（控制理论与控制工程专业论文）多接口嵌入式web服务器的设计与实现.pdf

南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 摘要 随着嵌入式系统的发展和i n t e m e t 的普及，将嵌入式系统与i n t e m e t 相结合是一 种必然的趋势。但是传统的工业控制设备主要是非t c p i p 设备，如何低价完成这些设 备的网络化改造是当前研究的重要课题。 本文首先阐述了嵌入式系统接入i n t e m e t 面临的两大问题：技术问题和成本问题， 并对8 位m c u 接入网络的可行性进行分析，提出了在8 位m c u 上实现多接口嵌入 式w e b 服务器的解决方案。其次对嵌入式w e b 服务器的组成、功能以及关键技术进 行了分析，选择了基于i n t e m e t 混合结构的接入方式，使得该嵌入式w e b 服务器既可 以通过以太网接入i n t e m e t ，也可以使用p p p 协议通过公用电话网接入i n t e r n e t 。接着 选用d s 8 0 c 4 0 0 作为嵌入式w e b 服务器的主控芯片，完成系统硬件平台的设计，选 用j a v a 平台完成应用软件的设计。 最后本文给出了在以太网环境下通过本嵌入式w e b 服务器完成对西门子p l c 的 控制和数据采集，证明本系统运行可靠、性能稳定，达到设计要求，具有很好的实用 价值。 该设计为工业控制设备低价进入i n t e m e t 提供了可行的技术方案，具有广阔的应 用前景。 关键词：嵌入式w e b 服务器，多接口，d s 8 0 c 4 0 0 ，j a v a 南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 a b s t r a c t w i t ht h ee v o l u t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e t ，i ti sa l l i n e v i t a b l eu e n dt h a tt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r n e ts h o u l db ec o m b i n e d t o g e t h e r a tp r e s e n t , t h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n t 锄n o tb ed i r e c t l y c o n n e c t e dt ot h ei n t e m e t h o wt om a k et h e s ee q u i p m e n t sc o n n e c tt ot h ei n t e m e t 、i t h l o w - c o s ti sa ni m p o r t a n ti s s u e t h et h e s i sf a s td e s c r i b e st w op r o b l e m sw h e nt h ee m b e d d e ds y s t e mi sa c c e s s e dt ot h e i n t e r n e t ：t h et e c h n i c a lp r o b l e m sa n dt h ec o s to n e s t h em u l t i i n t e r f a c ee m b e d d e dw e b s e r v e rb a s e do n8 - h i tm c uw a sa d v a n c e dt os o l v et h ep r o b l e m sa f t e rt h ef e a s i b i l i t yi s a n a l y z e d t h e n ，w ea n a l y z et h ec o n s t i t u t i o n , f u n c t i o na n dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ew e b s e r v e rs y s t e m a f t e rt h a t , t h eh y b r i ds t r u c t u r ei sc h o s e nt oa c c e s st ot h ei n t e r n e t ，s ot h a tt h e w e bs e r v e rc a nb ec o n n e c t e de i t h e rt oi n t e r n e tt h r o u g he t h e m e to rt op s t nw i t ht h ep p p p r o t o c 0 1 t h e d s 8 0 c 4 0 0i s e m p l o y e d t o c o m p l e t e t h eh a r d w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o n t h ea p p f i c