基于PXA270嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和Internet的普及，嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要方向和必然結(jié)果，嵌入式Web服務(wù)器是嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的重要方面。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)由于其運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)能力、功耗等問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越不能滿足用戶的需求。ARM處理器以其高性能、低功耗、豐富驅(qū)動(dòng)等功能成為新的嵌入式電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的理想選擇。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的更好分配、復(fù)雜任務(wù)的更好調(diào)度，引入嵌入式操作系統(tǒng)。ARM-Linux具有很好的移植性、穩(wěn)定性、強(qiáng)大的協(xié)議支持功能和豐富的設(shè)備支持功能，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于INTEL Xscale架構(gòu)的嵌入式處理器PXA270與ARM-Linux相結(jié)合構(gòu)建一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。

1 嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)

1.1 嵌入式Web服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)

嵌入式Web服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，客戶端和Web服務(wù)器之間的通信協(xié)議采用HTTP 1.1；嵌人式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)提供TCP／IP協(xié)議支持；Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器間的交互接口為CGI(Common Gateway Interface)。

1.2 嵌入式Web服務(wù)器工作流程

客戶端使用Web瀏覽器與Web服務(wù)器進(jìn)行通信。Web服務(wù)器中使用HTTP協(xié)議，HTTP(超文本傳輸協(xié)議)為標(biāo)準(zhǔn)WWW傳輸協(xié)議，使用可靠的TCP連接，通常采用端口80。HTTP是一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，每次連接只完成一個(gè)請(qǐng)求。客戶端與Web服務(wù)器交換數(shù)據(jù)之前，首先用TCP／IP建立連接，服務(wù)器端程序建立TCP類(lèi)型SOCKET并在80端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，服務(wù)器在接收到用戶端的請(qǐng)求后，解析客戶請(qǐng)求的HTTP協(xié)議頭、分析客戶的請(qǐng)求，根據(jù)客戶的請(qǐng)求返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可來(lái)自靜態(tài)主頁(yè)和文件，也可以根據(jù)請(qǐng)求動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。由此可見(jiàn)，接收客戶端請(qǐng)求、解析客戶端請(qǐng)求、響應(yīng)客戶端請(qǐng)求、向客戶端回送請(qǐng)求的結(jié)果是Web服務(wù)器所完成的主要任務(wù)。

2 模塊功能分析

系統(tǒng)分為客戶連接處理模塊、客戶請(qǐng)求處理模塊、協(xié)議處理模塊3個(gè)模塊。

2.1 客戶連接處理模塊功能

連接處理模塊如圖2所示。此模塊完成第一步客戶連接請(qǐng)求的處理，并將請(qǐng)求信息傳遞給客戶請(qǐng)求解析處理模塊去處理。 

模塊工作流程如下：

(1)打開(kāi)文件描述字，建立文件描述符；

(2)讀取連接信息、獲取客戶信息；

(3)調(diào)用客戶請(qǐng)求解析模塊，關(guān)閉文件流。

2.2 客戶請(qǐng)求解析處理模塊功能

此模塊在連接模塊完成對(duì)客戶請(qǐng)求信息進(jìn)行解析、處理。模塊工作流程如下：

(1)對(duì)用戶信息進(jìn)行解密；

(2)查找用戶請(qǐng)求資源是否存在；

(3)判斷用戶請(qǐng)求類(lèi)型，選取不同的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。[!--empirenews.page--]

2.3 協(xié)議處理模塊的功能

TCP／IP協(xié)議包括很多的協(xié)議，鑒于嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用場(chǎng)合和有限的資源，并不是所有的協(xié)議都需要實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求有選擇的加以實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來(lái)識(shí)別。為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的正常通信，首先需要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議，因?yàn)锳RP協(xié)議提供IP地址到MAC地址的轉(zhuǎn)換功能。嵌入式Web服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)在Internet上通信，在網(wǎng)絡(luò)層一定要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，以及能報(bào)告數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)等情況的ICMP協(xié)議，因?yàn)镮P協(xié)議是面向無(wú)連接的，它無(wú)法將狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息傳到最初的主機(jī)上，因此要通過(guò)網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)實(shí)現(xiàn)。在傳輸層主要有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，UDP協(xié)議是面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸協(xié)議，而TCP協(xié)議則是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸?；趹?yīng)用的需要和對(duì)可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在應(yīng)用層，遠(yuǎn)端主機(jī)是通過(guò)瀏覽器的訪問(wèn)控制方式讀取數(shù)據(jù)的，所以要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。其他一些在Internet上應(yīng)用較廣泛的協(xié)議(如FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議等)在此無(wú)需實(shí)現(xiàn)。

