形式”的硬件结构最为简洁，不失为首选方案。下面就详细论述之。
1.2硬件平台
MCU直接实现形式的WebServer的硬件平台如图1所示。
图1中，MCU以SX52BD100的运算速度最快，在100 MHz晶振驱动下指令执行速度可达100MIPS；RABBIT2000次之，51系列最慢。但是硬件成本恰好反之，用户可以根据不同的要求来配置MCU.以太网控制芯片可采用RealTek公司的RTL8019AS.该芯片是一款全双工以太网控制器，可以工作在Ethernet II和IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT下，并与NE2000兼容。E2PROM主要用来存WEB页面、图像文件、PDF文档等内容，因此没有特殊要求，可由用户自由选择，一般32 KB左右即可。
该方案中，MCU为核心芯片，通过它控制以太网控制芯片RTL8019AS，进而完成接入网络的工作；而且可以通过编程来选择通信电路类型，如RS232、RS485、MODEM等。该技术方案最大的特点在于：用简洁硬件构架应用平台，使原本硬件成本所需的支出可用于相对复杂的软件开发上，且该方案的I/O接口可以自由扩展和支配。
1.3工作流程和软件设计
整个系统的工作流程如图2所示。当数据包通过RJ45接口传送到RTL8019AS和MCU后，系统内部的TCP/IP堆栈进行数据包解析和流向判断，然后进行解包或者打包的动作，以继续进行后续工作。显然，最终的处理结果都要通过WebServer来进行。
2网络协议栈的实现
通常，所谓的TCP/IP协议是一个四层协议系统，包括数据链路层、网络层（含IP协议）、传输层（含TCP协议）和应用层，每一层负责不同的功能。基于TCP/IP协议可以实现多种功能应用，如：HTTP（超文本传输控制协议）、TELNET（远程登录）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、SNMP（简单网络管理协议）等。本文主要讨论HTTP，也就是WebServer在应用层的主要构成协议。当然，用户也可以根据需要附加其它的协议功能。
p.lib main（）{ sock_init（）；for（；；）{ tcp_tick（NULL）；} } sock_init（）和tcp_tick（）都是TCP/IP函数库的基本函数，前者为初始化TCP/IP协议栈函数，使协议栈开始处理入栈数据报；后者主要有两个用途：①支持后台处理的最新信息；②测试TCP套接字的状态。可以看到利用Dynamic C提供的TCP/IP协议包，用户可以轻松建立起TCP/IP通信。当通信建立以后，就可以在此基础上进行后续的进一步功能扩展，开展例如HTTP、PPP等应用层的协议实现。2.2 HTTP的实现HTTP（超文本传输协议）服务器可使HTML（超文本链接标示语言）页面，如Web页等和其它文件为客户端所使用。在Dynamic C中，HTTP由HTTP.LIB来负责实现。HTTP服务器实现的程序主体框架如下：#define TCPCONFIG 1 #memmap xmem #use “dcrtcp.lib” #use “http.lib” main（）{ sock_init（）；http_init（）；tcp_reserveport（80）；while（1）{ http_handler（）；} }用户可以根据自己的需要在此程序框架上添加构成WebServer的所有其它动态或静态元素（无论是否符合HTML标准）。限于篇幅，具体示例不再列出。
小结
在建立起相应的硬件连接以后，就可以根据不同的硬件特点，选用不同的开发工具和开发语言进行WebServer的构架工作。
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