a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h ej a v as o f t w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , a st h ev a l i d a t i o nt e s t , t h es y s t e mi sa p p l i e dt ot h ep l co fs i e m e n sf o rd a t a a c q u i s i t i o n t h ea p p l i c a t i o na p p r o v e dt h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n ds t a b l es ot h a ti t a c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dh a sg o o dp r a c t i c a lv a l u e t h er e s u l to ft h er e s e a r c hp r o v i d e sav i a b l eo p t i o nf o ri n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n t a c c e s s e dt oi n t e m e tw i t hl o w - c o s ls oi tw i l lh a v eab r o a dp r o s p e c t k e y w o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r , m u l t i - i n t e r f a c e ，d s s o c 4 0 0 ，j a v a i l l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：j 牡象唧年7 月p 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 鬯扯出铲7 月p 日 南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 1 绪论 1 1 引言 随着计算机技术的发展及其产品对其它行业的广泛渗透，计算机正向着通用计算 机系统与嵌入式计算机系统分工发展，从而导致2 0 世纪末、2 l 世纪初，计算机技术 的飞速发展。 而嵌入式计算机系统的发展尤为引人关注，已经渗入到人们生活的各个方面，尤 其是在工业控制和汽车电子方面的应用最为广泛。 嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁、对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系绀“。它是计算机技术、 通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像、数据传输技术等先进技术和具体应 用对象结合的产物。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识 密集型系统。 英国的电气工程师学会( t h ei n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a le n 舀n e e r si e e ) 给嵌入式系 统下个定义：“嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置。” 作为嵌入式系统的关键技术之一，将嵌入式系统与通信网技术相融合，也就是嵌 入式微型网技术，目前正在蓬勃发展。本文所要实现的多接口嵌入式w e b 服务器就 是将嵌入式系统与i n t e m e t 技术相结合的产物。它通过在嵌入式系统中增加i n t e r n e t 接 口来扩展整个系统的通信能力。使得r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 能与i n t e r n e t 相互通信。 多接口嵌入式w e b 服务器能给客户提供标准而友好的统一界面，用户只要一台 可以上网的p c 就可以通过w e b 浏览器对设备进行远程配置，或让设备利用w e b 来 报告工作状态，这使得传统工业设备网络化改造的难度和费用都大为减少。 1 2 课题的背景及意义 目前基于微处理器( m p u ) 和微控制器( m c u ) 的嵌入式系统已经在各个领域 得到了广泛的应用。早期的很多系统往往处于单独应用的阶段，现在在某些应用中， 为了实现多个设备之间的信息共享和数据交换，可以利用r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 和c a n 等总线将其组网【2 】。但是这种网络的覆盖范围有限，通信协议也比较少，成本高，而 且维护和扩展很不方便，从而限制了其在工业控制领域的进一步应用。 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，i n t e t n e t 已经成为社会重要的基础信息设施之一。 