（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机的嵌入式web服务器设计.pdf

东南人学硕十学位论文 a b s t l 鼍c t w i t ht h e 汀e a tp r o 掣e s so ft h ei n t e m e ti nt h ef i e l do fh a r d w a f e 柚ds o f h v a r c ，m o 砖 卸dm o f en e t w o f ke q u i p m e n t s ，i n d u d i n gh o m ea p p l i a n c c s ，i n s t m m e n t s ，d a t a q u i s i t i o n 卸dc o n t t o ie q u i p m e n t si l ll n d u s 研a 1p 刚l l d i o n ，h a v ea p p e 删t os h a 佗t h en e t w o r k i n f o r i n a t i o nr e c o u r s 鼯t h i sp a p e rm a i l l l ys t l l d i e sh o wt or e a l i z et l l ee m b e d d e dw e b s c r v e fw i t hr t i8 0 1 9 a s 细dt c p l pd t o t o c 0 1 t 1 l ew e bs c r v e r 啪m a k ct h ce m b e d d e d c q u i p m 朋t sw i t l ls e r i a li l l t e r f a a c 鹞t h el i l l e m c te 嬲i l ys o 勰t o 圮a l i z e 陀m o t c m o n “o 咖g 柚dr e s o c e ss h a r i n g n i s 邮i e du s e ss t c 8 9 c 5 1 弱c p u ，u sr t l 8 0 1 9 a sa o c c 豁l i l t e m e t 卸d 嘲 r i a li l l t e 渤c ea c o e 璐e m b e d d e dc q u i p m e n t s t h ew e b r v e ra c h i e v e sb i d i r e c t i o n a l d a t at r 强s f e r b e m e 朗e m b e d d e de q u i p m e n t s 锄df c 】眦帕m o n i t o 血gc o m p u t t h ep a p e f d c t a i l e di n t r o d u c e st l l ed c s i 印畔豁o fh a r d w a r e 锄d f t w a r c ，i n c l u d i l i gt h cd c s i 印o f i n t e f f 戤，t h e d r i v 盯0 f 踟8 0 1 9 a s 卸d t h er e a l i z a d 咖o f t c p ，l p p r o t o c 0 1 a s t h e l i m i t c d r e s o u r c 龉o fc p u ，1 l i es y s t e ms i m p l 硷髓t h et c m pp f o t o c o l 柚dm a l i 笳st l l ep m i o c o lo f a r ei bi c m bu d p ，t c p 柚dm 1 n l ep r o j e da l s or c s o l v e sap r a c t i c a la p p l i t i t o m o n i t 0 叮t h ev o l t a g eo fs t o r a g eb a n e r yr e m o t e l y t h c “s u l to ft h er e s e a r c hs h o w st h a tt a k et h ee m b e d d e dw i ! b n ，e ra st h ew a v f o re m b e d d e dd 喇c e st oa o c e s sh t e m e ti s “：a n a b l ea n de a c c t i v e n l es v s t c mh a st h e a d v 柚t a g eo ff e wr 髂r c cr c q u i r 锄e n 坞1 0 wc o s t 粕dg o o dt r a 皿s p l 卸t i n g n 啪a c h i e v e m m o nu s e dn e t w 毗k m m 珈畸c a t i o nf h n d i o n 粕dh a v ch j 功d e p e n d a b i l i t yi nd a 诅 t 枷s f e l k e y w o r d s ：i n t e 朋融1 k h o i o 野 w e bs e r v e m b e d d i g 瑚r l 嚣0 1 9 a s e t h e m e it c p ，i pp m t o 砌 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所譬交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嚣：虹日期：塑2 ：生：f f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生张豳：蚴导师繇1 金羞日期：研川 东 暂人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，i n t e n i e t 现已成为社会重要的基础信息设施之。