系统设计方案 - 一种嵌入式Web服务器的设计方案

　　（2）系统的硬件设计方案

　　LPC2132微控制器是所设计的嵌入式Web服务器的核心，一方面LPC2132微控制器内部要实现TCP/IP协议栈，并驱动网络接口控制器ENC28J60，经耦合隔离变压器H1102和以太网以实现Internet接入；另一方面，LPC2132微控制器又是相应控制系统的控制单元。

　　由于以太网的广泛使用，本文选择了最为常用的Internet接入方式，即通过以太网接入Internet.由美国Microchip公司生产的以太网控制芯片ENC28J60是本设计所选择的网络接口控制器，它集成了介质访问控制子层和物理层的功能，主要完成网络接口层中数据帧的发送和接收。

　　H1102是一款耦合隔离变压器，用来对网络上的脉冲进行转换和滤波。H1102联接RJ45接头，可以直接接入以太网。

　　串行电平转换模块选用了Maxim公司出品的MAXSP3232E芯片。该芯片内部含有倍增电路和转换电路，只需+5V电源供电即可实现TTL电平到RS232C电平的转换。RS232串口一方面是作为开发调试用的，一方面可以作为相应的通信应用。

　　I/O口扩展包括系统的LED显示电路、JTAG调试电路以及其他测试电路等。

　　（3）系统的软件设计方案

　　Web服务器是在嵌入式TCP/IP协议栈的基础上实现的一种应用程序。从系统软件工作过程来看，可将系统分三部分：第一部分，以太网控制器驱动程序的实现；第二部分：嵌入式TCP/IP协议的实现，这部分内容在第一部分的基础上，结合系统具体环境，对标准TCP/IP协议进行简化并在ARM7单片机上进行移植；第三部分：应用层部分，通过嵌入式TCP/IP协议对用户数据进行收发处理。这里是在应用层实现HTTP协议来完成Web服务器功能的。

　　所以系统软件设计部分主要包括了以太网控制器的驱动程序、嵌入式TCP/IP协议栈以及动态web网页的实现等几个模块：

　　1）以太网控制器驱动程序是指LPC2132微控制器对ENC28J60芯片的驱动、控制过程。

　　2）在LPC2132微控制器内部嵌入TCP/IP协议栈是系统实现的关键，它主要包括了ARP，ICMP，IP，TCP和HTTP协议的设计与实现。

　　3）动态网页的实现。使用CGI技术，可以实现动态信息的交换，从而达到远程监视、控制的目的。

　　软件设计中的另一任务是确定开发语言。对于嵌入式系统来说，掌握汇编语言的编程是至关重要的，即使使用高级语言来进行编程，通过阅读编译出来的汇编代码，也可以发现高级语言编程时需要优化的地方，从而提高高级语言所编写代码的执行效率。

　　同时嵌入式系统的资源紧张，要合理利用资源，提高运行效率，关键部分、时间要求严格的部分还是需要使用汇编语言来完成。但汇编语言在代码编写和维护上效率较低，通用性不强，在复杂的项目上还是选用高级语言比较合理。在本设计中，采用汇编语言编写ARM7内核的启动代码（boot loader），其它的程序采用C语言作为设计语言。它有很明显的优势：C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，有丰富的库函数、运算速度快，而且可以直接实现对系统硬件的控制，较汇编语言有更好的可读性。

　　3.嵌入式Web服务器设计的实现

　　（1）主程序流程

　　在主程序流程中，主要设计实现包括两大部分：第一是对接收到的以太网数据帧进行解包：第二则是对要发送的数据进行封装并发送。

　　系统初始化模块主要包括了LPC2I32微控制器的初始化、网络接口芯片ENC28J60的初始化、TCP/IP协议栈中各标志的初始化等：

　　ARP处理模块主要完成接收ARP请求并发送ARP响应；ICMP处理模块主要完成接收ICMP回显请求并发送ICMP回显响应；TCP数据处理模块主要完成对TCP数据报及HTTP数据的处理。

