基于SOPC 的嵌入式Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于SOPC技術(shù)的嵌入式Web服務(wù)器，簡(jiǎn)單介紹了SOPC技術(shù)的特點(diǎn)及構(gòu)建方法，隨后對(duì)該嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)在硬件和軟件兩方面都作了詳細(xì)論述，其中運(yùn)用Nios II軟核處理器作為主控制器，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/OS-II為應(yīng)用軟件運(yùn)行平臺(tái)，簡(jiǎn)化的TCP/ IP 協(xié)議LwIP為應(yīng)用層通信協(xié)議。具有設(shè)計(jì)靈活、可重構(gòu)、集成度高、實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)低、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

1、引言

近來，隨著嵌入式Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)逐漸步入網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)允許任意地點(diǎn)的用戶通過Web瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò)，訪問Web服務(wù)器發(fā)布的各類信息，通過Web可以實(shí)現(xiàn)最為親切的信息互動(dòng)。

基于SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)的嵌入式Web服務(wù)器采用嵌入式軟核處理器技術(shù),使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,可直接接入以太網(wǎng)。由于嵌入式Web服務(wù)器具有成本低、體積小、高可靠、微功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì),在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。

2、Web服務(wù)器概述

本設(shè)計(jì)介紹的嵌入式Web服務(wù)器采用基于FPGA的Nios II 軟核處理器，具有靈活性高、而成本低的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。客戶端通過IE瀏覽器對(duì)該服務(wù)器進(jìn)行訪問，實(shí)時(shí)地獲得服務(wù)器發(fā)布的各類信息，以便執(zhí)行相應(yīng)的操作。這樣就要求服務(wù)器提供WWW服務(wù)，即實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應(yīng)被所有瀏覽器支持，以保證任何地方的用戶都可以通過瀏覽器下達(dá)命令。在網(wǎng)絡(luò)接口上，本設(shè)計(jì)選擇以太網(wǎng)為其運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。如圖1所示為HTTP設(shè)計(jì)模型[1]。首先，客戶端的瀏覽器與Web服務(wù)器使用一個(gè)或多個(gè)TCP連接，通過80號(hào)端口進(jìn)行通信，瀏覽器通過HTTP協(xié)議瀏覽存儲(chǔ)在FLASH中的網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁傳遞瀏覽、控制命令到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，然后服務(wù)器對(duì)命令進(jìn)行解析，調(diào)用相應(yīng)的功能，充分實(shí)現(xiàn)客戶端與瀏覽器之間的信息互動(dòng)。根據(jù)Web服務(wù)器的原理，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。

3、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1、FPGA芯片

服務(wù)器的整體硬件方案采用1 片規(guī)模較大的FPGA 完成大部分功能,該款FPGA采用Altera公司的低價(jià)格、高性能的Cyclone系列,根據(jù)系統(tǒng)邏輯規(guī)模的預(yù)判,選EP1C20F400C7不勝數(shù)FPGA。此型FPGA含有以下可編程邏輯資源:20 060個(gè)邏輯單元;64個(gè)M4K RAM塊,多達(dá)294 912位RAM;內(nèi)嵌2個(gè)PLL(鎖相環(huán)),可作為全局時(shí)鐘;最大用戶I/O引腳301個(gè);且該芯片還支持用Altera公司的SOPC Builder工具嵌入Nios II的內(nèi)核。

圖1 HTTP設(shè)計(jì)模型

3.2、Nios II 軟核處理器

Nios II[2]是在Altera公司的FPGA上實(shí)現(xiàn)的一款嵌入式處理器。Nios II系列嵌入式處理器是一款用戶可配置的通用的32/16位RISC(精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu)的CPU ,它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。使用業(yè)界領(lǐng)先的設(shè)計(jì)軟件Altera 公司的Quartus II軟件以及SOPC Builder 工具。

3.2、Nios II 軟核處理器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)采用32 位嵌入式Nios II軟核,它可以提供靈活豐富的接口,針對(duì)該系統(tǒng)的需求配置合適的外圍設(shè)備。在Altera 公司提供的SOPC軟件中對(duì)該軟核進(jìn)行配置時(shí),我們選用了NIOSCPU、內(nèi)部定時(shí)器、JTAG異步串行接口、SDRAM 控制器、Flash 存儲(chǔ)器接口、以太網(wǎng)接口、LCD接口、片內(nèi)存儲(chǔ)器和EPCS4串行配置器件控制器接口。其框圖如圖2所示。

圖2 SOPC系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

在SOPC芯片中，所有部件都由Altera 公司或第三方以IP 核的方式提供,可方便復(fù)用,用戶也可在FPGA 中自定義用戶模塊,并生成自定義IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核。系統(tǒng)部件及其功能見表1。CPU 和所有部件通過Avalon 總線連接在一起,構(gòu)成基于Avalon 總線的SOPC 系統(tǒng)架構(gòu)。

Avalon總線是Altera 公司開發(fā)的片上總線,是一種簡(jiǎn)單的總線體系結(jié)構(gòu),用來將處理器和周邊設(shè)備集成到SOPC 中,并規(guī)定了主設(shè)備和從設(shè)備的端口連接方式和時(shí)序關(guān)系。主設(shè)備和從設(shè)備的交互采用“從端仲裁”技術(shù)。在多個(gè)主設(shè)備試圖訪問同一個(gè)從設(shè)備時(shí),用于決定哪個(gè)主設(shè)備獲得訪問權(quán)。在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,CPU 是主設(shè)備,其他部件均為從設(shè)備。