，是信息流通的重要渠道。网络被 用于工商业的各个方面，包括广告宣传，生产，发运，计划，报价和会计等。而今各类刚站、 电子商务更是成了热点。绝大多数公司、企事业单位都拥有自己的网络，并通过不同的方式接 入了i n t e r n e t 。i n t e 玎i e t 使全球化的信息交流变得非常容易。i n t e n l e t 时代的到来将不可避免 地逐步改变人们日常的工作、学爿和生活习惯，以手持电脑、机顶盒、网络电话、住宅网问连 接器等为代表的移动办公设备和家庭网络产品将在不久的将来形成时尚，在未来的信息社会中 扮演重要的角色 另一方面，嵌入式系统也已经成熟起来并得到了最为广泛的工业应用。嵌入式系统被定义 为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它以p c 机不可比拟的结构灵活性、稳定性和经 济性成为计算机工业的高速增长点。嵌入式的8 1 6 3 2 b i t 的微处理器可以工作在许多空间狭 窄、环境恶劣的环境或实体中，将成为人们感受自然和社会的扩展的神经末梢和许多工业领域 中专用的智能中央单元或一颗智能专用螺钉。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段， 以微控制器( 们u ) 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。在一些工业和 汽车应用中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，利用c n 、i l s 一2 3 2 、船一4 8 5 等总线将m c u 组网， 但这种网络的有效半径比较有限，并且一般是孤立于i n t e 丌l e t 以外的。 二十一世纪无疑是一个i n t e r n e t 时代，如果嵌入式系统能够连接到i n t e n l e t 上面，则可以 方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方利用该技术，能够将i n t e r n e t 延伸到 嵌入式系统，并实现基于i n t e n l e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传下载数据文 件、自动发送订等功能，为i s t ( i n t e h l e ts e n s o rt e c h n o l o g y 网络传感器技术) 、h v a c ( 家庭环境自动控制) 、信息家电、工业自动化( 制药工业过程控制、电力系统、电网安全、 电网设备监测、石油化工系统) 、局部环境自动监测、智能小区管理、网络自动抄表、高速公 路出入口管理、p o s 网络及电子商务等技术的应用与发展提供了技术保证。 再者，以太网( e t h e n l e t ) 是互联网的标准之一。它广泛应用在工业控制网络、因特网等 场合，形成信息流通的重要渠道。基于以太网的新技术和联网设备不断出现，使得以太网已经 成为事实上最常用的网络标准之一，而且将来很有可能成为工业通讯标准之一。但是，基于以 太网的嵌入式系统目前并不是很多。其原因主要有嵌入式系统本身运行速度较慢、与以太网的 接口及协议相对较复杂、空间资源较少且不足以实现以太网的各种协议等。而互联网络的快速 发展使得网络用户迅猛增长，在使用计算机进行网络互连的同时，各种家电设备、仪器仪表以 及工业生产中的数据采集与控制设备正逐步走向网络化，以实现对各种嵌入式设备的远程访问、 远程监控和对网络中庞大的信息资源的共享。所以研究嵌入式以太网通信系统具有重大意义和 切实的实用价值。 第章绪论 1 2 嵌入式系统技术 1 2 1 概述 嵌入式系统是指在嵌入到各种产品或工程应用中的以处理器或微控制器为核心的软硬件 系统。嵌入式系统的硬件部分主要任务是线路板的设计、电子器件的集成等，包括处理器微处 理器，存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系 统，它不具备像硬盘那样大容晕的存储介质，而大多使用e p r 删、e e p r o m 或闪存( f l a s h m e r y ) 作为存储介质。软件部分包含指令系统，实时任务控制系统和。些基于芯片的应用软件，应用 程序控制着系统的运作和行为”。 嵌入式系统根据其体系结构可以归为三类； 1 ) 芯片级的嵌入式系统 芯片级的嵌入式也就是传统意义上的单片机系统。这类系统以微控制器为核心，附以相应 的外围电路，形成具有一定控制功能的微机系统。