??? 摘 要: 介紹了如何利用現(xiàn)有軟件虛擬模塊高效構(gòu)筑可現(xiàn)場控制的嵌入式Web服務(wù)器,一些方法也可用于其他資源有限的小型嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。
??? 關(guān)鍵詞: 單片機? 嵌入式系統(tǒng)? Internet? Web服務(wù)器
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??? 隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及,信息共享的程度不斷提高,網(wǎng)絡(luò)儀表及網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的流行逐漸成為趨勢。如何通過互聯(lián)網(wǎng)共享以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設(shè)備的信息,成為當(dāng)今電子界的熱門話題。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以PC為中心。如今,互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)到以嵌入式設(shè)備為中心。用單片機實現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點是:如何利用單片機本身有限的資源對信息進行TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議處理,使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前解決這個問題有兩種方案:一種是PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng),缺點是要增加布線和第三方協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件;另一種是32位MCU+RTOS,弊端是開發(fā)難,成本極高。而用軟件方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議" title="網(wǎng)絡(luò)協(xié)議">網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比采用集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的芯片,具有節(jié)省空間、降低成本的優(yōu)點,更重要的是可以隨意配置甚至修改各種協(xié)議,且能通過軟件升級方式跟隨未來的發(fā)展。八位單片機目前仍占有很大的市場份額,而通過美國Ubicom公司的SX52微控器進行網(wǎng)絡(luò)控制更具其獨特優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在:(1)速度快,在100MHz頻率下能達到100MIPS;(2)現(xiàn)成的協(xié)議模塊供使用,即使對不熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)人員也能簡單套用。雖然其它八位單片機也能用軟件實現(xiàn)精簡的TCP/IP協(xié)議,如PIC16C76[1]等,但上面所說兩大優(yōu)點是采用SX52MCU的充分理由。套用成熟的現(xiàn)有程序是最具效率的開發(fā)辦法,這也是避免目前國內(nèi)普遍存在的低水平開發(fā)的有效途徑。雖然目前還沒有單獨的TCP/IP軟件虛擬模塊提供,但在演示板" title="演示板">演示板程序的基礎(chǔ)上,可以采用其成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊和一些適用于小型嵌入系統(tǒng)的做法構(gòu)筑現(xiàn)場控制Web服務(wù)器。
1 SX52控制器簡介
