嵌入式ｗｅｂ服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹一種嵌入式web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone1C20的平臺(tái)及軟核NiosII，采用uClinux操作系統(tǒng)配置成嵌入式服務(wù)器 。該服務(wù)器能支持工業(yè)設(shè)備、家用電器連入互連網(wǎng)，具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易升級(jí)，并具有很好的動(dòng)態(tài)web頁面功能。能很好地滿足家用電器和工業(yè)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器；NiosII cpu；uClinux操作系統(tǒng)；CGI

中圖分類號(hào)：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)34-1865-02

Embedded Web Server Based on Nios II

SHU Bin1，2

(1.Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China; 2.Zhenjiang College， Zhenjiang 212003， China)

Abstract:A embedded web server design is presented in this paper. In this system， a CYCLONE1C20 is applied as a control unit.An NIOS II embedded system is built on FPGA. An uClinux operation system is transplanted to it. With the embedded web server， the function of long-distance real-time monitor is successfully realized. Server can support the industry equipment and information appliance to access into Internet.It is low cost，simple design and easy to upgrade.

Key words: embedded web; niosⅡcpu; uClinux; CGI

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制、微電子等技術(shù)的發(fā)展，電器設(shè)備上網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，嵌入式設(shè)備重要的突破之一就是解決了設(shè)備和internet的互連問題。近年來，嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展，種類繁多、功能強(qiáng)大的CPU和片外連接，為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了穩(wěn)定、可靠的硬件環(huán)境；嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)這些硬件和以太網(wǎng)也有很好的支持，操作系統(tǒng)的移植大為簡(jiǎn)化，這些就為嵌入式web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)提供了方便。嵌入式web服務(wù)器將監(jiān)控系統(tǒng)中的各種協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議格式，以便用戶通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控。

該文結(jié)合快速發(fā)展的嵌入式技術(shù)，給出了一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)方案。它采用uClinux操作系統(tǒng)，通過CGI實(shí)現(xiàn)了管理人員通過對(duì)網(wǎng)頁上的表單和按鈕的操作來對(duì)對(duì)象的遠(yuǎn)程測(cè)量和控制。

2 系統(tǒng)的硬件組成

一個(gè)完整的嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server，EWS）硬件系統(tǒng)以具有Web通信功能的嵌入式微處理器為核心。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 。

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圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的要求，選用：

1) Altera公司的CYCLONE1C20，其性價(jià)比高，支持Nios II，芯片有20060個(gè)邏輯（LE）單元數(shù)，64個(gè)存儲(chǔ)容量為4K的RAM塊（128×36位），2個(gè)鎖相環(huán)， 最大用戶I/O引腳達(dá)301個(gè)。

2) SRAM：兩個(gè)256K×16位的異步SRAM器件（IDT71V416S）作為系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

3) SDRAM：16MB帶PC100功能和自刷新方式的SDRAM器件（MT48LC4M32B2）作為系統(tǒng)內(nèi)存。

4) Flash：8MB Flash存儲(chǔ)器件作為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。

5) CF卡：16M的1型Compact Flash(CF)卡，作系統(tǒng)硬盤。

6) 以太網(wǎng)接口：選用LAN91C111。

7) 串口：其電平經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后形成RS232總線。

在QUARTUS II軟件中，通過在SOPC Builder系統(tǒng)中添加合適的CPU內(nèi)核、存儲(chǔ)器以及外圍模塊就可以構(gòu)建Nios II系統(tǒng)了。本系統(tǒng)中需加入的主要部件包括：Nios II標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核、SDRAM接口、SRAM接口、FLASH接口、CF卡接口、多個(gè)串口模塊、JATG接口等。添加完畢后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成Nios II CPU。在QUARTUS II開發(fā)環(huán)境中對(duì)該CPU進(jìn)行編譯，并分配FPGA引腳后，就可以啟用QUARTUSII自帶的編程器將CPU下載到FPGA中了。

3 系統(tǒng)的軟件層及關(guān)鍵技術(shù)

軟件結(jié)構(gòu)可分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、uClinux內(nèi)核以及系統(tǒng)應(yīng)用程序三部分。其中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序位于最低層。用于驅(qū)動(dòng)控制各個(gè)外圍設(shè)備。uClinux內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心。它除了完成進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理等功能外，還集中管理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，為系統(tǒng)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的編程接口，從而簡(jiǎn)化了用戶應(yīng)用程序的編寫。最上層是應(yīng)用程序?qū)樱彩怯脩襞c系統(tǒng)的交互接口。

3.1 ?滋Linux操作系統(tǒng)移植

Microtronix 公司專門為Nios II處理器提供了?滋Linux操作系統(tǒng)。uClinux的內(nèi)核要比原Linux 2.6內(nèi)核小的多，但卻保留了Linux 操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)能力及多文件系統(tǒng)支持等主要優(yōu)點(diǎn)。在PC機(jī)上安裝Microtronix Linux軟件后，就可以在NIOSII IDE開發(fā)環(huán)境中移植?CLinux操作系統(tǒng)了。操作系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：內(nèi)核和文件系統(tǒng)。在配置內(nèi)核的時(shí)候，加入的相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在Nios II IDE中分別編譯好內(nèi)核和文件系統(tǒng)后即可將它們的二進(jìn)制文件下載到FLASH中。