表1 SoPC 中的系統(tǒng)部件

4、SOPC的構(gòu)建方法

SoPC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于EDA 工具的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)流程,是一個(gè)軟/ 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程[3]。采用Altera 公司SOPC Builder 設(shè)計(jì)工具，可以極大提高系統(tǒng)得設(shè)計(jì)效率，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念。

硬件開發(fā)流程：用 SOPC Builder 系統(tǒng)綜合軟件來選取合適的CPU、存儲(chǔ)器以及外圍器件，并定制它們的功能。使用Quartus II 軟件來選取具體的Altera 可編程器件系列，并對(duì)SOPC Builder 生成的HDL 設(shè)計(jì)文件進(jìn)行布局布線;在使用Quartus II 軟件完成管腳的分配。最后生成配置文件，下載到開發(fā)板上。軟件開發(fā)流程：在用SOPC Builder 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，就可以開始編寫?yīng)毩⒂谄骷?strong>C/C++軟件，用戶可以使用現(xiàn)成的軟件庫(kù)和開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核來加快開發(fā)進(jìn)程。在NiosII IDE 中建立新的軟件工程時(shí)，IDE 會(huì)根據(jù)SOPC Builder 對(duì)系統(tǒng)的硬件配置自動(dòng)生成一個(gè)定制HAL(硬件抽象層)系統(tǒng)庫(kù)。這個(gè)庫(kù)能為程序和底層硬件的通信提供接口驅(qū)動(dòng)程序，之后進(jìn)行編譯、調(diào)試、下載軟件到開發(fā)板上。

5、軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用級(jí)代碼編寫等部分。軟件結(jié)構(gòu)框圖如3所示。

圖3 SOPC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

5.1、uC/OS-II 操作系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)Web服務(wù)器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)必須滿足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持TCP/IP運(yùn)行時(shí)的多任務(wù)環(huán)境的調(diào)度，所以應(yīng)用軟件應(yīng)該基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有VxWorks、Windows CE、uCLinux、uC/OS-II 等?？紤]到uC/OS-II的規(guī)模較小、實(shí)時(shí)性和可靠性較高，Nios II IDE 開發(fā)環(huán)境對(duì)uC/OS-II的良好支持，故操作系統(tǒng)選擇uC/OS-II[4]。它是一種可移植、可固化、可裁減、占先式的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它通過為每個(gè)任務(wù)分配單獨(dú)的任務(wù)堆棧來保存任務(wù)工作環(huán)境，提供任務(wù)管理與調(diào)度，任務(wù)間的同步、互斥與通信，時(shí)間和中斷管理、內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配等多種系統(tǒng)服務(wù)。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在其中一個(gè)任務(wù)中運(yùn)行，而用戶程序在另外的任務(wù)中運(yùn)行。通過調(diào)用協(xié)議棧提供的API函數(shù)進(jìn)行通信。[!--empirenews.page--]

在本設(shè)計(jì)中uC/OS-II主要完成任務(wù)的管理與調(diào)度，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧初始化后，使用標(biāo)準(zhǔn)套接字API創(chuàng)建新任務(wù)訪問網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。在本設(shè)計(jì)中使用函數(shù)sys_thread_new()創(chuàng)建DHCP超時(shí)任務(wù)dhcp_timeout_task()來動(dòng)態(tài)分配IP地址，創(chuàng)建HTTP任務(wù)http_task()管理HTTP連接并調(diào)用相關(guān)的子程序來為HTTP請(qǐng)求服務(wù)。這里使用的sys_thread_new()位于LwIP的操作系統(tǒng)封裝層，實(shí)際上是調(diào)用uC/OS-II的OSTaskCteate()函數(shù)。通過創(chuàng)建消息郵箱、信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)與任務(wù)之間、任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間的同步與互斥，以保證它們協(xié)調(diào)運(yùn)行。

5.2、LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

LwIP(輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。LwIP是一種專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，由于LwIP實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于削減代碼大小和內(nèi)存消耗，但可以完成傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的大部分功能，通常只需要大約40K的ROM和數(shù)十K的RAM即可運(yùn)行。在保持協(xié)議分層體系結(jié)構(gòu)的前提下，通過采用“零拷貝”技術(shù)提高實(shí)時(shí)性。

Nios II支持LwIP使用如下的3個(gè)基本任務(wù)[2]。這些任務(wù)在程序創(chuàng)建時(shí)添加后連續(xù)運(yùn)行：首先，被協(xié)議棧使用的主任務(wù)。這個(gè)任務(wù)用來接收包，任務(wù)模塊的主函數(shù)用于等待消息郵箱。當(dāng)一個(gè)新的包到來時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，中斷服務(wù)程序清除IRQ并且向消息郵箱發(fā)送一個(gè)消息。其次，新的消息激活接收任務(wù)。這一設(shè)計(jì)可以使中斷服務(wù)程序盡可能快的執(zhí)行，從而減少系統(tǒng)延時(shí)的影響。最后，實(shí)時(shí)器任務(wù)在于周期性地調(diào)用各種任務(wù)所需的時(shí)間。上述這些任務(wù)將在初始化成功后自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入主程序部分。主程序包括兩大部分：對(duì)接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包和對(duì)欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送。圖4為Web服務(wù)器軟件框圖。

圖4 軟件框架圖

6、結(jié)語

經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)可以正常工作，達(dá)到了預(yù)期的效果?；?strong>SOPC的嵌入式Web服務(wù)器，其功能可根據(jù)需要定制，非常靈活。該Web服務(wù)器不僅可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)小型工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，具有良好的應(yīng)用前景。

作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文介紹了基于軟核處理器的Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)方法，使設(shè)計(jì)變得靈活，嵌入式操作系統(tǒng)的引入，滿足了設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。