??? SX52 MCU與PIC單片機有很多地方相似,它也采用RISC指令系統(tǒng),帶可擦寫上萬次的片上Flash程序存儲器,具在系統(tǒng)編程等。SX52的流水線指令操作可1個時鐘周期執(zhí)行一條指令。沒有中斷嵌套使中斷響應(yīng)時間固定為3個時鐘周期,適用于一些要求強實時性的系統(tǒng)。5個可驅(qū)動30mA電流的I/O口可自由設(shè)置為TTL或CMOS輸入電平,262×8bit的SRAM數(shù)據(jù)空間,4096×12bit的EE/Flash程序空間。內(nèi)部集成有模擬比較器、定時器、捕捉/PWM比較器、欠壓檢測、看門狗等多種功能部件。具有三個特殊器件配置寄存器,其長度分別為12位,(FUSE、FUSEX、DEVICE),硬件配置靈活多樣,加密性能好,能有效地防止產(chǎn)品被盜版或仿制的可能性。已提供的軟件虛擬模塊有UART、A/D、DTMF、PWM、FSK、IRDA、I2C等眾多常用功能塊。應(yīng)用微控器用軟件方法替代硬件功能是一大特色,可以避免一些常用功能的重復(fù)開發(fā)。
2 聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)
??? 對于資源緊缺的小型嵌入系統(tǒng),一般都要對TCP/IP協(xié)議族做一些精簡處理。Wing Poon等提供的演示板程序集合了如下模塊:ARP、DHCP、ICMP的echo響應(yīng),精簡的TCP/IP、HTTP、SMTP等;還可以看到應(yīng)用了I2C以及∑-ΔA/D的軟件虛擬模塊。由于程序空間的限制,當(dāng)實現(xiàn)DHCP時,只能用SMTP。底層采用8019AS網(wǎng)絡(luò)接口芯片。網(wǎng)頁通過I2C存儲于24C256中,中斷程序可用于A/D虛擬模塊的計數(shù)及TCP/IP協(xié)議族的各個定時器。
??? 系統(tǒng)設(shè)計主程序流程如圖1。當(dāng)IP包頭有選項或存在分片時,此包被簡單丟棄而不處理。TCP能同時打開兩個連接,連接1用于SMTP(套接字" title="套接字">套接字用Bank 3,TCB1_BANK),連接2用于HTTP(套接字用Bank 4,TCB2_BANK)。TCP不使用滑動窗口的流量控制,發(fā)送時每發(fā)一個分組就停下來等待確認。程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)長度放在變量Tcp2UnAckMSB、Tcp2UnAckLSB中。在接收模塊TcpProcPktIn中只有接收到Ack包后才復(fù)位這兩個變量;而發(fā)送模塊TcpTransmit中只有這兩個變量為零才允許發(fā)送下一段數(shù)據(jù),否則檢查Tcp2TimeMSB是否超時,如是則重發(fā)。TCP接收模塊TcpProcPktIn檢查端口號及32序列號是否與套接字內(nèi)的相符,如不符則可能是收到重發(fā)的包,TCP簡單地發(fā)Ack的空包并丟棄本包;否則處理本包數(shù)據(jù)同時清除上次發(fā)送數(shù)據(jù)長度變量Tcp2UnAckMSB、Tcp2UnAckLSB,以便在TcpTransmit中能發(fā)送下一段數(shù)據(jù)。
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??? 子模塊TcpAppTxBytes、TcpAppRxData是TCP處理發(fā)送及接收數(shù)據(jù)的模塊。用戶如不變更原TCP/IP的精簡設(shè)計,只要修改這兩個模塊就能實現(xiàn)自己特定的應(yīng)用功能。
??? 16位校驗和Checksum的計算對于很少或沒有數(shù)據(jù)緩沖的系統(tǒng)來說并不容易,一般有兩種方法處理。一是在TCP頭的檢驗和域放任意一個16位數(shù),數(shù)據(jù)發(fā)送的同時計算Checksum,然后在數(shù)據(jù)最后附加2個字節(jié)以保證之前任意取值的正確。這種方法的缺點是要讓接收的應(yīng)用程序忽略最后2個字節(jié)的數(shù)據(jù),可能導(dǎo)致許多程序的運行異常。二是先對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)計算Checksum,但不發(fā)送,然后再產(chǎn)生同樣的數(shù)據(jù)加上正確的校驗和發(fā)送。顯然要求系統(tǒng)產(chǎn)生重復(fù)的數(shù)據(jù)有時是不現(xiàn)實的,利用網(wǎng)卡芯片8019的緩沖可以解決這一問題,將數(shù)據(jù)寫入8019的同時計算Checksum,最后將Checksum寫入8019后調(diào)用NicSendTxFrame才真正發(fā)送數(shù)據(jù)。
3 Web服務(wù)器實現(xiàn)
??? TCP在Web服務(wù)器下采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖2。