微控制器散以4 位到1 6 位微控制器为主，集 成度高，体积小，性价比较高，应用范围很广 此类的微控制器有i n t e l 公司的m c s 4 8 、m c s 5 1 、9 6 ，9 8 ，m c s l 9 6 、s x c l 9 6 髓、k c 等微控 制器：- i o t o r o l a 公司的鹋h c 0 5 、0 8 系列微控制器；m i c r o c h i p 公司的微控制器p i c l 6 c ) ( ) 【， p i c l 6 c 5 ) o 【、p i c l 6 c 5 5 x 、p i c l 7 c 】o ( 等；还有p h i l i p 公司、a 帅公司和t i 公司的系列单片机等等。 2 ) 模板级的嵌入式系统 用8 位、1 6 位或3 2 位微处理器组成的单板机系统，这类系统有各种总线集成的i n t e l x 8 6 或 1 1 0 t o r 0 1 a 6 8 k 微处理器等。常用的总线有s t d 总线、i n t e lm u l t i 8 u s 总线、v 髓总线和p c 总线等。 这些系统都有较高的集成度，功能齐全。 3 ) 系统级的嵌入式系统 p c 级的嵌入式系统，一般由p c 一体化工作站构成整个系统的核心，直接对现场的各类设备 进行控制。 1 2 2 嵌入式系统应用前景 嵌入式系统的高度集成性使得它的应用前景非常广阔，主要应用范围有以下几个方面”： 1 ) 军事应用 在这方面的应有武器控制，典型的比如火炮的控制系统、导弹跟踪控制系统等：智能车辆 控制，典型的如无人探雷系统、无人驾驶飞机等等：舰船自动化应用，典型的如美国的灵巧舰 船计划，计划用大量的嵌入式自动化系统代替原有的人机系统；另外还有一些精巧的电子对抗 和通讯系统等等。嵌入式系统的发展与军事需要是紧密相关，很多先进的嵌入式技术都是首先 应用到军事上 2 ) 工业应用 在工业制造方面现在需要很多的自动化设备来替代原来的人工系统，比如数控设备、工业 机器人等，这样可以提高产品质量和产鼍，并降低产品的成本；在办公自动化设备方面更多的 嵌入式的现场设备使得人们对于工业设备的运作、管理非常方便；在销售方面，很多嵌入式的 p o s 系统，使得商品销售实现电子化；在医疗方面，嵌入式系统的应用使得医疗设备更加小巧， 2 东南大学硕七学位论 自动化程度得到提高。 3 ) 家用电气 这里特别需要指出的是嵌入式系统在家用电气t 一的应用。在这方面的应用使得人们的生话 质罩人大的提高，也足人们认识嵌入式系统最直接的方式。随着嵌人式系统的进。步高度集成 化，人们的生活日益方便。 1 2 3 嵌入式系统的联网演变 在以往，嵌入式系统一直是由系统控制的，一般小与外界连接。微控制器在一个相当封闭 的系统中工作，负责轮陶外设、采集数据、完成简单的处理、控制开关和l 即指示灯，并不对 系统安全造成任何问题。不过，这种情况知道最近几年已经改变了。如今的嵌入式系统往往需 要连接到局域网( 如以太网) ，这样就有数十，甚至上百个控制器连接在一起。例如，控制器局 域网( c n ) 或z i g b e e 无线网络就有上百个微控制器相互作用。而且，随着嵌入式网络变得越 来越复杂，要求更大的网络带宽更远的传输距离，嵌入式以太网已逐渐涉足于工业控制、自 动化、医疗和安全产品等市场。这些内部网络也因此而通过互联网与外界连接了起来“。参见 图1 1 。 图1 1 嵌入式系统联网演变 嵌入式系统的联网规模日趋庞大，以致系统必须增强微控制器之间的互连性，加大程序和 数据内存的容量来支持相应的通信协议，并且提高传输数据和执行协议所需的性能和处理带宽， 以及提供可靠的安全性。 1 3 嵌入式系统与i n t e m e t 结合发展状况 将嵌入式系统与以太网结合起来有一定的难度，主要问题在于以太网上的通信协议对于计 算机的存储器计算速度等要求较高而嵌入式系统中大量存在的是8 位和1 6 位的微处理器 ( 懈u ) ，要支持t c p i p 等以太网协议将占用大量的系统资源。另外在嵌入式系统的应用上，删 3 第章绪论 的犁号、种类非常多，要在各种小同的微处理器上实现相应的网络功能，设计人员都要先熟悉 该型号微处理器结构特点和相应的编程语占，由干小同掣号的微处理器之b j 存在着定的差别， 所以使得将嵌入式系统与i n t e n l e t 结合起来存在。定的难度。 从原理上来说，要将嵌入式设备与i n t e r n e t 结合起来，嵌入式设备只要转变为w e b 服务器， 再加上t c p i p 协议栈就可以上i n t e r n e t 。目前解决这。问题有如下三种方案： ( 1 ) 3 2 位u + r t 0 s ：采用3 2 付的高档单片机( 如a 蹦7 ) ，在r t o s 的平台上进行软件开发， 在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。由于采用高档单片机，该方案可以完成很多复杂的功 能，可实现的t c p i p 协议较全面。但这种方案存在如f 缺点：& 高档单片机价格比较贵，开发 周期比较长，对开发人员要求比较高。b 需要购买昂贵的盯0 s 开发软件，对开发人员能力要求 很高。 ( 2 ) 8 位懈u + 精简t c p i p 协议栈：根据嵌入式应用的特点，将t c p i p 协议栈做人幅度的 简化，只保留其中最核心的部分，这样，就可以大幅度减少对于系统资源的需求，从而可以在 低成本、低速度、小内存的m c u 上实现嘲络连接。目前有多种开源的精简协议栈可供利用，如u i p 、 l - i p 等。这种方案的优点是廉价，便于广泛应用。缺点是：a 开发周期长，对开发人员有较高 要求；b 协议栈需要长期深入测试、修改才能达到可靠性要求。 ( 3 ) g a t e y + 专用网：采用专用网络( 如i i s 2 3 2 ，i i s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把一小批单片机 连接在一起，然后再将该专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转换为 t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机，但存在如下缺 点：a 需要依旗p c 机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用网络布线极 为不便；b 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件商提供， 费用较高。这一技术的代表是删i t 1 4t c p i p 协议的发展状况 将嵌入式设备接入i n t e n l e t ，就需要考虑i n t e n l e t 所使用的t 四i p 网络协议的实现。t 四 协议最早由斯坦福大学的两名研究人员于1 9 7 3 年提出。1 9 8 3 年，t c p i p 被u n i x4 2 b s d 系统采 用。随着u n “的成功，t c p i p 逐步成为u n i x 机器的标准网络协议。i n t e n l e t 的前身a r p n e t 最初 使用n c p ( n e t - o r kc o n t r 0 1p r o t o c 0 1 ) 协议，由于t c p i p 协议具有跨平台特性，a r p a n e t 的实验 人员在经过对t c p i p 的改进以后，规定连入a 即a n e t 的计算机都必须采用t c p i p 协议。随着 a l l p a n e t 逐渐发展成为i n t e r n e t ，t 凹i p 协议就成为i n t e r n e t 的标准连接协议。 t c p i p 是一个协议族，它是个四层网络协议模型，分别包含应用层、传输层、网络层、网 络接口层。应用层定义清晰的会话过程，平常所用的协议如h r t p 、f t p 、s m t p 、t e l n e t 等都属于 应用层。传输层提供端对端的通信。该层协议有传输控制协议( t c p ) 和用户数据协议( u d p ) 。网 络层负责数据打包和逻辑寻址，这一层的协议有i p 、i c 肝、a i l p 等协议。网络接口层负责在源和 目的节点间的线路上进行无差错的传送数据，并且具有流量控制等功能“1 。在嵌入式系统中，应 用t c p i p 协议主要是为了完成数据采集和数据传输。图i 2 为t c p i p 体系结构模型。 4 东南大学硕十学位论文 网络接口层 数据链路层 物理层 图1 2t c p i p 体系结构模型 t c p 协议与i p 协议是t c p i p 体系结构中的关键，正是由于i p 嘲际协议解决了异构网之间的连 接与寻址问题，t c 隧输协议解决了端到端的可靠字节服务，使得i n t e n l e t 得到了广泛的应用。 t c p i p 协议将不断地得到完善，i p v 6 将成为下一代的i p ，其功能将更加强大。 1 5 本课题的研究内容和主要任务 l - 5 1 本课题主要任务 在本课题中，针对带串口的嵌入式设备连入以太网的实际情况和应用需求，研究了目前嵌 入式以太网通信系统的特点和适用性，通过对不同应用场合和联网速度的要求选取性价比较高 的硬件处理方案，主要是微处理器和以太网控制芯片的选择。并基于嵌入式设备自身的局限性 来精简t c p i p 协议栈，创建盹b 服务器，实现嵌入式设备上的数据在串口和以太网之间较可靠的 传输。系统基本设计框图如图1 2 所示： r s 2 3 2 後 图1 3 嵌入式以太网通信系统基本结构 1 5 2 研究内容的论文分布 在本课题中，主要工作是实现一个嵌入式 e b 服务器，包括硬件设计和精简t c p i p 协议的 嵌入，针对特定嵌入式设备的要求实现数据在串口和以太网上的传输，实现对智能仪器的远程 监控。 论文的第一部分主要按照骶b 服务器的硬件要求介绍硬件设计过程。主要介绍微处理器的 选取和主要特点；网卡控制芯片的特点、传输模式和嗣卡的驱动；其他辅助器件的要求：硬件 电路接口等。利用低价位的5 1 系列单片机，结合i s a 网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 来硬件设计，在殴计中 5 第章绪论 充分考虑性价比要求和系统稳定等情况。 第二部分土要围绕嵌入式- e b 服务器的所实现的协议来讨论，通过实现运行在单片机上的 精简t c p i p 协议栈，主要包含a j l p 、i c 肝、i p 、u d p 、t c p 、h t t p 等协议，从而实现。