基于ＰＸＡ２７０嵌入式Ｗｅｂ服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在分析嵌入式Web服務(wù)器原理的基礎(chǔ)上，討論嵌入式操作系統(tǒng)的選擇和HTTP服務(wù)器的工作流程，針對(duì)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)TCP/IP協(xié)議族進(jìn)行裁剪，并依照裁剪后的協(xié)議，提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法，并給出相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。在32位微處理器PXA270的硬件平臺(tái)上結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)ARM-Linux實(shí)現(xiàn)一個(gè)高可靠、高效率、低功耗、低成本的嵌入式Web服務(wù)器。

關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器；TCP/IP協(xié)議；通用網(wǎng)關(guān)接口；ARM-Linux

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)2010403

Design and Implementaion of Embedded Web Server Based on PXA270

CHEN Jianhua，YANG Ling

(Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

Abstract：Based on analysis of the principle of embedded Web server，the selection of embedded operating system and the working flow of HTTP are discussed，TCP/IP protocol stack is reduced according to the features of embedded equipment，a design method of embedded Web server based on ARM-Linux operating system and relevant software and hardware′s design are presented.Combining embedded ARM-Linux on the hardware kernel of the microprocessor PXA270 of 32 bits，an embedded Web server with high credibility and performance，low consuming and cost is realized.

Keywords：embedded Web Server;TCP/IP protocol;common gateway interface;ARM-Linux

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和Internet的普及，嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要方向和必然結(jié)果，嵌入式Web服務(wù)器是嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的重要方面。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)由于其運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)能力、功耗等問題已經(jīng)越來越不能滿足用戶的需求。ARM處理器以其高性能、低功耗、豐富驅(qū)動(dòng)等功能成為新的嵌入式電子產(chǎn)品開發(fā)的理想選擇。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的更好分配、復(fù)雜任務(wù)的更好調(diào)度，引入嵌入式操作系統(tǒng)。ARM-Linux具有很好的移植性、穩(wěn)定性、強(qiáng)大的協(xié)議支持功能和豐富的設(shè)備支持功能，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于INTEL Xscale 架構(gòu)的嵌入式處理器PXA270與ARM-Linux相結(jié)合構(gòu)建一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。

1 嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)

1.1 嵌入式Web服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)

嵌入式Web服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)^［1］如圖1所示。其中，客戶端和Web服務(wù)器之間的通信協(xié)議采用HTTP 1.1；嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)提供TCP/IP協(xié)議支持；Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器間的交互接口為CGI（Common Gateway Interface）。

1.2 嵌入式Web服務(wù)器工作流程

客戶端使用Web瀏覽器與Web服務(wù)器進(jìn)行通信。Web服務(wù)器中使用HTTP協(xié)議，HTTP（超文本傳輸協(xié)議）為標(biāo)準(zhǔn)WWW傳輸協(xié)議，使用可靠的TCP連接，通常采用端口80。HTTP是一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，每次連接只完成一個(gè)請(qǐng)求。客戶端與Web服務(wù)器交換數(shù)據(jù)之前，首先用TCP/IP建立連接，服務(wù)器端程序建立TCP類型SOCKET并在80端口進(jìn)行監(jiān)聽，服務(wù)器在接收到用戶端的請(qǐng)求后，解析客戶請(qǐng)求的HTTP協(xié)議頭、分析客戶的請(qǐng)求，根據(jù)客戶的請(qǐng)求返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可來自靜態(tài)主頁和文件，也可以根據(jù)請(qǐng)求動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。由此可見，接收客戶端請(qǐng)求、解析客戶端請(qǐng)求、響應(yīng)客戶端請(qǐng)求、向客戶端回送請(qǐng)求的結(jié)果是Web服務(wù)器所完成的主要任務(wù)。