若能将i n t e m e t 网络技术延伸到电子设备或嵌入式系统中并使之互连，就可以将嵌入 式系统的小、特、简、精的特点和i n t e r n e t 的方便、快速、低廉的特点结合起来，必 l l 绪论硕士论文 然会让我们的世界变得更加自动化和智能化。 嵌入式i n t e r n e t 技术的出现时间并不很长，但是发展速度却非常快，新思想不断 涌现，新概念连续推出，新技术层出不穷，新产品不断产生【3 1 。尼尔格罗斯曾经预 言：下个世纪，地球将披上一层电子皮肤，它将利用因特网作为一种框架支持和传输 感觉。电子皮肤已经被拼凑起来，它由干百万个嵌入式电子测量装置恒温器、压 力计、污染监测器、摄像机、麦克风、葡萄糖传感器、心电图仪，等等组成。这些装 置将对城市和濒危物种、大气层、船只、高速公路和行驶车辆、人们的交谈内容、人 体甚至人的梦境进行探索和监测。 网络专家也预测，将来在i n t e m e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来自小型嵌 入式系统【4 1 到时候大量的嵌入式设备将连到i n t e m e t 上，并通过网络相互通信，自 动操作，而无需人的干预。 目前常用的嵌入式系统接入i n t e r n e t 的方式有三种1 5 - 7 1 ： 1 、网关+ 轻量级设备 该方案使用r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 、c a n 等轻量级网络将嵌入式系统连接成简单的设 备网络，再连接到一个网关设备上，网关设备是直接连到i n t e r n e t 的高性能计算机和 处理器。使用t c p i p 协议与i n t e r n e t 交换信息，同时负责将设备网络上的信息转换为 t c p i p 数据包。这种方案适合于嵌入式设备较多且相对集中的场合。如果设备相对 分散，则这种方法需要设计新的布线，成本较高。 2 、利用嵌入式微处理器+ 协议处理芯片。 该方案将m c u 应用系统和内部固化了t c p f l p 协议的芯片相结合。m c u 应用系 统借助于t c p i p 专用芯片，通过直接拨号或者与以太网相连的方式接入。这种方法 适用于性能不高的8 位和1 6 位微处理器，这种系统性能较好，缺点是可升级性差。 因为没有一个芯片会实现所有的协议组，一旦数据包结构发生变化就必须更换相应的 协议转换芯片，甚至可能对整个系统进行重新设计。 3 、通过专用嵌入式w 曲服务器 该方案不要求每个设备都直接接入到i n t e m e t , 而是先将这些设备连接起来组成底 层的网络，然后通过某一特定的设备实现嵌入式w e b 服务器，底层连接起来的网络 通过该嵌入式w e b 服务器与i n t e r n e t 进行信息交互。这种系统体积小，功耗低，性能 稳定，且易于实现系统的模块化设计。 将嵌入式系统接入i n t e m e t 除了必须考虑以上的技术问题外，接入的成本也是必 须考虑的一个问题。目前基于高档的嵌入式微控制器解决嵌入式系统接入i n t e r n e t 的 方案不断推出，但是其实现成本较高，使得应用范围受到限制。而8 位处理器在价格 上有不可比拟的优势，除此以外其品种丰富、应用广泛、功耗低，数量上也远远超过 高档嵌入式处理器。摩托罗拉微控制器部消费和工业品市场拓展部经理r e n e e 2 南京理工大学硕士学位论文 多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 m i t c h e l l 曾指出：“日常用品联接因特网的需要是保持8 位m c u 市场活力的动力之一。 我们相信这一联接需求将成为未来几年里支撑8 位m c u 市场持续增长的主要推动因 素。” 由此可以看出，如何低成本的解决在8 位处理器上实现嵌入式i n t e r a c t 将会有很 大的研究价值及市场前景。 1 3 国内外研究状况睁1 3 1 【撂5 0 l 近年来，国内外投入嵌入式i n t e r n e t 研究的公司逐渐增多，其中e m w a r e 、 m i c r o c h i p 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 等在内的数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟 ( e 1 1 ) ”，来专门讨论和制定嵌入式i n t e r n e t 领域的标准和开发相关的技术，共同推动 这一市场。 e m w a r e 公司提出了e m i t ( e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y ) 的技术理论。e m i t 的技术核心是采用代理上网机制，它采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网 关，称为e m g a t e w a y ，在其上面运行t c p i p 协议，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。