??? 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(chǎng)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(jī)? 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(shì)。如何通過互聯(lián)網(wǎng)共享以單片機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)方案的技術(shù)難點(diǎn)是:如何利用單片機(jī)本身有限的資源對(duì)信息進(jìn)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(gè)問題有兩種方案:一種是PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng),缺點(diǎn)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(shí)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(diǎn),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(jí)方式跟隨未來的發(fā)展,。八位單片機(jī)目前仍占有很大的市場(chǎng)份額,而通過美國Ubicom公司的SX52微控器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制更具其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在:(1)速度快,在100MHz頻率下能達(dá)到100MIPS;(2)現(xiàn)成的協(xié)議模塊供使用,即使對(duì)不熟悉網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)人員也能簡(jiǎn)單套用。雖然其它八位單片機(jī)也能用軟件實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議,如PIC16C76[1]等,但上面所說兩大優(yōu)點(diǎn)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(dú)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(chǎng)控制Web服務(wù)器。
1 SX52控制器簡(jiǎn)介
??? SX52 MCU與PIC單片機(jī)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(chǔ)器,具在系統(tǒng)編程等。SX52的流水線指令操作可1個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令,。沒有中斷嵌套使中斷響應(yīng)時(shí)間固定為3個(gè)時(shí)鐘周期,適用于一些要求強(qiáng)實(shí)時(shí)性的系統(tǒng),。5個(gè)可驅(qū)動(dòng)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(shí)器,、捕捉/PWM比較器、欠壓檢測(cè),、看門狗等多種功能部件。具有三個(gè)特殊器件配置寄存器,其長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)
??? 對(duì)于資源緊缺的小型嵌入系統(tǒng),一般都要對(duì)TCP/IP協(xié)議族做一些精簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)DHCP時(shí),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(chǔ)于24C256中,中斷程序可用于A/D虛擬模塊的計(jì)數(shù)及TCP/IP協(xié)議族的各個(gè)定時(shí)器,。
??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序流程如圖1。當(dāng)IP包頭有選項(xiàng)或存在分片時(shí),此包被簡(jiǎn)單丟棄而不處理,。TCP能同時(shí)打開兩個(gè)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(dòng)窗口的流量控制,發(fā)送時(shí)每發(fā)一個(gè)分組就停下來等待確認(rèn)。程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(gè)變量;而發(fā)送模塊TcpTransmit中只有這兩個(gè)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(shí),如是則重發(fā)。TCP接收模塊TcpProcPktIn檢查端口號(hào)及32序列號(hào)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(jiǎn)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(shí)清除上次發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(jiǎn)設(shè)計(jì),只要修改這兩個(gè)模塊就能實(shí)現(xiàn)自己特定的應(yīng)用功能,。
??? 16位校驗(yàn)和Checksum的計(jì)算對(duì)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(yàn)和域放任意一個(gè)16位數(shù),數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)計(jì)算Checksum,然后在數(shù)據(jù)最后附加2個(gè)字節(jié)以保證之前任意取值的正確。這種方法的缺點(diǎn)是要讓接收的應(yīng)用程序忽略最后2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),可能導(dǎo)致許多程序的運(yùn)行異常,。二是先對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)計(jì)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(yàn)和發(fā)送,。顯然要求系統(tǒng)產(chǎn)生重復(fù)的數(shù)據(jù)有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)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(shí)計(jì)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(shí)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(dòng)打開端口80進(jìn)入listen狀態(tài);
??? (2)經(jīng)過3次常規(guī)握手后進(jìn)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(qǐng)求進(jìn)入fin wait-1狀態(tài);
??? (4)收到對(duì)方發(fā)來的Ack后進(jìn)入fin wait-2狀態(tài);
??? (5)收到對(duì)方發(fā)來的fin關(guān)閉請(qǐng)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(shí)符URI,在資源緊缺的系統(tǒng)中實(shí)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(jì)算機(jī)程序中常用的方法則代價(jià)很高。一種簡(jiǎn)便有效的方法是計(jì)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(gè)網(wǎng)頁的地址,絕對(duì)路徑“index.htm”的不帶進(jìn)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(shí)也用一個(gè)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(zhǔn)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(gè)這樣的程序以實(shí)現(xiàn)HTTP 1.1的除GET,、POST方法外的其它方法或擴(kuò)展功能。
??? 除了用Java Applet實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(hào),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(hào)為非ASCII字符#＄f0～#＄fn等下載存儲(chǔ)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(shí),SX52服務(wù)器計(jì)算兩個(gè)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(jì)算方法找到該網(wǎng)頁的地址后,跳過HTTP的請(qǐng)求頭匹配l=0&...l=n表示復(fù)選框被選中的數(shù)據(jù)并對(duì)相應(yīng)編號(hào)的燈開關(guān)后,返回該網(wǎng)頁給IE時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際燈的狀態(tài)將EEPROM中存儲(chǔ)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(shí)際燈的狀態(tài)了,。而要在IE上正確顯示現(xiàn)場(chǎng)某個(gè)控制變量的值時(shí),同樣可以將n位顯示數(shù)值編號(hào)為非ASCII字符#＄f0#＄f1...#＄fn的形式存儲(chǔ)到服務(wù)器中,SX52服務(wù)器端先將實(shí)際的數(shù)值轉(zhuǎn)換為BCD碼后再用對(duì)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(gè)基本可實(shí)際應(yīng)用的Web演示控制,只要做較少改動(dòng)就可以用于實(shí)際控制中。不過它只能一次控制一個(gè)燈的開關(guān),且任何人都可以輕易地更改?，F(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(yàn)證錯(cuò)誤時(shí),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(gè)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(jì)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(jì)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(gè)“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(zhǔn)備
??? :action
??? ???? call? @pc2evbpro?????;匹配各燈后進(jìn)行開關(guān)
??? ???? clr?httpParseState2?? ??;重新匹配下一個(gè)“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(shí)現(xiàn)的,。用SX52構(gòu)建各種小型的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(shí)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(dòng)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(dú)修改特定協(xié)議模塊的一些實(shí)現(xiàn)方式如增加滑動(dòng)窗口的TCP/IP等也比重新編寫一個(gè)完整的協(xié)議族遠(yuǎn)為輕松,。
參考文獻(xiàn)
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