个低成本的、 可靠连接的w e b 服务器，并实现个简单的应用。 第三部分在- e b 服务器硬件设计和软件设计完成的基础上，详细分析嵌入式系统接入到 i n t e 丌l e t 上所面临的廿j 题并作全面的系统调试。将殴计好的硬件开发板连入以太脚络，测试串 口数据在以太嘲上的传输。测试硬件系统的准确性和软件t c p i p 个各层协议的实现充分检测 以太网数据传输的完整性和可靠性。 6 东南大学硕卜学位论文 第二章嵌入式w e b 服务器硬件设计 本课题的目的是将带串口的智能仪器接入霄e b 服务器，实现以太网上的数据佑输。嵌入式 1 r e b 服务器可以使各种带串口的家电设备、p d a 、仪器仪表、工业设备和数据采集设备很容易地 连接到i n t e 丌l e t ，这样就能够利用i n t e r n e t 实现对各种嵌入式设备的低成本远程访问和资源 共享。根据仪器网络化要求和所提供的技术支持，网络通信接口可按图2 1 所示的架构设计。 图2 1 系统结构图 本课题所设计的肛b 服务器主要采用宏晶科技生产的s t c 8 9 c 5 1 系列单片机和以太网控制 芯片r t l 8 0 1 9 s 来实现嵌入式髓b 服务器硬件设计，同时还配置一块6 2 2 5 6 r 删芯片以便于处理 较长的数据帧。 2 1 单片机的选择与特点 2 1 1 单片机的发展与应用 随着电子技术的迅速发展，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革 命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪 器仪表、办公自动化等诸多领域得到广泛的应用，如电话机、温度、流量控制、电子表，监视 器，通讯设备等。利用微处理器( m c 【i ) 所制造的电子商品一年比一年增加，而l i c u 的c p u 价格 也越来越低。 m c s 5 1 系列单片机是目前国内实用最广泛的一种单片机型，它以其优越的性能、成熟的 技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业控制和自动化工程应用的主要市场，成为国 内单片机应用领域的主流。全球各单片机厂商在m c s 5 1 内核基础上，派生了大量的5 1 内核系 列单片机，极大地丰富了m c s 5 1 的种群。其中宏晶科技公司推出了s 1 c 8 9 系列单片机，增加 了大量的新功能提高了5 l 的性能，是m c s 5 1 家族种的佼佼者 7 第章嵌入式w e b 服务器硬件醍计 2 1 2s t c 8 9 c s l 系列单片机的性能特点 s 1 8 9 c 5 1 系列单片机是m c s 5 l 系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和 片内资源上与杯准踟5 2 单片机完全兼容1 2 时钟机器周期和6 时钟，机器周期可反复设置”j 。 本课题所用的是s 卫c 8 9 = 5 系列单片机它的主要特点有： 1 增强颦6 时钟机器周期，1 2 时钟机器周期8 0 5 1 c p u ； 2 工作电压：5 5 v 一3 4 v ( 5 v 单片机) ，3 8 v 一2 o v ( 3 v 单片机) ； 3 工作频率范围：o 一4 0 m h z ，相当于普通8 0 5 1 的0 一洲h z ，实际频率可达4 8 m h z ； 4 用户应用程序空间4 | l 复位：给复位脚r s t d r v 一个 8 0 0 | 1 s 的高电平即可复位。 在以上的配置都设置好以后，可以执行对以太网控制芯片的初始化。具体步骤为： ( 1 )网卡芯片复位 s t c 8 9 c 5 l 单片机的j t s t 引脚接r t l 8 0 1 9 a s 的路t d 盯来进行复位操作。髂t 孤v 为高电平有 效，至少需要8 0 0 i l s 的宽度。给该引脚施加一个l u s 以上的商电平就可以复位。施加一个高电 东南大学硕十学位论文 甲后，再施加一个低电甲。复位过程还将执行一些掾作至少需要2 的时间，故。般保持高 电半再1 0 0 i n s 以上，然后变低。以确保r t l 8 0 1 9 s 的完全复位。 ( 2 ) 设置i 勾9 卡芯片t 作参数 对网卡控制芯片的丁作参数的设置也即设置网卡芯片的功能寄存器，设置完成后网卡芯 片才能收发数据。考u 始化页0 与页1 的相关寄存器，页2 的寄存器足只读的，不可以设置，页3 的 寄存器不是n e 2 0 0 0 兼存的，小用设置。 需要设置的参数包括数据传输配置寄存器、数据接收配置寄存器、收发起始页面、收发终 止页面、数据帧读取指针、网卡芯片工作物理地址、q ，断屏蔽寄存器等。对各寄存器进行设置 的部分初始化代码如下： v o i di n i t - 8 0 1 9 ( ) d e l a y l m s ( 1 0 ) ：延时1 0 m s ，建立数据稳定 r t l 8 0 1 9 a s r e s e t ( ) ：复位8 0 1 9 r e 9 0 0 加x 2 1 ：使芯片处于停止模式，这时进行寄存器设置。在停止模 下，将不会发送和接收数据包。 