協(xié)議處理模塊完成對(duì)連接信息進(jìn)行分析，根據(jù)參數(shù)的不同，發(fā)送不同的HTTP協(xié)議頭信息，在Linux系統(tǒng)下建立通信雙方的服務(wù)程序可以使用套接字技術(shù)，常用的套接字有2種：流式套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能采用的是流式套接字，流式套接字用法流程圖如圖3所示。

流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，此方法對(duì)單個(gè)的數(shù)據(jù)報(bào)和對(duì)數(shù)據(jù)包都提供一種流式數(shù)據(jù)傳輸。流式套接字由socket函數(shù)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建、而且調(diào)用時(shí)必須用bind函數(shù)為它分配一個(gè)地址。使用listen函數(shù)建立和客戶機(jī)的連接，該函數(shù)告訴套接字開(kāi)始偵聽(tīng)客戶機(jī)的連接請(qǐng)求。一旦將套接字設(shè)置成偵聽(tīng)連接后，用accept函數(shù)來(lái)完成連接，如果連接成功，accept函數(shù)將返回一個(gè)新套接字的描述符，新套接字被用作以后處理的連接。一旦客戶機(jī)套接字和服務(wù)器套接字建立連接，雙方就可以通過(guò)send()和recv()函數(shù)來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3 硬件平臺(tái)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

基于PXA270的Web服務(wù)器硬件平臺(tái)為研興科技開(kāi)發(fā)的EDK-270SL硬件系統(tǒng)，EDK-270SL是研興科技針對(duì)Intel PXA270 CPU推出的Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)。PXA270嵌入式微處理器最高主頻可達(dá)624 MHz，加入了WirelessMMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力，同時(shí)PXA270還引入PC機(jī)上的Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動(dòng)設(shè)備的功耗。EDK-270SL由處理器核心板、主板及LCD三部分組成。EDK-270SL上還集成了下列部件：64 MB SDRAM、32 MB FLASH Memory、LAN91C113以太網(wǎng)接口、1個(gè)全功能串口，1個(gè)帶流控串口、1個(gè)紅外接口、1個(gè)CF、接口、1個(gè)USB HOST、1個(gè)USB SLAVE、2個(gè)SSP接口等。因處理器的高性能、低成本、高效率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于PDA、智能電器、儀器儀表、監(jiān)測(cè)控制等領(lǐng)域。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器的軟件開(kāi)發(fā)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

(1)嵌入式操作系統(tǒng)ARM-linux的移植。ARM-Linux可移植性強(qiáng)，用戶通過(guò)重新進(jìn)行配置、編譯內(nèi)核可以使其內(nèi)核文件小于500 kB。Linux是源碼公開(kāi)的免費(fèi)操作系統(tǒng)，所用版本支持MMU功能。ARM-Linux網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大，支持PPP，Ethernet等多種網(wǎng)絡(luò)連接方式，包括完整的TCP／IP協(xié)議棧及大量的其他協(xié)議。另外，由于ARM-Linux的開(kāi)放性，新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以很容易地加入到內(nèi)核中。移植過(guò)程如下：

①安裝交叉編譯工具鏈。由于嵌入式設(shè)備沒(méi)有足夠的內(nèi)存以及存儲(chǔ)資源來(lái)完成編譯工作，于是就必須在主機(jī)上完成針目標(biāo)機(jī)的代碼編譯生成，編譯后的代碼下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。

②編譯Linux內(nèi)核需要的源碼樹(shù)：linux2.6.9-270SL1.tar.gz。使用自動(dòng)編譯腳本my編譯內(nèi)核，生成可運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的內(nèi)核映像文件zImage。

③創(chuàng)建JFFS2根文件系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，僅包含Linux內(nèi)核是不夠的，還必須有文件系統(tǒng)的支持。在嵌入式Linux內(nèi)核啟動(dòng)后，需要加載根文件系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)與用戶交互。[!--empirenews.page--]

