一种用VHDL设计嵌入式Web Server的方案论文.doc

一种用VHDL设计嵌入式Web Server的方案论文 摘要：近几年嵌入式Internet开始迅猛发展但绝大多数嵌入式Internet都使用微控制器和相应的软件来实现本文介绍一种基于硬件来实现嵌入式WebServer的方案该方案的核心思想是用VHDL语言来设计实现并且用FPGA进行验证 关键词：VHDLInternet协议控制信息协议数据报 最近几年随着Internet应用的迅猛发展Internet的通信协议特别是TCP/IP协议已成为嵌入式Internet的主体构架；然而仅仅使用嵌入TCP/IP协议对许我应用来说远远不够它们要求更高层次的信息传输和交换方式在原有嵌入TCP/IP协议基于上加入HTTP/1.1将构成一个功能较为简单的嵌入式WebServer它可以接收和发送一些简单的数据和命令如果再将这些嵌入通信协议和Web功能用VHDL来实现的话将大大降低嵌入成本满足嵌入式产品对Web功能的要求 1嵌入式WebServer中的协议裁减 嵌入式WebServer中用到的通信协议较多若全部采用将导致整个嵌入式WebServer异常复杂而且费用显著增加因此为保证嵌入式WebServer最简化必须对一些主要的通信协议进行相关的裁减减小整个硬件设计的复杂性 1.1IP协议 IP在网络中主要实现2个基本功能：寻址和分段IP可以根据数据报头中包括的目的地址将数据报传送到目的地在此过程中IP负责选择传送的通道如果有些网络内只能传送小的数据报IP可以将数据报重新组装并在报头域内说明 在嵌入式WebServer中由于只需传送一些简单的数据和命令数据报的长度很小足以适合在任何网络中传送因此对于分段的功能可以裁减不要 IP数据包头如图1所示 在IP数据包头中服务类型是指一些服务质量的参数这些参数用于在特定网络指示所需要的服务而选项包括时间戳安全和特殊路由在数据包中可以没有因此为简化嵌入WebServer的复杂程度这2个字段都可以忽略而且不用作任何处理标识是发送时用于帮助重组分段包的段偏移量是指示这个段在数据报中什么位置由于不采用分段功能因此这些字段都无须考虑也不用作任何处理而且标记字段第2位必须为1表示是不可分段的 1.2ICMP协议裁减 ICMP协议用于报告在数据报过程中的错误它在以下几种情况下发送ICMP消息：未达目的地、超时、参数总是、源拥塞、重定向、回送或回送响应、时间戳和时间戳响应、信息请求或信息响应 由于嵌入式WebServer只是一个具有简单Web功能的模块并且它对外部传感器和网络之间只是简单的数据传输和命令的发布；因此跟成本相比较而言许多可靠性措施可以忽略不计只考虑一些必要在ICMP消息报告中回送或回送响应消息、信息请求或信息响应消息在网络信息处理中至关重要因此予以采用；其它消息报告可以忽略保证嵌入式WebServer最简化 1.3TCP协议裁减 TCP即传输控制协议是一种面向连接的传输层协议通过使用序列号和确认信息TCP协议能够向发送方提供到达接收方的数据包的传送信息当传送过程中出现数据包丢失情况时TCP协议可以重新发送丢失的数据包直到数据成功到达接收方或者出现网络超时为止TCP协议还可以识别重复信息丢弃不需要的多余信息使网络环境得到优化如果发送方传送数据的速度大大快于接收方接收数据的速度TCP协议可以发送和接收的数据响应TCP协议能够把数据传送信息传递给所支持的更高层次的协议或应用使用 但在嵌入式WebServer中考虑到实现的情况和复杂性对于TCP协议除了采用数据包传送机外重新发送和数据流控制机制都可以忽略不计因此在嵌入式WebServer中只传送一些简单的数据和命令而且数据量很少因此在系统中不会产生网络拥塞只需在其它客户端或访问端上用流量控制机制就可以了同时由于嵌入式WebServer功能简单重新发送的可靠性不大；如果真的要求重发的话可以与嵌入式WebServer重新进行连接来完成传送任务 2硬件结构 由于TCP协议、IP协议和ICMP协议被简化整个协议的处理只需由协议状态机来完成它须负责接收IP数据报、做相应的检验和消息处理、协议解释、根据接收到的信息进行TCP状态的转换、构造IP发送数据报 整个嵌入式WebServer的硬件结构如图2所示嵌入式WebServer由本地网络协议处理器、TCP处理器、IP数据包接收和发送处理及存储器、嵌入式WebServerIP的地址寄存器、传感器数据采集接口组成在嵌入式WebServer的传感器数据采集接口的数据直接传送到主页存储器中 IP数据报处理检查数据报是否发送给嵌入式WebServer以及是否有效 TCP状态机是一个简化的TCP连接过程只有6个状态不包括错误情况和错误处理 HTTP的存储器包含了接收到的HTTP的报头如果接收到的IP包体有一个有效HTTP载荷那么HTTP/1.0协议解释器会搜索存储器寻找相应的回答IP数据报构造器根据HTTP/1.0协议解释器搜索结果构造发送的包体其中地址、端口号、确认号、序列号是根据接收到的数据包体产生的而校验码是根据发送的数据产生其它信息则是从数据接口和主页内存中形成的 整个硬件设计采用了VHDL语言采用Xilinx的FPGA进行仿真 3VHDL设计 整个嵌入式WebServer的具体的VHDL设计在这里不多说明只介绍其核心的TCP状态机的状态转移顺序和转移条件的设计整个协议状态机有6种状态还可以分离出6种事件这些事件的发生可以引起状态间相互转换如图3所示 SYN表示连接请求；ACK（SYN）表示连接确认；RST表示拒绝建立连接；FIN（CLOSE）主动关闭连接请求；ACK（FIN）关闭连接确认；TIMEOUT计时等待结束 TCP状态机的VHDL的设计代码省略 4结论 嵌入式