2 模塊功能分析

系統(tǒng)分為客戶連接處理模塊、客戶請(qǐng)求處理模塊、協(xié)議處理模塊3個(gè)模塊。

2.1 客戶連接處理模塊功能

連接處理模塊^［2］如圖2所示。此模塊完成第一步客戶連接請(qǐng)求的處理，并將請(qǐng)求信息傳遞給客戶請(qǐng)求解析處理模塊去處理。

模塊工作流程如下：

（1） 打開文件描述字，建立文件描述符;

（2） 讀取連接信息、獲取客戶信息;

（3） 調(diào)用客戶請(qǐng)求解析模塊，關(guān)閉文件流。

2.2 客戶請(qǐng)求解析處理模塊功能

此模塊在連接模塊完成對(duì)客戶請(qǐng)求信息進(jìn)行解析、處理。模塊工作流程如下：

（1） 對(duì)用戶信息進(jìn)行解密；

（2） 查找用戶請(qǐng)求資源是否存在；

（3） 判斷用戶請(qǐng)求類型，選取不同的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

2.3 協(xié)議處理模塊的功能

TCP/IP協(xié)議包括很多的協(xié)議，鑒于嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用場(chǎng)合和有限的資源，并不是所有的協(xié)議都需要實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求有選擇的加以實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來識(shí)別。為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的正常通信，首先需要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議，因?yàn)锳RP協(xié)議提供IP地址到MAC地址的轉(zhuǎn)換功能。嵌入式Web服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)在Internet上通信，在網(wǎng)絡(luò)層一定要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，以及能報(bào)告數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)等情況的ICMP協(xié)議，因?yàn)镮P協(xié)議是面向無連接的，它無法將狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息傳到最初的主機(jī)上，因此要通過網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)實(shí)現(xiàn)。在傳輸層主要有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，UDP協(xié)議是面向無連接的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸協(xié)議，而TCP協(xié)議則是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸。基于應(yīng)用的需要和對(duì)可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在應(yīng)用層，遠(yuǎn)端主機(jī)是通過瀏覽器的訪問控制方式讀取數(shù)據(jù)的，所以要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。其他一些在Internet上應(yīng)用較廣泛的協(xié)議(如FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議等)在此無需實(shí)現(xiàn)。

協(xié)議處理模塊完成對(duì)連接信息進(jìn)行分析，根據(jù)參數(shù)的不同，發(fā)送不同的HTTP協(xié)議頭信息，在Linux系統(tǒng)下建立通信雙方的服務(wù)程序可以使用套接字技術(shù)，常用的套接字有2種：流式套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能采用的是流式套接字，流式套接字用法流程圖^［3］如圖3所示。

流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，此方法對(duì)單個(gè)的數(shù)據(jù)報(bào)和對(duì)數(shù)據(jù)包都提供一種流式數(shù)據(jù)傳輸。流式套接字由socket函數(shù)調(diào)用來創(chuàng)建、而且調(diào)用時(shí)必須用bind函數(shù)為它分配一個(gè)地址。使用listen函數(shù)建立和客戶機(jī)的連接，該函數(shù)告訴套接字開始偵聽客戶機(jī)的連接請(qǐng)求。一旦將套接字設(shè)置成偵聽連接后，用accept函數(shù)來完成連接，如果連接成功，accept函數(shù)將返回一個(gè)新套接字的描述符，新套接字被用作以后處理的連接。一旦客戶機(jī)套接字和服務(wù)器套接字建立連接，雙方就可以通過send()和recv()函數(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3 硬件平臺(tái)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件開發(fā)平臺(tái)