d e l a y l m s ( 1 0 ) ：延时1 0 毫秒，确保芯片进入停止模式 p a g e ( o ) ： 选择页0 r e g o a = 0 x o o ：r e 9 0 b 卸x o o ：远程d m a 字节计数为o r e g o c = 0 x e o ：设置r c r ，监控状态，拒绝数据包进入缓冲区 r e g o d = o x e 2 ：设置t c r ，自动校验，内部回顾模式 r e g o i ：o x 4 c ：r e 9 0 2 = o x 8 0 ：r e 9 0 3 卸x 4 c ：r e 9 0 4 ：o x 4 0 ： r e 9 0 7 = 0 x f f ： r e g o f = o x o o ： r e g o e 卸x c 8 ： p a g e ( 1 ) ： r e 9 0 7 卸x 4 c ：r e g = 0 x o o r e 9 0 c 卸x o o ：r e g o d = 0 x 0 0 阶i t e r t l 8 0 1 9 n o d e i d ( ) p a g e ( 0 ) ： r e g o c 。0 x c c ； r e g o d = 0 x e o ： r e g o o = o x 2 2 ： r e 9 0 7 加x f f ： p s t a r t = o x 4 c ，p s t o p = 0 x 7 f + l ：o x 8 0 ，蜊r y = p s t a r t ，接收 溢出报警，t p s r 发送起始页 i s r 都清l ，清除所有中断标志位 i 搬都置o ，屏蔽所有中断 d c r ，8 位d m a 数据传输方式 选择页l r e 9 0 9 = 0 x ：r e g o a 卸x o o ：r e 9 0 b 卸x o o ； r e 9 0 e = o x o o ：r e 9 0 f ：o x o o ： 肥r o m a r 7 ，多播地址寄存器，置o 写网卡物理地址 选择页o 重置r c r ，将网卡设置成正常的模式，跟外部网络连接 设置t c r ，自动校验，正常1 = 作模式 启动芯片，让芯片开始工作 i s r 中第7 位r s t 在启动时置o ，故再次清除中断标志位 第审嵌入式、牦b 服务器硬件设计 2 丘2r 1 1 舯l9 _ a s 的收发数据帧 2 6 2 1 数据帧的接收 r t l 8 0 1 9 a s 接收数据的基本过程足：本地d 从网卡芯片接u 接收数据并存储在r t l 8 0 1 9 a s 的内存中，远程d m a 将r t l 8 0 1 9 a s 内存r l 的数据送往主处理器。 r t l 8 0 1 9 a s 的接收缓冲区是个环形缓冲区。接收缓冲区在内存中的位置由页起始寄存器 ( p s t a r t ) 和页终止寄存器( p s t o p ) 指出。这个已经在1 玎l 8 0 1 9 a s 的初始化中设置。环形缓冲区的 当前读写位置则由边界页寄存器( b n r y ) 和当前页寄存器( c 【j r r ) 指出。若b 陬y 不等于c u r r ，则表 示此时接收到新的以太网数据帧，首先通过本地蹦a 将数据帧读至嘲卡内存，设置读取页地址和 读取数据帧长度后，将c r 寄存器设置值设置为读网卡内存功能，即r e g o o = o x o a 后即开始本地 d 妣的读取，r e g l 0 为d m a j 蓖道，此寄存器提供了存储数据的内存地址主要程序如下： i f ( b n r yi - c u r r )此时表示接受到以太网上新的数据包 首先读取以太网数据帧一包的前4 个字节，即4 字节的以太网数据帧头部 p a g e ( 0 ) ： r e 9 0 9 - b n r y ：读取页地址的高字节 r e 9 0 8 ：o x o o ：读取页地址的低字节 r e 9 0 b ；o x o o ：所读取数据长度的高字节 r e g o a ：4 ：所读取数据长度的高字节，4 字节的以太网数据帧头部 r e 9 0 0 = o x o a ： 开始本地d 姒读取以太网数据振的4 字节的头部 t e 叩2r e 9 1 0 ： t 唧= r e 9 1 0 ：8 位d i a 读取模式，每次读取一个字节 n e x t - p a g e = t 呷一l ：下一页指针 l e n = r e g l o ：t e m p = r e g l o ： 1 e n + = t e 印 8 ：所读取数据长度的高字节 r e 9 0 a - 1 e n 0 x f f ： 所读取数据长度的低字节 r e g o o = 0 x o a ：开始本地d 姒读取以太网数据帧的内容 本地d m a 读取后，则有新的以太网数据信息在r t l 8 0 1 9 s 的缓冲区里，再通过远程d 姒将以 太网芯片中的数据帧读取至单片机的内存。这主要是通过在单片机中动态分配一个内存空间， 通过远程d m a 将r t l 8 0 1 9 a s 缓冲区内的以太网数据包读取至单片机内存中，主要还是依靠寄存器 r e 9 1 0 ，即d m a 地址。