同时，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、c a n 等总线与多 个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含一个独立的通信任务，称 为e m m i c r o ，它负责监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到 e m c j a t e w a y 。同时a l l m i c r o 可以解释e m g a t e w a y 修改设备中的变量，对设备进行某 种控制，增加到嵌入式系统中的e m m i c r 。代码长度一般在1 8kb y t e s 左右。 c m x 公司提出了m i c r o n e t 的概念，代表产品为e m l s p 。e m l s p 是一种针对8 位、 1 6 位嵌入式设计市场定制的t c p i p 协议栈。它的特点是占用的程序存储空间不大， 只占用3 k 字节( c o r e + u d p i p ) 到2 0 k 字节( c o r e + t c p f l p + p p p + m e d e m + i - r i t p w e bs e r v e r 十v i r i t u a lf i l e ) 左右。e m l s p 可以独立工作，也可以与实时操作系统一起 使用。目前e m l s p 可运行在8 位处理器( a t m e l 的a v r 系列) 和1 6 位处理器( h i t a c h i 3 0 0 h ，i n f i n e o n8 0 c 1 6 x ，m i t s u b i s h im 6 c ，p h i l i p sx a 系列) 上。 r a b b i t 公司代表产品为e m b e d d e di n t e r n e tt c p i pk i t ，它包含一个r a b b i t2 0 0 0 的 8 位m c u 、c 语言的编译工具、实时d e b u g 工具、以太网接口等模块，它提供全部 的程序可以实现h t r p 、s m t p 等功能。 s e n a 公司开发了一个小型的实验室系统，让全球的i n t e m e t 用户在网上访问并控 制实验室的智能设备，这些设备包括0 一1 0 0 亮度的台灯，o 一1 0 0 速度的电风扇 以及开关式的壁灯。e c h e l o n 公司开发了类似的一个基于i n t e m e t 的实验室远程控制 系统，智能设备包括可设置0 - - 1 0 0 开度的窗帘，可设置0 - - 1 0 0 亮度的壁灯等。 国内也有一些公司在研究嵌入式i n t e r n e t ，东大阿尔派公司对自己的c t 产品开 发了远程维修诊断系统。借助i n t e m e t 网络，实现对分布在各地c t 机的远程诊断和 3 1 绪论硕士论文 维修，缩短了维修时间，保证了开机率。武汉力源公司开发的使嵌入式电子设备和家 用电器与网络方便联接的实用解决方案一一w e b s h i p 。它通过标准的输入、输出口与 各种m c u 相连m c u 通过w e b c h i p 与网关联接即可接收并执行经由h i t e m e t 远 程传来的命令或将数据交给w e b c h i p 发送出去m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络 芯片与g a t e w a y 联接，再进入i n t e r n e t 网。 1 4 论文主要完成的工作 本文介绍了一种嵌入式w e b 服务器的设计和实现，包括硬件的架构设计和软件 平台设计，以及对本系统所采用的t i n i o s 操作系统进行移植。鉴于目前的嵌入式 w 曲服务器存在着功能单一，成本高等不利因素。本文在分析了传统的嵌入式w e b 服务器设计方法的基础上，深入研究了现阶段的技术，提出了一种较为新颖的嵌入式 w e b 服务器的设计思路，并完成系统的设计和最后的测试。论文结构如下： 第一章主要介绍了论文背景，国内外状况，以及研究嵌入式w e b 服务器的意义。 第二章介绍了嵌入式w e b 服务器的整体设计，包括系统的组成设计和功能设计。 比较w e b 服务器的访问方式和系统的开发语言，选择了嵌入式w e b 服务器关键技术： b s 结构与c ，s 结构相结合的技术和j a v a 开发平台，并介绍了j a v a 语言运用于嵌入 式系统的优点。 第三章完成了嵌入式w e b 服务器的硬件设计。在本章中首先给出了嵌入式w e b 服务器的硬件结构设计。然后依次给出系统各个模块的具体实现，包括：主控制器的 选型及特性，系统各个接口的设计，如c a n ，r s 一2 3 2 ，r s 4 8 5 和m o d e m 接口的实现。 第四章完成了系统应用软件的设计和实现。包括系统任务的划分以及软件主要功 能的具体实现，最后对软件中应用的动态绘图技术作了说明。 第五章完成了将本嵌入式w e b 服务器整体测试。并将其运用在西门子$ 7 - 2 0 0 上， 实现了本系统设计时所确定的所有功能。 第六章对论文工作进行了总结。简述了本系统的研究取得的成果和存在的不足， 并给后续设计者提出了改进思想。 4 南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 2 嵌入式w e b 服务器总体设计 嵌入式w e b 服务器的主要设计思想就是将嵌入式系统和w e b 技术结合起来，将 w e b 技术引入到现场测量和控制设备中，从而实现基于嵌入式w 曲服务器的控制系 统。