3.2 嵌入式Web服務(wù)器配置

采用uClinux操作系統(tǒng)下的Boa作為測(cè)控系統(tǒng)的嵌入式Web Server。Boa是一個(gè)單線程的HTTP服務(wù)器，它不同于其它傳統(tǒng)的Web服務(wù)器，它不為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，只有當(dāng)CGI程序運(yùn)行時(shí)才創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。另外，Boa體積非常小，通常只有幾十K字節(jié)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)中使用。因此系統(tǒng)通過移植Boa來實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能 。根據(jù)具體情況，對(duì)Boa做相應(yīng)的配置修改。主要有：

l) Document Root及ChRoot更改為mnt/ideo/www，此目錄為boa服務(wù)器所使用的目錄。

2) Alias選項(xiàng)中添加： “mnt/ideo/www”這樣可以省略服務(wù)器文件夾的絕對(duì)路徑，增加了系統(tǒng)的安全性。

3) 同樣為了增加CGI腳本的安全性同樣要進(jìn)行映射，即修改“ScriptAlias”選項(xiàng)：“mnt/ideo/www/cgi-bin”。

在Nios II IDE中修改后保存此文件，在經(jīng)過編譯之后，將文件系統(tǒng)下載到Flash中。則下一次運(yùn)行的時(shí)候，修改內(nèi)容就會(huì)生效。

3.3 CGI技術(shù)

CGI是人們?cè)趯で骔eb服務(wù)器與客戶機(jī)之間信息簡(jiǎn)單交互的過程中形成的一個(gè)公用的標(biāo)準(zhǔn)。在嵌入式Web開發(fā)中，可以使它作為服務(wù)器應(yīng)用程序和處理函數(shù)之間的一個(gè)接口。要使用CGI程序，一般使用HTML中的FORM結(jié)構(gòu):

內(nèi)容

其METHOD屬性指明提交數(shù)據(jù)的方法(POST或GET)，由ACTION屬性指定相關(guān)的CGI程序。處理表單的CGI程序主要包括3部分，即數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和處理結(jié)果輸出。

3.3.1 信息進(jìn)入CGI程序

1) 數(shù)據(jù)的URL編碼。Web瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)采用URL編碼的形式進(jìn)行，參數(shù)形式為:變量名1=變量值1變量名2=變量值2……，其中“變量名”是Form中的name屬性值；而 “變量值”是用戶輸入的數(shù)據(jù)，或者所選擇的數(shù)據(jù)。同時(shí)用戶數(shù)據(jù)中的所有空格換成“+”號(hào)。

2) 獲得輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)屬性METHOD指明提交數(shù)據(jù)的方法。服務(wù)器程序接收數(shù)據(jù)的途徑有環(huán)境變量和標(biāo)準(zhǔn)輸入。通過環(huán)境變量REQUEST_METHOD來判斷傳送數(shù)據(jù)的方式是GET還是POST。在“METHOD=GET”時(shí)，表單的數(shù)據(jù)保存在環(huán)境變量QUERY_STRING中，用庫函數(shù)getenv()來把環(huán)境變量的值作為一個(gè)字符串來存取，如果是 “METHOD=POST”，表單信息將通過STDIN來讀取，使用環(huán)境變量CONTENT_LENGTH，被傳送的長(zhǎng)度放在此變量中。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理在GET方式下的解碼相當(dāng)于對(duì)QUERY_STRING的解碼。首先從QUERY_STRING變量中讀出字符串。隨后對(duì)整個(gè)字符串進(jìn)行掃描，在“”處斷開參數(shù)串，變量名是等號(hào)前的內(nèi)容，而變量值是等號(hào)后的內(nèi)容。循環(huán)分開所有的變量；在POST方式下，首先用atoi ( getenv (“CONTENT_LENGTH”))得到傳送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，再結(jié)合feof (stdin)，采用與GET下解碼類似的方式，循環(huán)分開所有的變量。

3.3.3表單數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出

CGI程序通過stdout將輸出信息傳送給Web服務(wù)器。傳送的格式通常是純文本或者HTML檔。輸出的信息包括兩部分：

1) 輸出HTTP響應(yīng)的頭部信息由若干ASCII文本構(gòu)成，并用一個(gè)空行“n”將頭部信息信息體隔開。返回?cái)?shù)據(jù)的類型很多，它們均MIME(Multipurpose InternetMail Extensions)類型。

2) 輸出HTTP響應(yīng)的正文內(nèi)容，也就是CGI程序的執(zhí)行結(jié)果。

需要注意的是，在編寫過cgi程序并成功編譯后，要將其移動(dòng)至cF卡相關(guān)目錄，也就是上面所介紹的boa web server所設(shè)置的“/home/httpd/cgi”中，并將其后綴更改為“.cgi”，屬性改為“可執(zhí)行”，這樣，web server才可以正確識(shí)別并執(zhí)行此cgi程序。

4 嵌入式web服務(wù)器的實(shí)例

下面是一個(gè)利用該服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備溫度測(cè)量的例子。在上位機(jī)的網(wǎng)頁瀏覽器上輸入該嵌入式web服務(wù)器的網(wǎng)址，就可以打開該系統(tǒng)的主頁。在網(wǎng)頁上（圖3 監(jiān)控主頁）按要求輸入監(jiān)控號(hào)后，將執(zhí)行temp.cgi.exe程序采集溫度，并將溫度以網(wǎng)頁元素的形式返回給瀏覽器，如圖4所示。

在網(wǎng)頁中插入如下代碼:

則瀏覽器將在60 s后自動(dòng)刷新本頁，向服務(wù)器重發(fā)讀取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，以獲得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度情況。

5 結(jié)束語

本文介紹的基于Nios II和?滋Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器達(dá)到了預(yù)期效果，用戶可以通過IE瀏覽器瀏覽存儲(chǔ)在FLASH芯片中的網(wǎng)頁。根據(jù)具體的控制要求，設(shè)計(jì)不同的cgi程序，達(dá)到不同的目的。CPU本身是以軟核的方式實(shí)現(xiàn)，其功能可根據(jù)需要進(jìn)行定制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、容易升級(jí)， 靈活方便。

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