主要程序如下： b u f = ( u c i rx d a t a 帕m l l ( 1 ) ：动态分配内存空问，长度为以太网数据包长度 f o r ( ii = 0 ：i i l ：“+ + ) 东南人学硕十学位论文 b u f ii 】= r e g l o 1 r e t u r n ( b u f ) 2 6 2 2 数据帧的发送 将闷卡缓冲区内数据通过远程d 姒读取至单片机 动态分魁内存空日j 返回此存储以太嘲数据包的内存空间 发送数据的基本过程：将待发送的数据按帧格式封装，通过远程d 姒通道送到r t l 8 叭9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令，本地d 砒将内存中的数据从网卡芯片中送出至网络，从而 完成数据帧的发送。 通过远程蹦膳道将数据帧发送至r t l 8 0 1 9 a s 时茸先需设置c r 寄存器为写网卡内存功能， 即r e 9 0 0 = 0 】【1 2 。远程d 妣写数据完成后，设置c r 寄存器为发送网卡数据包功能，即r e g o o ；3 e ， 则可完成通过本地删墟道发送数据包到网络。有3 个寄存器用于控制发送数据，他们是传输页 起始地址寄存器( t p s r ) 和传输字节寄存器( 伸c r o ，1 ) 。盯l 8 0 1 9 a s 还会自动为要发送的数据包添 加包头和c r c 校验序列而无需单片机的处理器进行任何操作。也用环形缓冲区来缓存要发送的数 据，但缓冲区完全由主处理器来维护，r t l 8 0 1 9 a s 并不参与。 如果r t l 8 0 1 9 s 无法将整个数据包通过d 姒通道一次存入f i f 0 ，则在构造一个新的数据包之 前必须先等待前一数据包发送完成为提高发送效率，设计将1 2 页的发送缓存区分为两个6 页的 发送缓存区，一个用于数据包发送，另一个用于构造新的数据包。交替使用。盯l 8 0 1 9 s 收发数 据流程如图2 1 2 所示 图2 1 2 期踯1 9 a s 收发数据流程图 第二章嵌入w e b 服务器的软件设计 第三章嵌入式w e b 服务器的软件设计 综合第。帝t l 一嵌入式系统与i n t e r n e t 结合发展状况，本课题选择了8 位m c u + 精简t c p i p 协议栈来实现髓b 服务器，胃e b 服务器为i n t e 丌l e t 用户提供信息的浏览服务。本章主要介绍嵌 入式既b 服务器的软件设计，主要是实现t c p i p 各层协议和具体的系统应用。 3 1 i n t e m e t 网络核心技术标准 3 1 1 标准化机构 随着i n t e r n e t 的快速发展，其本身面临着网络标准日益复杂多样化的问题，这给网络开发 系统和网络用户带来一定的不便。如果没有标准，i n t e r n e t 将无法生存，所以，计算机网络系 统的进一步标准化已成为刻不容缓的紧迫任务。目前从事网络标准化的机构主要有以下几个“”： ( 1 ) 国际标准化组织( i s 0 ) ，开放互连( 0 s i ) 系列标准就是i s 0 制定的一套计算机标准。 ( 2 ) 美国电气和电子工程师学会( i e 髓) ，i e 髓的8 0 2 团的制定了众多的计算机通信标准， 包含了以太网技术中的i e 髓8 0 2 3 标准。 ( 3 ) 美国国防部高级研究计划局( a r p a ) ，它成功地开发出著名的t c p i p 协议，其中两个主 要协议是：网际协议( i p ) 和传输控制协议( t c p ) 。 ( 4 ) 美国国家标准协会( n s i ) ，制定了一系列计算机通讯标准。 ( 5 ) 国际电信联盟电信标准化部门( i n j t ) ，制定了x 2 5 和其它通信标准。 ( 6 ) 国际互联网工程任务组( i e t f ) ，i e t f 发布的标准是一个被长期使用的标准系列“请求 助解”( r f c ) ，现已有5 8 种由r f c 规定的标准发布，有更多的标准尚在完善中。 ( 7 )世界万维网联盟( _ 3 c ) ，完善了 f r t p 协议和h t 札超文本语言格式。 ( 8 ) 互联网络活动结构( i a b ) ，指定一些注释请求问题征解( r f c ) ，并将r f c 文档作为互 联网络的标准，其中包含传输控制协议网络协议( t c p i p ) 和简单网络管理协议。 ( 9 ) 美国电子工业协会( e i a ) ，现在被广泛使用的e i a t i 一2 3 2 标准就是e i a 开发制定的。 3 1 2 国际互联网的主要标准 目前，最主要和最常用的网络标准是0 s i 参考模型、t c p i p 参考模型、 r r t p 协议和h t 札 超文本语言格式等，下面分别介绍，重点介绍本课题应用到的t c p i p 协议。 3 1 - 2 1o s i 参考模型 0 s i ( 开放系统互连) 参考模式是国际标准化组织( i s 0 ) 为解决异种机互连而制定的开放 式计算机网络层次结构模型。0 s i 模型定义得非常仔细，分层非常清楚，便于对网络的分析和 研究。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来“。 服务说明某一层提供什么功能，接口说明上一层如何实现该层的服务。一层就是一个对象， 服务实现的细节完全封装在层内，因此各层之问有很强的独立性。0 s i 参考模型出现在其协议之 前，因而它不依赖于任何具体的协议，非常其有普适性，适合于描述各种网络。