用户可以通过现有的公共通信网络，使用标准的w e b 浏览器作为接口直接对现 场的控制设备进行访问，监控和维护等操作，实现了异构设备之间的跨平台互访n 4 】。 2 1 嵌入式w e b 服务器的组成 一般来说嵌入式w e b 服务器由网络模块、接i = 1 模块和存储模块三个部分组成。 系统组成原理如图2 1 1 所示。 图2 1 1 系统组成原理图 网络模块 网络模块是整个嵌入式w e b 服务器的核心，负责完成服务器的初始化，并且在 8 0 端口等待用户的连接请求。根据用户请求的类型提供相应的服务。此外还要实现 电子邮件功能，用来完成自动报警和数据的保存。为了增加系统的灵活性，使其适应 不同的场合，本文为嵌入式w 曲服务器设计了两种接入网络的模式：一种是将嵌入 式w 曲服务器接入e t h e m e t ，然后通过e t h e r n e t 接入i n t e m e t 。这样既可以通过i n t e r n e t 远程访问该嵌入式w e b 服务器，又可以在e t h e m e t 内实现对工业控制系统的操作以 及对实时数据信息的获取。另外一种是通过p p p 协议接到公共交换电话网( p s t n ) 上，相当于将控制设备直接接入p s t n 网络，这样用户可以不受地理和空间的限制， 只要一台可以上网的p c 就可以通过浏览器实时地查看连接在嵌入式w e b 服务器上设 备的运行状态，改变了传统监控系统的封闭局面。 5 2 嵌入式w e b 服务器总体设计 硕士论文 接口模块 传统的控制设备具有不同的接口标准，如早期使用r s 一2 3 2 或者r s - 4 8 5 接1 2 1 进行 数据的通信。9 0 年代以来出现了基于现场总线的接口如c a n ，而且这些不同年代的 设备现在仍在不同的场合使用。为了使w e b 服务器具有更好的通用性，在系统设计 时，尽可能多的提供了一些通用接口，如r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 、c a n 、m o d e m 、e t h e r n e t 。 通过这些接口，可以和不同接口的控制设备进行连接。 存储模块 本系统提供了一个建立在外部串行f l a s h 芯片上的小型文件系统，主要用来存放 操作系统，嵌入式w e b 服务器需要发布的网页和运行的程序。而各个接口采集的数 据，暂时存放在1 m 的r a m 里，每隔一定的时间就将数据通过电子邮件发送到指定 的邮箱，然后覆盖原有的数据。 2 2 嵌入式w e b 服务器所需解决的问题 嵌入式w e b 服务器和普通的w 曲服务器相比，其运行的目标环境，所拥有的资 源和其处理能力的不同导致了它们功能的不一样。嵌入式w e b 服务器只是完成某些 特定的功能如配置和控制设备，而普通的w e b 服务器则是以完成信息共享为目的【1 5 】。 以上的这些区别导致了嵌入式w e b 服务器与普通的w e b 服务器追求的目标不一样。 处理的事务量大小 传统的w e b 服务器访问人数众多，系统的吞吐率和响应时间，成为普通w 曲服 务器的主要追求目标。而嵌入式w e b 服务器一般只有设备管理员进行访问，所以嵌 入式w e b 服务器对于吞吐率的要求不是很高。所以在设计嵌入式w e b 服务器时选用 合适的8 位的微处理器就可以满足对象的采集、控制和低功耗等要求。 设备所需资源 虽然嵌入式w e b 服务器相对于传统的w e b 服务器来说所需的资源极少，但是为 了满足其各种功能的需要，主控制器集成功能的丰富程度是必须考虑的问题。另外系 统网络功能实现的难易程度也是影响系统效率和稳定的一个因素，这些都是主控制器 选择应该考虑的问题。 在存储器方面，由于要存放操作系统、网页信息、应用程序和采集的数据，所以 在存储器的选择上，应尽量外扩较大的存储芯片，以保证存储模块不会成为制约整个 系统性能的一个瓶颈。 2 3 嵌入式w e b 服务晷系统的功能设计 6 由于嵌入式系统硬件资源相对有限，在其上无法实现标准的w e b 服务器的所有 南京理工大学硕士学位论文 多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 功能，仅仅考虑到实时数据采集、数据处理应用、以及数据发布等功能的实现。设计 了一种小巧的服务器，功能如下： 1 、实时数据发布功能 实时数据包括设备采集数据的信息，设备运行状态的信息，通信状态信息等。嵌 入式w e b 服务器以网页的形式进行发布，且动态实时刷新。操作人员通过接入i n t e m e t 实时浏览该服务器发布的信息。 2 、参数设置功能 参数包括运行参数和设备状态参数，如采样间隔，报警值的上限和下限，设备运 行初始值等，w e b 服务器在收到远方客户提交的参数设置请求后执行参数写入操作。 3 、远程实时操作功能 服务器在收到客户提交的控制操作请求以后，立即下发控制命令驱动监控系统中 相应的执行机构。如关闭串口的数据采集功能，改用c a n 总线，或者将报警值提高 或者降低等。 4 、电子邮件功能 电子邮件主要有两个功能：l 、在控制设备出现异常时，w e b 服务器通过l m e m e t 自动发送电子邮件，及时通知管理人员。