　　当程序运行时，首先对系统初始化，这时系统处于等待状态，直到有数据帧到达。ENC28J60接收完数据帧以后，首先去除帧头，然后判断该数据帧的报文是否为ARP包，若是，则进行ARP数据包处理，若不是，则检查数据报头，看IP数据包的报文是否为ICMP数据包，若是ICMP数据包，则转到ICMP数据处理子程序。若不是ICMP数据包，就继续进行判断，看是否为TCP数据包，若为TCP数据包则转入TCP数据处理子程序，若此时即不是ICMP数据包也不是TCP数据包，则将该包丢弃。

　　子程序的设计是为了完成TCP/IP协议体系的每一层的功能的，TCP/IP协议的每一层都是相互联系的，但也是相对独立的，具体由下面7个部分实现：以太网驱动程序、以太网层程序、ARP协议处理程序、IP协议处理程序、ICMP协议处理程序、TCP协议处理程序、HTTP协议处理程序。

　　（2）嵌入式Web服务器的实现

　　1）网络接口的实现

　　网络接口是Web服务器与外界交流的接口。操作系统提供网络协议栈的支持，最主要是TCP/IP以及socket套接字系统函数库。

　　网络接口使用操作系统提供的socket函数族建立可远程通信的套接字。它分两部分，一部分在系统初始化的时候建立，另一部分在HTTP引擎模块里面实现。网络接口模块的功能描述为：首先建立socket.socket是BSOUnix提出的进程间通信（IPC）机制，它是一种双向的通信接口，使得可以在两个不同进程（通常是网络上的不同节点的进程）之间可以直接通信。

　　2）中心处理模块

　　中心处理模块是嵌入式W e b服务器的核心。它进行全局的控制和管理。它通过accept（）接收HTTP请求，调用read将请求接收到本地，然后进行请求解析。根据请求的内容，判断是属于动态内容还是静态内容，如果是动态内容则调用相应的动态处理函数，如果是静态内容则访问VFS获得相应的内容。然后将获得的内容包装成为HTTP响应，返回给客户端。中心处理模块还实现控制管理信息和容错机制。

　　3）动态文件预处理器

　　Web服务器必须有交互能力才是有实际意义的服务器程序。目前大多数的Web服务器都是利用CGI（Common Gateway Interface，通用网关接口）来实现应用程序的接口。本论文从嵌入式系统的角度出发，实现了一种内部的应用程序接口。

　　动态文件预处理器所实现的功能是将普通的Web动态资源转变成为可编译的函数代码。设动态文档为f.dtm，它包含内容{x，f（a）}。其中x为静态的内容，F（）为应用程序，a为通过解析HTTP请求得出的参数。动态文件预处理器将f.dtm转变成为f_dtm.c.它的内容为（f_dtm（）}，它是一个函数，实现功能为输出{x‘，f（a）}。其中f（a）是f（a）的实际输出，而x‘是输出静态内容的动作。

　　4.嵌入式Web服务器的主要应用

　　嵌入式Web服务器是应用在嵌入式系统上的Web服务器架构。它的主要应用是设备管理和应用程序的网络扩展。

　　嵌入式Web服务器作为一个后台程序直接在嵌入式设备上运行，用户通过网络对设备配置、控制、监测，保证设备安全、有效地运作。

　　Web接口使得用户可以在任何一台有互联网接入能力的带有Web浏览器的设备访问到该嵌入式设备。Web服务器提供应用程序接口可以扩展Web的应用。这种设备管理方式不仅起到监测、控制的功能，而且根据设备的特点可以更加入性化和智能化。它使对远程设备的操作从监控（Monitor）变成为管理（Manage）。其中基于嵌入式WEB服务器的视频监控系统现已成为视频监控系统的主流技术，在嵌入式系统中集成嵌入式Web视频服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统；内置一个嵌入式Web服务器。摄像头送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的Web服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。

　　另一个应用是应用程序网络扩展。Web服务已成为支撑现代应用程序技术和系统核心组件，现今约87%的企业用户都希望为他们的程序添加上基于Web的用户接口。嵌入式Web服务器很好地提供了Internet网络的接口，将应用程序和Web接口结合起来，是应用程序网络扩展的解决方案。