基于PXA270的Web服務(wù)器硬件平臺(tái)為研興科技開發(fā)的EDK-270SL硬件系統(tǒng)，EDK-270SL是研興科技針對(duì)Intel PXA270 CPU推出的Linux開發(fā)平臺(tái)。PXA270嵌入式微處理器最高主頻可達(dá)624 MHz，加入了WirelessMMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力，同時(shí)PXA270還引入PC機(jī)上的Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動(dòng)設(shè)備的功耗。EDK-270SL由處理器核心板、主板及LCD三部分組成。EDK-270SL上還集成了下列部件：64 MB SDRAM、32 MB FLASH Memory、LAN91C113以太網(wǎng)接口、1個(gè)全功能串口，1個(gè)帶流控串口、1個(gè)紅外接口、1個(gè)CF接口、1個(gè)USB HOST、1個(gè)USB SLAVE、2個(gè)SSP接口等。因處理器的高性能、低成本、高效率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于PDA、智能電器、儀器儀表、監(jiān)測(cè)控制等領(lǐng)域^［4］。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器的軟件開發(fā)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1） 嵌入式操作系統(tǒng)ARM-linux的移植。

ARM-Linux可移植性強(qiáng)，用戶通過重新進(jìn)行配置、編譯內(nèi)核可以使其內(nèi)核文件小于500 kB。Linux是源碼公開的免費(fèi)操作系統(tǒng)，所用版本支持MMU功能。ARM-Linux網(wǎng)絡(luò)支持功能強(qiáng)大，支持PPP，Ethernet等多種網(wǎng)絡(luò)連接方式，包括完整的TCP/IP協(xié)議棧及大量的其他協(xié)議^［5］。另外，由于ARM-Linux的開放性，新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以很容易地加入到內(nèi)核中。移植過程如下：

① 安裝交叉編譯工具鏈。

由于嵌入式設(shè)備沒有足夠的內(nèi)存以及存儲(chǔ)資源來完成編譯工作，于是就必須在主機(jī)上完成針目標(biāo)機(jī)的代碼編譯生成，編譯后的代碼下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行^［6，7］。

② 編譯Linux內(nèi)核需要的源碼樹：linux2.6.9-270SL1.tar.gz。

使用自動(dòng)編譯腳本my編譯內(nèi)核，生成可運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上的內(nèi)核映像文件zImage。

③ 創(chuàng)建JFFS2根文件系統(tǒng)。

對(duì)于一個(gè)實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，僅包含Linux內(nèi)核是不夠的，還必須有文件系統(tǒng)的支持。在嵌入式Linux內(nèi)核啟動(dòng)后，需要加載根文件系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)與用戶交互。

(2) TCP/IP協(xié)議族的裁剪。

在TCP協(xié)議中采用“停止等待算法”代替“滑動(dòng)窗口算法”。一方面是由于數(shù)據(jù)量小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞不會(huì)產(chǎn)生太大影響，從而可以裁剪TCP的流量控制功能；另一方面是因?yàn)閿?shù)據(jù)量小時(shí)，采用停止等待算法的傳輸效率和滑動(dòng)窗口算法的效率差不多，因此采用簡(jiǎn)單停止等待算法代替復(fù)雜的滑動(dòng)窗口算法，不但降低了實(shí)現(xiàn)難度，提高了處理速度，同時(shí)取消了TCP發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)，從而減小了占用存儲(chǔ)空間。研究發(fā)現(xiàn)，如果TCP層的上層實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的應(yīng)用，可以將標(biāo)準(zhǔn)TCP狀態(tài)機(jī)建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡(jiǎn)化掉，即將主動(dòng)創(chuàng)建連接的SYN-SENT狀態(tài)，主動(dòng)關(guān)閉連接的FIN-WAIT1，F(xiàn)IN-WAIT2，CL0SING，TIME-WAIT狀態(tài)。同理，如果應(yīng)用是基于客戶端的，還可以將服務(wù)器建立連接的狀態(tài)機(jī)部分簡(jiǎn)化。當(dāng)處于監(jiān)聽狀態(tài)的服務(wù)器收到客戶端的請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送“ACK+對(duì)方發(fā)過來的SYN數(shù)據(jù)”。當(dāng)收到來自客戶端的一個(gè)僅含有ACK的空數(shù)據(jù)片后，雙方進(jìn)入Established狀態(tài)建立連接，之后可以進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信。這樣既節(jié)省了系統(tǒng)開銷，同時(shí)也保證了所有的數(shù)據(jù)段都能安全正確地到達(dá)目的端^［8］。