2 、在系统正常运行期间，定时将采集的数 据发送到邮箱备份，以形成日志。 5 、访问级别设置和权限认证 考虑到系统的安全性，防止非法用户通过本系统去破坏现场设备的正常工作，本 系统采用用户名密码的方式对登陆的用户进行认证并确定其访问权限。所有登陆的 用户都必须在其权限范围内进行操作。 6 、p p p 拨号上网功能 w 曲服务器可以通过p p p 协议( p o i n t t o p o i n t p r o t o c 0 1 ) 接入i n t e m e t 提供远程访问 控制。这样就可以将嵌入式w 曲服务器部署到以太网无法到达，而无所不在的电话网 却可到达的偏远分站。 2 4 嵌入式w e b 服务器体系结构的选择 目前网络结构有两种，即：c s 结构和b s 结构，在w e b 服务器的设计中，应充 分考虑到各个结构的优缺点，尽量发挥其优势，避免其不足。这样才能在有限的资源 情况下，设计出合适的服务器。 c s 结构形式是最早信息系统开发研究的基础模式。其核心思想是：系统具有 7 2 嵌入式w e b 服务器总体设计 硕士论文 一个中央信息存储池，用来存储某种数据，并且根据需要分发给特定的人员和机器集 群1 同。其中客户端，负责执行前台功能，与用户直接打交道，主要完成请求服务和对 请求结果的加工处理，包括通信模块和用户界面模块，是为每个用户所专有的。服务 器端，具有数据采集、控制和与客户端通信的功能。服务器端的工作模式一般是多线 程的n 7 】。图2 4 1 1 为两层c s 结构图。 c s 结构的优点是“9 1 ： 1 、c ，s 结构有很强的实时数据操纵和事务处理能力 与w e b 方式相比，c ，s 结构更适合于对数据库的实时处理和大批量的数据更新。 2 、交互性强 在c ，s 结构中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都 有强大的功能。 3 、应用服务器运行数据负荷较轻 一旦服务器程序被启动，就随时等待响应客户程序发来的请求。客户应用程序运 行在用户自己的电脑上，当需要对数据库中的数据进行任何操作时，客户程序就自动 地寻找服务器程序，并向其发出请求，服务器程序根据预定的规则作出应答，送回结 果，应用服务器运行数据负荷较轻。 但是随着时间的推移，这种体系结构也显示出了诸多的缺陷，主要体现在以下几 个方面： l 、可扩充性差 对于数据库服务器端，每当建立一个数据连接，就会占用大量的系统资源，当数 据连接达到一定数量时，数据库服务器的响应速度与处理速度将大打折扣。 2 、维护复杂 基于传统c ，s 结构的数据库应用系统，业务规则通常置于客户端应用程序中。如 果业务规则发生变化，就必须修改客户端应用程序，并且将每个客户端进行相应的升 级工作。 8 客户机服务器 事 请求。 数 耋e 务据 竭 处 处 理理 逻 逻 辑辑 结果 图2 4 1 ia s 结构图 南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 b s ( b r o w s e r s c r v e r ) 结构即浏览器和服务器结构。它是随着i n t e r n e t 技术的兴起， 对c s 结构的一种变化或者改进。在这种结构下，用户工作界面是通过w w w 浏览 器来实现，极少部分事务逻辑在前端( b r o w s e r ) 实现，但是主要事务逻辑在服务器 端( s e r v e r ) 实现，形成所谓三层结构2 ”。三层结构的应用程序将业务规则、数据 访问、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。其结构如图2 4 2 1 所示。 b s 结构的优点是瞄。2 3 ： l 、界面统一，使用简单 用户端只需安装单一的浏览器软件( 如i e 、n e t s c a p e 等) ，不需要像c s 结构中那样 安装数据库客户端软件、应用软件等，操作界面简单统一。 2 、维护和升级方式简单 无论用户的规模有多大，有多少分支机构都不会增加任何维护升级的工作量，所 有的操作只需要针对服务器进行。如果是异地，只需要把服务器连接专网即可，实现 远程维护、升级和共享。 3 、信息共享度高 h t m l 是数据格式的一个开放标准，目前大多数流行的软件均支持h t m l 。同 时h t m l 技术使得b r o w s e r 可访问多种格式文件。 b s 结构的缺点是： 1 、采用b s 结构应用服务器运行数据负荷较重，一旦发生服务器“崩溃”等问题， 后果不堪设想。 2 、相对于c s 结构来说，b s 结构将造成系统响应速度慢、服务器开销大、通信 带宽要求高、总投资增加。 浏览器w e b 服务器数据库服务器 事 显 请求请求 数 务 不 处 据 逻 理 处 姻 辑 逻 理 、- 一， 1 响应 响应 逻 辑 辑 图2 4 2 ib s 结构图 2 a 3 本系统架构 由以上两种结构的比较可以得出采用b s 结构操作简单，可以大大简化客户端计 9 2 嵌入式w e b 服务器总体设计硕士论文 算机的载荷，但是这样把大量的工作留给了服务器，从而造成服务器的载荷过大。而 采用c s 结构虽然可以平衡服务器和客户端的载荷，但是其必须安装客户端软件，通 用性不好，系统的维护量比较大。考虑到嵌入式w e b 服务器的处理能力及其通用性， 本系统在设计上采用b s 和c s 相结合的方式。