0 s i 参考模型 东阿大学硕十学位论文 分为七层如图3 1 所示。 暖 第七麓 第a 星 第矗层 第网壤 第三展 第二层 第一层 图3 10 s i 参考模型 0 s i 参考模型只是规定了网络的层次划分，以及每一层上所实现的功能，但它没有规定每 一层上所实现的服务和协议，因此它本身并不是一个网络体系结构。尽管i s o 已为每一层指定了 标准，但这些标准不是参考模型的组成部分。0 s i 参考模型各层的主要功能如下： ( 1 ) 物理层 物理层是0 s i 参考模型的最低层，提供建立维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、 功能的接口。它主要解决的是如何将数据比特符号“l ”和“o ”表示为物理信号，比如典型问 题是用多少伏的电压表示“l ”，多少伏的电压表示“o ”：一个比特持续多少时间；该层的传 输是否在两个方向上同时进行；如何建立连接和如何断开连接；网络连线有多少根以及各线各 作什么用途等。 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层的主要任务是对物理层的比特传输进行控制，使得它对于网络层呈现为一条无 差错的比特通讯线路。它负责把比特组装成数据帧，以便物理层用信号把它们传送出去，接收 第二章嵌入式w e b 服务器的软僻设计 方又以数据帧为单位接收并识别它们。物理层仪负责发送和接收比特流，并不关心它的实际意 义和结构。而这些都有数据链路层完成，包括通讯地址的识别、通道的检测、冲突的检测、数 据分组和组装、数据的校验等。另外，数据链路层还要解决的问题有帧的破坏、丢失和重复的 问题，向嘲络层提供各类小同质量的传送，控制传输的流鼍，避免高速发送方的数据把低速接 收方“淹没”等。 ( 3 ) 网络层 网络层主要是负责子网的运行控制，人们主要是从嘲络层上将各类网络进行分界。网络层 主要是控制通信子网内的寻径、流量、差错、顺序、进出路由等，即负责节点与节点之间的路 由选择，将数据从物理连接的一端传送到另一端，负责点到点之间通信联系的建立、维护和结 束。它所涉及的内容包括网络地址的分配，子嘲的规模，数据分组的组装和分解以及数据分组 从源端到目的端的路由选择等。 另外，网络计费也是在网络层实现，提供不同价格的服务，并解决不同网络之间的差异， 实现不同网络问的互联，为了避免子网同时出现过多的数据分组造成拥塞，还在网络层进行拥 塞控制等。 ( 4 ) 传输层 传输层负责提供两节点之间数据的传送，从会话层接收数据，如果数据较长，则把它们分 成较小的单元，再传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。如果需要的话，可以 对数据的校验进行确认，确保各类信息准确。 传输层是真正意义上的“端到端”的层，也就是说。源端机器上传输层的数据格式和目标 机器上的传输层格式基本上是一致的，而再传输层以下的各层，如网络层、数据链路层等会因 为不同的子网而存在差异。所以从某种意义上讲，传输层存在使得会话层不受硬件技术变化的 影响 ( 5 ) 会话层 会话层负责控制每一站究竟什么时间可以传送与接收数据，为不同用户提供建立会话关 系，并对会话进行有效管理。会话层允许用户进行普通的数据传输，并提供一些增强的服务， 比如管理会话，允许信息双方同时发送信息，或单向传输，如果是单向时，控制双方收发时机， 如果是多用户时，还可以提供令牌管理服务，确保只有个别的人可以占有信道。另外，会话层 还确保文件传输的同步服务，也就是现在经常提到的在文件传输中的支持持续功能。 ( 6 ) 表示层 表示层完成某些特定的功能，主要用于处理两个通信系统中信息的表示方式，完成字符和 数据格式的转换，对数据进行加密和解密、压缩和恢复等操作。在表示层以下一般只关心可靠 的传输数据流，而在表示层关心的是传输数据的语法和语义。一个典型的例子就是大家可以用 一致同意的方法来对数据进行编码，比如对整数、浮点数、日期、货币等数据类型的编码，这 样可以让不同表示方法的机器之间，如支持m s i 或u n i c o d e 字符集的及其之间，可以实现信息间 的交换。 ( 7 ) 应用层 应用层负责网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，包括建立与结束使用者之间的联 系。监督并且管理相互连接起来的应用系统以及所使用的应用资源。应用层包含了各类人们所 需要的应用协议，人们可以在应用层建立需要的服务、比如文件传输协议、电子邮件、远程登 2 8 东南大学硕卜学位论文 陆、数据采集，w w 嘲络、加密服务等。应用层足直接面对用户需求的，各种需求都将在这里得 到体现。 3 1 2 2t c p ，咿标准与参考模型 最早的计算机 q 络a r r e n t 以及现在的i n t e r n e t 网络使用的参考模型是t c p i p 模型，也是实 际中应用最广泛的计算机网络模型。t c p i p 参考模犁是将多个网络进行无缝连接的体系结构， 其模型与0 s i 模掣对照情况如图3 2 所示( t c p i p 参考模犁与0 s i 参考模型对照表) 。 o鲫1p玎p 在t c m p 模型中 不存在 图3 2t c p i p 参考模型 t