(2)TCP／IP協(xié)議族的裁剪。在TCP協(xié)議中采用“停止等待算法”代替“滑動(dòng)窗口算法”。一方面是由于數(shù)據(jù)量小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞不會(huì)產(chǎn)生太大影響，從而可以裁剪TCP的流量控制功能；另一方面是因?yàn)閿?shù)據(jù)量小時(shí)，采用停止等待算法的傳輸效率和滑動(dòng)窗口算法的效率差不多，因此采用簡(jiǎn)單停止等待算法代替復(fù)雜的滑動(dòng)窗口算法，不但降低了實(shí)現(xiàn)難度，提高了處理速度，同時(shí)取消了TCP發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)，從而減小了占用存儲(chǔ)空間。研究發(fā)現(xiàn)，如果TCP層的上層實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的應(yīng)用，可以將標(biāo)準(zhǔn)TCP狀態(tài)機(jī)建立連接過(guò)程中客戶端建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡(jiǎn)化掉，即將主動(dòng)創(chuàng)建連接的SYN-SENT狀態(tài)，主動(dòng)關(guān)閉連接的FIN-WAIT1，F(xiàn)IN-WAIT2，CL0SING，TIME-WAIT狀態(tài)。同理，如果應(yīng)用是基于客戶端的，還可以將服務(wù)器建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡(jiǎn)化。當(dāng)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的服務(wù)器收到客戶端的請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送“ACK+對(duì)方發(fā)過(guò)來(lái)的SYN數(shù)據(jù)”。當(dāng)收到來(lái)自客戶端的一個(gè)僅含有ACK的空數(shù)據(jù)片后，雙方進(jìn)人Established狀態(tài)建立連接，之后可以進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信。這樣既節(jié)省了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也保證了所有的數(shù)據(jù)段都能安全正確地到達(dá)目的端。

(3)編寫(xiě)HTTP Web Server。Linux下嵌入式Web服務(wù)器主要有3個(gè)：httpd，thttpd和Boa。系統(tǒng)以boa作為服務(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能高。建立boa Web服務(wù)器的步驟如下：

①下載boa源代碼boa-0.94.14r21.tar.gz。BoaWeb服務(wù)器的源代碼可以從http：／／www.boa.org下載，當(dāng)前最新版本為0.94.14。

②安裝并編譯boa源代碼。首先將源碼文件進(jìn)行解壓，修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC=／usr／local／arm-linux／bin／arm-linux-gcc(／／自己主機(jī)交叉編譯器的目錄)，修改CPP=gcc-E為CPP=／usr／local／arm-linux／bin／arm-linux-gcc-E，執(zhí)行make，即可在SRC下得到boa可執(zhí)行文件。

③配置boa Web服務(wù)器。Boa啟動(dòng)時(shí)將加載一個(gè)配置文件boa.conf，在boa程序運(yùn)行前，必須對(duì)其進(jìn)行修改。

④執(zhí)行Boa。成功配置以后，創(chuàng)建日志文件所在目錄／var／log／boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄／var／www，將靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)存入該目錄下(將主機(jī)／usr／share／doc／HTML／目錄下的index.html文件和img目錄復(fù)制到／var／www目錄下)，創(chuàng)建CGI腳本所在錄／var／www／cgi-bin，將cgi的腳本存放在該目錄下，另外還要將mime.types文件復(fù)制／etc目錄下。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以將index.html，index_Zcn.html文件、img目錄和mime.types文件放到CF卡目錄下，建立目錄后，拷貝至相應(yīng)目錄。啟動(dòng)ARM-Linux，在終端運(yùn)行.／boa，用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問(wèn)，看到／usr／share／doc／HTML／目錄下的index.html網(wǎng)頁(yè)，嵌入式Web服務(wù)器移植成功。

(4)CGI程序設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器，其為用戶提供基于HTTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入方式，再通過(guò)編寫(xiě)適當(dāng)?shù)腃GI程序來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的交互。

要使用CGI程序，一般使用HTML中的FORM結(jié)構(gòu)：<FORM ACTION="／cgi-bin／文件名"；METHOD=傳送方法>內(nèi)容<／FORM>，其ACTION屬性指定相關(guān)的CGI程序，METHOD屬性指明提交數(shù)據(jù)的方法(POST或GET)；也可以在<A>標(biāo)簽的HREF屬性中調(diào)用CGI程序，結(jié)構(gòu)如：<A HREF="／cgi-bin／文件名">START CGI<／A>；還可以在<IMG>的HTML標(biāo)簽中調(diào)用CGI程序，如果把CGI程序的路徑當(dāng)作SRC屬性的話，服務(wù)器就會(huì)去運(yùn)行程序并把運(yùn)行結(jié)果當(dāng)成圖像的來(lái)源，結(jié)構(gòu)如：<IMGSRC="／cgi-bin／文件名">。

4 結(jié) 語(yǔ)

嵌入式Web服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)通過(guò)Web方式與Intenet互聯(lián)的關(guān)鍵組成部分，直接影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量與效率，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)Intenet技術(shù)的發(fā)展有重要意義。本文提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法，并給出相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并利用Socket編程和CGI程序完成整個(gè)Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)。該嵌入式Web服務(wù)器具有成本低、開(kāi)放性好、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于后期維護(hù)和升級(jí)。由于此設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器是一個(gè)單獨(dú)的模塊，提供的是標(biāo)準(zhǔn)接口，只要在軟件上作少許的修改就能很容易地應(yīng)用到其他的嵌入式設(shè)備(如智能家電、現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)等)中，具有一定的推廣價(jià)值。