即访问模式上还是采用b s 模式，通 过浏览器访问嵌入式w e b 服务器，而通信模式上却利用了c s 模式和j a v aa p p l e t 技 术相结合，基于套接字来编程。这样综合了各自的优点，从而使得嵌入式w e b 服务 器利用有限的硬件资源完成更多的功能并使服务器的运行更加稳定。其基本思路为： 1 、在j a v a a p p l e t 源程序中，创建了一个套接字来完成与服务器通信。然后将a p p i e r 源程序编译成j a v a 字节码，并将j a v a 字节码嵌入在w e b 页中，并通过b s 方式访问 w e b 服务器上的网页数据，这样当客户端浏览器浏览这个网页时，它作为网页的 一部分而自动下载，在激活后，则与服务器端进行s o c k e t 通信，获得实时数据，从 而实现了客户端浏览器动态显示实时数据。系统通过j a v aa p p l e t 平衡了服务器端与 浏览器端的负载状况，将一部分从前在服务器上的工作分给了浏览器，降低了服务器 的运行负荷。 2 、直接将要浏览的w e b 文件数据存储在嵌入式w e b 服务器外扩的存储器中，当 浏览器与w e b 服务器交互时，利用 r 兀p 协议通过统一资源定位器u r l 来确定应该 从扩展的存储器为浏览器提供那些资源。 2 5 嵌入式w e b 服务器系统的开发语言 2 5 1 系统开发语言的选择 本系统所采用的主控制芯片d s 8 0 c 4 0 0 。其支持的开发语言有：汇编语言、c 语言 和j a v a 语言。 汇编语言：是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的 一种语言，其主要优点是占用资源少，程序执行效率高。但是程序编写速度慢、难度 大，并且其依赖于具体的单片机，移植非常困难。不能很好的发挥出d s 8 0 c 4 0 0 芯片 的主要优势。 c 语言：c 语言可以直接对系统的硬件进行操作，因而具有较高的执行效率和灵活 性。但是其灵活性导致了不规范的程序编码和不稳定的执行过程。另外c 语言缺乏 关于多线程、共享数据的保护以及线程间通信和协作的统一标准，不能满足系统所要 求的高可靠性和安全性。 j a v a 语言：是一种完全面向对象的编程语言在程序设计中突出特点是多线程技 术，可以用不同的线程完成不同的功能，而不需要采用全局事件循环机制，从而大幅 度提高了系统的实时性能 南京理工大学硕士学位论文多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 在本设计中涉及以太网、t c p i p 协议通信等问题，开发语言的选择应充分考虑 其网络能力和安全性，而j a v a 语言具有在网络上移动对象的能力、高度的可移植性、 严格的规范以及完善的安全机制矧。 综合了系统开发的复杂程度、开发周期、系统的安全和可靠性等多方面的考虑， 我们选用j a v a 语言作为系统的开发语言。 2 5 2j a v a 语言在嵌入式系统中的应用简介 随着h 缺 n e t 的迅猛发展，j a v a 以其独有的开放性、跨平台性和面向网络的交 互性席卷全球，其所提供的安全性、易用性和开发周期短等特性，为i n t e r n e t 提供了 一种良好的开发和运行环境，迅速发展成为全球第二大软件开发平刽圈。j a v a 语言 最初的设计是想用于控制消费性电子产品。j a v a 的设计者企图建立一个简单的、面向 对象的、可移植和高性能的动态语言。为了使j a v a 对开发者有吸引力，s u n 公司融 合了类似c 语言的语法和结构闭。 由于嵌入式i n t e r n e t 环境最主要的要求是确定性行为、小的内存占用和执行的高 效性。但是传统的j a v a 语言执行速度慢、占用程序空间大和存在不确定性等，这些 缺点是其应用于嵌入式系统的最主要障碍。 随着微电子技术的不断发展，硬件的性能不断的提高，而处理器和内存价格的不 断下降，最初在嵌入式系统使用j a v a 太昂贵问题不复存在，使用j a v a 的成本开始减 少。另外，随着不断增长的市场需求，很多嵌入式设备必须适应网上交流的需要，为 了迎合此要求，并考虑到开发i n t e m e t 应用程序的便利，众多开发者都开始选择使用 j a v a 语言。 一般来说，用于嵌入式设备的j a v a 平台体系结构由5 层构成，如图2 5 2 1 所示【2 ”。 1 、代码层：用户使用j a v a 开发的各种应用程序。 2 、j a v a 类库：在代码层中所引用的各种j a v a a p i 。当编写j a y a 程序时，必将用到 j a v a 类库中所提供的各种a p i 调用，在类库中的大多数函数都是由j a v a 本身实现的， 但有些部分则依赖于本地代码。 3 、本地类库：j a v a 代码中所引用的任何本地代码。该层将与j a v a 虚拟机和r t o s 共存于嵌入式设备中。有些j a v a 包( 如j a v a a w t 、j a v a n e t 、j a v a i o 、j a v a m a t h 等) 是通过 本地代码库来完成实际功能的，这就保证了j a v a 程序的可移植性。 4 、平台层：由j a v a 虚拟机和r t o s 构成。