(3) 編寫HTTP Web Server。

Linux下嵌入式Web服務(wù)器主要有3個(gè)：httpd，thttpd和Boa。系統(tǒng)以boa作為服務(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放、性能高。建立boa Web服務(wù)器的步驟如下：

① 下載boa源代碼boa-0.94.14r21.tar.gz。

Boa Web服務(wù)器的源代碼可以從http://www.boa.org下載，當(dāng)前最新版本為0.94.14。

② 安裝并編譯boa源代碼。

首先將源碼文件進(jìn)行解壓，修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC= /usr/local/arm-linux/bin/arm-linux-gcc（//自己主機(jī)交叉編譯器的目錄），修改CPP=gcc-E為 CPP = /usr/local/arm-linux/bin/arm-linux-gcc-E，執(zhí)行make，即可在SRC下得到boa可執(zhí)行文件。

③ 配置boa Web服務(wù)器。

Boa啟動(dòng)時(shí)將加載一個(gè)配置文件boa.conf，在boa程序運(yùn)行前，必須對(duì)其進(jìn)行修改。

④ 執(zhí)行Boa。

成功配置以后，創(chuàng)建日志文件所在目錄/var/log/boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄/var/www，將靜態(tài)網(wǎng)頁存入該目錄下（將主機(jī) /usr/share/doc/HTML/目錄下的index.html文件和img目錄復(fù)制到/var/www目錄下），創(chuàng)建CGI腳本所在錄/var/www/cgi-bin，將cgi的腳本存放在該目錄下，另外還要將mime.types文件復(fù)制/etc目錄下。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以將index.html，index_Zcn.html文件、img目錄和mime.types文件放到CF卡目錄下，建立目錄后，拷貝至相應(yīng)目錄^［9］。啟動(dòng)ARM-Linux，在終端運(yùn)行./boa，用網(wǎng)頁瀏覽器訪問，看到/usr/share/doc/HTML/目錄下的index.html網(wǎng)頁，嵌入式Web服務(wù)器移植成功。

(4) CGI程序設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器，其為用戶提供基于HTTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接入方式，再通過編寫適當(dāng)?shù)腃GI程序來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的交互。

要使用CGI程序，一般使用HTML中的FORM結(jié)構(gòu):

內(nèi)容

，其ACTION屬性指定相關(guān)的CGI程序，METHOD屬性指明提交數(shù)據(jù)的方法(POST或GET)；也可以在標(biāo)簽的HREF屬性中調(diào)用CGI程序，結(jié)構(gòu)如： START CGI ；還可以在的HTML標(biāo)簽中調(diào)用CGI程序，如果把CGI程序的路徑當(dāng)作SRC屬性的話，服務(wù)器就會(huì)去運(yùn)行程序并把運(yùn)行結(jié)果當(dāng)成圖像的來源，結(jié)構(gòu)如：。

4 結(jié) 語

嵌入式Web服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)通過Web方式與Intenet互聯(lián)的關(guān)鍵組成部分，直接影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量與效率，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)Intenet技術(shù)的發(fā)展有重要意義。本文提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法，并給出相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并利用Socket編程和CGI程序完成整個(gè)Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)。該嵌入式Web服務(wù)器具有成本低、開放性好、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于后期維護(hù)和升級(jí)。由于此設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器是一個(gè)單獨(dú)的模塊，提供的是標(biāo)準(zhǔn)接口，只要在軟件上作少許的修改就能很容易地應(yīng)用到其他的嵌入式設(shè)備(如智能家電、現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)等)中，具有一定的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介 陳建華 男，1982年出生，湖南永州人，碩士。研究方向?yàn)殡娐废到y(tǒng)的EDA技術(shù)。