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??? (1)服務(wù)器在closed狀態(tài)下主動打開端口80進入listen狀態(tài);
??? (2)經(jīng)過3次常規(guī)握手后進入establish的數(shù)據(jù)傳送狀態(tài);
??? (3)服務(wù)器發(fā)完數(shù)據(jù)發(fā)fin關(guān)閉請求進入fin wait-1狀態(tài);
??? (4)收到對方發(fā)來的Ack后進入fin wait-2狀態(tài);
??? (5)收到對方發(fā)來的fin關(guān)閉請求后回送Ack回到closed狀態(tài)。
??? 考慮HTTP常用的abs_path形式的統(tǒng)一資源標(biāo)識符URI,在資源緊缺的系統(tǒng)中實現(xiàn)完整的文件結(jié)構(gòu)如“imagesledon.gif”的查詢與定位,如果采用一般計算機程序中常用的方法則代價很高。一種簡便有效的方法是計算URI各字符的ASCII碼之和。網(wǎng)頁存放于SX52的外部EEPROM中。假設(shè)利用前512字節(jié)存放最大256個網(wǎng)頁的地址,絕對路徑“index.htm”的不帶進位ASCII碼之和為#＄be,可以到2×#＄be=#＄17c的地方找到要發(fā)送回客戶瀏覽器的數(shù)據(jù)存放地址。下載網(wǎng)頁到服務(wù)器時也用一個程序按上述方法將各網(wǎng)頁排好即可,當(dāng)然網(wǎng)頁前都加了一段HTTP 1.0的標(biāo)準響應(yīng)頭信息。這正是Ubicom公司提供的E2File程序所做的,也可以自己編寫一個這樣的程序以實現(xiàn)HTTP 1.1的除GET、POST方法外的其它方法或擴展功能。
??? 除了用Java Applet實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁外,利用post方法也可與服務(wù)器交互。例如通過IE瀏覽器用復(fù)選框按鈕控制并顯示一組燈的開與關(guān)的基本W(wǎng)eb控制,其HTML網(wǎng)頁的提交表單FORM內(nèi)應(yīng)該包含有的類似語句,其中0～n為欲控制燈的編號,name的取值為一位數(shù)字或字符,有利于節(jié)省SX52的查詢匹配程序空間,E2File程序?qū)⒕W(wǎng)頁中如下顯示燈的狀態(tài)的HTML超鏈接語句
中的“?”編號為非ASCII字符#＄f0～#＄fn等下載存儲到服務(wù)器的EEPROM中。當(dāng)IE用POST方法發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器時,SX52服務(wù)器計算兩個空格間的abs_path形式的URI的ASCII字符之和后到相應(yīng)EEPROM中,用上述下載網(wǎng)頁的計算方法找到該網(wǎng)頁的地址后,跳過HTTP的請求頭匹配l=0&...l=n表示復(fù)選框被選中的數(shù)據(jù)并對相應(yīng)編號的燈開關(guān)后,返回該網(wǎng)頁給IE時會根據(jù)實際燈的狀態(tài)將EEPROM中存儲網(wǎng)頁的非ASCII字符#＄f0～#＄fn退換為ASCII字符“n”或“f”。這樣IE就能正確地通過超鏈接再次與服務(wù)器交互(GET方法),下載顯示ledon.gif或ledof.gif顯示實際燈的狀態(tài)了。而要在IE上正確顯示現(xiàn)場某個控制變量的值時,同樣可以將n位顯示數(shù)值編號為非ASCII字符#＄f0#＄f1...#＄fn的形式存儲到服務(wù)器中,SX52服務(wù)器端先將實際的數(shù)值轉(zhuǎn)換為BCD碼后再用對應(yīng)的ASCII字符將#＄f0#＄f1...#＄fn替換返回,從而能在瀏覽器端顯示服務(wù)器端控制變量的變化。國內(nèi)用戶使用的北京革新提供的開發(fā)演示板程序較充分地提供了常用的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊,也提供了一個基本可實際應(yīng)用的Web演示控制,只要做較少改動就可以用于實際控制中。不過它只能一次控制一個燈的開關(guān),且任何人都可以輕易地更改。現(xiàn)要求一次能控制所有的燈,但需要在IE瀏覽器上輸入密碼123abc方可生效。程序修改如下:
??? (1)在控制燈的網(wǎng)頁econtrol.htm中增加以下語句以輸入密碼:
??? 密碼:
??? (2)當(dāng)密碼驗證錯誤時,置標(biāo)志flags.sw_pressed。匹配密碼采用6位密碼的ASCII碼異或值以節(jié)省程序空間。POST的數(shù)據(jù)有l(wèi)=123abc&l=0...&l=7的形式。
??? (3)在MY_BANK數(shù)據(jù)塊中增加兩個變量test1、test2。
??? (4)在子模塊TcpAppRxDone2中增加以下初始化語句:
??? ???? _bank MY_BANK
??? ???? clrb flags2.SW_PRESSED;清密碼有/無效標(biāo)志
??? ???? mov test1,#6???????;6位密碼
??? ???? clr? test2?????????;清異或統(tǒng)計變量
??? (5)在模塊TcpAppRxData的分支:lookforl的開頭增加以下語句:
??? ???? snb flags2.SW_PRESSED ;密碼無效直接返回不再匹配“=”
??? ???? retp
??? (6)修改TcpAppRxData的分支,gotequal如下:
??? ???? cjne httpURIHash,#URI3, :action ;當(dāng)不是燈的控制網(wǎng)頁返回
??? ???? _bank?MY_BANK?? ???;切換尋址變量區(qū)
??? ???? cje test1, #0,?: action? ??;密碼正確轉(zhuǎn)執(zhí)行
??? ???? xor? test2, globTemp1? ??;密碼異或值計算
??? ???? decsz test1
??? ???? retp
??? ???? cjne test2, #＄50,:void? ;#＄50為123abc的密碼異或值
??? ???? clr?httpParseState2? ? ;清狀態(tài)轉(zhuǎn)移值以便匹配下一個“l(fā)=value”
??? ???? retp
??? :void
???????? setb? flags2.SW_PRESSED? ;置密碼不正確的標(biāo)志
???????? _bank?HTTP_BANK
??? ???? mov httpURIHash,#＄be ?;返回index.htm首頁
??? ???? clr? httpParseState2
??? ???? jmp :gotURICont??????;找到首頁的地址為發(fā)送做準備
??? :action
??? ???? call? @pc2evbpro?????;匹配各燈后進行開關(guān)
??? ???? clr?httpParseState2?? ??;重新匹配下一個“l(fā)=value”
??? ???? retp
??? 當(dāng)然以上密碼通過IE仍以明文傳送,不安全,但是它可以通過常用的IE瀏覽器操作,不需要專用的客戶端" title="客戶端">客戶端軟件。這適用于大企業(yè),它們有局域網(wǎng),電腦上只能用固定的幾種軟件。當(dāng)然編寫客戶端軟件加入加密解密算法來適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境也是容易實現(xiàn)的。用SX52構(gòu)建各種小型的現(xiàn)場控制Web服務(wù)器只要合理利用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件虛擬模塊,參照演示板的做法在應(yīng)用子模塊TcpAppTxBytes、TcpAppRxData中對發(fā)送及接收數(shù)據(jù)按照自己特定的要求做處理即可。它還可以通過UDP的方式同時與客戶端軟件傳送語音或視頻數(shù)據(jù)流,只要增加很少的外圍接口電路[1]并改動相應(yīng)的UDP處理模塊UDPProcPktIn即可。而如果未來協(xié)議的更新也只要下載最新的程序替換即可,開發(fā)人員單獨修改特定協(xié)議模塊的一些實現(xiàn)方式如增加滑動窗口的TCP/IP等也比重新編寫一個完整的協(xié)議族遠為輕松。
參考文獻
1 Jeremy Bentham. TCP/IP Lean Web Servers for Embeded Systems,2E 2002:243～331
2 Ubicom Inc. sx-key_manual_v1_1 Version 1.1
3 Ubicom Inc. sx_usermanual Rev.3.1
4 Ubicom Inc. application notes
5 RFCS(requests for comment). http://www.faqs.org/rfcs