其中j a v a 虚拟机负责从内存中装载和执 - 丁j a v a 类文件，而r 1 d s 则作为运行j a v a 虚拟机的平台。r t o s 解决j a v a 虚拟机的所有 运行需求问题并处理所有底层的任务( 如设备的引导和初始化等) ，提供线程调度、内 存管理、网络连接以及外设管理等实际服务，而所有这些舜j j a v a 虚拟机和上层应用而 言是透明的。 1 1 2 嵌入式w e b 服务器总体设计 硕士论文 5 、硬件层：由r 1 d s 所管理的完整的硬件基础结构。 j a v a 应用程序 害害宝辜 j a v a 虚拟机 i r t o s ( 实时操作系统) 程序代码 j a v a 类库 本地类库 运行平台 l 对等类ll t c p i p l l 本地m a 吐i 库l 硬件资源 l _ j 图2 5 2 1 嵌入式j a v a 平台体系结构 2 6 本章小结 在本章中，对嵌入式w e b 服务器系统作整体设计，包括系统组成设计，系统功 能设计以及系统关键技术的选择。比较了两种服务器的访问方式，选择了将c s 结构 和b s 结构相结合的方式，并对该模式的基本原理做了介绍。比较了本系统可以选择 的开发语言，并且选择j a v a 作为系统的开发语言。最后简要介绍了j a v a 语言在嵌入 式系统中的应用和优点。 南京理工大学硕士学位论文 多接口嵌入式w e b 服务器的设计与实现 3 嵌入式w e b 服务器硬件设计 对于一个嵌入式应用系统，硬件设计是整个系统的基础。有了稳定可靠的硬件， 才有可能保证在此基础上软件的正常运行。在硬件设计中首先要解决的问题是如何将 不具备网络功能的设备和嵌入式w e b 服务器相连，使之成为通信网络的节点，这就 需要网络接口模块来完成。其次要解决的问题是如何通过嵌入式w e b 服务器采集和 存储设备的信息以及控制现场设备。为了实现以上功能，就必须设计接口电路和存储 电路。 3 1 嵌入式w e b 服务器硬件结构设计 硬件结构设计中，主控制器的选择至关重要，它是整个系统的核心，控制嵌入 式w 曲服务器的所有外围器件。 网络功能是嵌入式w 曲服务器的最基本功能。因此系统设计了网络模块。系统网 络模块通过i n t e m e t 或者e t h e r n e t 发布数据信息和接受控制命令的输入。 嵌入式w 曲服务器需要和不同接口设备进行数据的通信，系统设计了r s 2 3 2 、 r s - 4 8 5 、c a n 、e t h e m e t 等接口，使系统具有了较好的通用性和开放性。 为了存放要发布的网页，存储各个监控系统的客户端程序和保存一定时间间隔所 采集的数据，系统外扩了1 m 的r a m 和2 m 的f l a s h 。 归纳一下，嵌入式w e b 服务器主要由主控制器、网络通信模块、各个接口电路、 以及存储模块等组成。嵌入式w e b 服务器的硬件结构如图3 1 1 所示。 3 1 1 嵌入式w e b 服务器硬件结构图 3 嵌入式w e b 服务器硬件设计硕士论文 3 2 主控制器的选型与特性 3 2 1 主控制器的选型 在嵌入式产品设计中，处理器芯片的选择是一个重要的环节，它将直接影响产品 设计的进度和产品的性能。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列田l 。根据嵌入式处理器的功能和应用不同，可 以分为：微控制器m c u ( m i c r o - c o n 曲o l u n i t ) 、微处理器m p u ( m i c t o p r o c e s s o r u n i t ) 、 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 就某个特定的系统而言，选择处理器芯片应该考虑：应用的领域、成本、内部所 集成的功能模块、开发环境的熟悉程度和货源的稳定程度等因素。 目前m c u 是嵌入式系统的主流，其价格低廉，功能优良，具有很高的性价比。 而且品种和数量很多，约占嵌入式系统份额的7 0 。其片上集成的功能和外设资源 比较丰富，如计数器、串行口、c a n 、i 2 c 等，由于其单片化、功耗低、可靠性高， 特别适合于控制 在设计本系统时，作者查阅了多种微控制资料，并结合前期学习过程中使用 d s 8 0 c 4 0 0 开发的智能多协议转换器项目，最终选用了网络微控制器d s 8 0 c 4 0 0 作为 系统的主控芯片。 3 2 2 主控制器的主要特性 本系统选择的d s 8 0 c a 0 0 是m a x i m 公司生产的网络单片机，它与8 0 5 1 兼容且 包含1 0 t 0 0 m b p s 的以太网控制器，并向用户提供可供调用的方法来实现网络接入功 能。提供4 个可自动增减及可调整增减步长的数据指针，加速了微控制器和寄存器 闻的数据传送；提供3 2 位和1 6 位算术加速器，进一步提升3 2 位和1 6 位乘除运算及 高速移位、归一化和累加函数的执行速度。主要特性 2 9 - 3 0 1 5 1 4 2 1 ： l 、高性能架构 其外设集成了1 0 1 0 0 以太网m a c ，三个全双工串行端口，一个c a n2 控制 器，1 w i r e ，8 个双向s 位i o 端口，可以方便的实现网络功能。在的口数目和接 口方面也很适合对工控系统的数据采集和控制。 2 、增强的存储器结构 对于高级语言提供可选择的8 1 0 位堆栈指针