一種用VHDL設(shè)計(jì)嵌入式Web Server的方案

摘要： 近幾年嵌入式Internet開始迅猛發(fā)展，但絕大多數(shù)嵌入式Internet都使用微控制器和相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文介紹一種基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web Server的方案。該方案的核心思想是用VHDL語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并且用FPGA進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： VHDL Internet協(xié)議 控制信息協(xié)議 數(shù)據(jù)報(bào)

最近幾年隨著Internet應(yīng)用的迅猛發(fā)展，Internet的通信協(xié)議，特別是TCP/IP協(xié)議，已成為嵌入式Internet的主體構(gòu)架；然而，僅僅使用嵌入TCP/IP協(xié)議對(duì)許我應(yīng)用來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它們要求更高層次的信息傳輸和交換方式。在原有嵌入TCP/IP協(xié)議基于上加入HTTP/1.1將構(gòu)成一個(gè)功能較為簡(jiǎn)單的嵌入式Web Server，它可以接收和發(fā)送一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)和命令。如果再將這些嵌入通信協(xié)議和Web功能用VHDL來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，將大大降低嵌入成本，滿足嵌入式產(chǎn)品對(duì)Web功能的要求。

1 嵌入式Web Server中的協(xié)議裁減

嵌入式Web Server中用到的通信協(xié)議較多，若全部采用，將導(dǎo)致整個(gè)嵌入式Web Server異常復(fù)雜，而且費(fèi)用顯著增加。因此，為保證嵌入式Web Server最簡(jiǎn)化，必須對(duì)一些主要的通信協(xié)議進(jìn)行相關(guān)的裁減，減小整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

1.1 IP協(xié)議

IP在網(wǎng)絡(luò)中主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)基本功能：尋址和分段。IP可以根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭中包括的目的地址將數(shù)據(jù)報(bào)傳送到目的地。在此過(guò)程中，IP負(fù)責(zé)選擇傳送的通道。如果有些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只能傳送小的數(shù)據(jù)報(bào)，IP可以將數(shù)據(jù)報(bào)重新組裝并在報(bào)頭域內(nèi)說(shuō)明。

在嵌入式Web Server中，由于只需傳送一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)和命令，數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度很小，足以適合在任何網(wǎng)絡(luò)中傳送，因此對(duì)于分段的功能可以裁減不要。

IP數(shù)據(jù)包頭如圖1所示。

在IP數(shù)據(jù)包頭中，服務(wù)類型是指一些服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)，這些參數(shù)用于在特定網(wǎng)絡(luò)指示所需要的服務(wù)。而選項(xiàng)包括時(shí)間戳，安全和特殊路由，在數(shù)據(jù)包中可以沒有。因此，為簡(jiǎn)化嵌入Web Server的復(fù)雜程度，這2個(gè)字段都可以忽略，而且不用作任何處理。標(biāo)識(shí)是發(fā)送時(shí)用于幫助重組分段包的，段偏移量是指示這個(gè)段在數(shù)據(jù)報(bào)中什么位置。由于不采用分段功能，因此這些字段都無(wú)須考慮也不用作任何處理，而且標(biāo)記字段第2位必須為1，表示是不可分段的。

1.2 ICMP協(xié)議裁減

ICMP協(xié)議用于報(bào)告在數(shù)據(jù)報(bào)過(guò)程中的錯(cuò)誤，它在以下幾種情況下發(fā)送ICMP消息：未達(dá)目的地、超時(shí)、參數(shù)總是、源擁塞、重定向、回送或回送響應(yīng)、時(shí)間戳和時(shí)間戳響應(yīng)、信息請(qǐng)求或信息響應(yīng)。

由于嵌入式Web Server只是一個(gè)具有簡(jiǎn)單Web功能的模塊，并且它對(duì)外部傳感器和網(wǎng)絡(luò)之間只是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸和命令的發(fā)布；因此跟成本相比較而言，許多可靠性措施可以忽略不計(jì)，只考慮一些必要。在ICMP消息報(bào)告中，回送或回送響應(yīng)消息、信息請(qǐng)求或信息響應(yīng)消息在網(wǎng)絡(luò)信息處理中至關(guān)重要，因此予以采用；其它消息報(bào)告可以忽略，保證嵌入式Web Server最簡(jiǎn)化。

1.3 TCP協(xié)議裁減

TCP，即傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的傳輸層協(xié)議。通過(guò)使用序列號(hào)和確認(rèn)信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息。當(dāng)傳送過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失情況時(shí)，TCP協(xié)議可以重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)成功到達(dá)接收方或者出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)超時(shí)為止。TCP協(xié)議還可以識(shí)別重復(fù)信息，丟棄不需要的多余信息。使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境得到優(yōu)化。如果發(fā)送方傳送數(shù)據(jù)的速度大大快于接收方接收數(shù)據(jù)的速度，TCP協(xié)議可以發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)響應(yīng)。TCP協(xié)議能夠把數(shù)據(jù)傳送信息傳遞給所支持的更高層次的協(xié)議或應(yīng)用使用。

但在嵌入式Web Server中，考慮到實(shí)現(xiàn)的情況和復(fù)雜性，對(duì)于TCP協(xié)議，除了采用數(shù)據(jù)包傳送機(jī)外，重新發(fā)送和數(shù)據(jù)流控制機(jī)制都可以忽略不計(jì)。因此在嵌入式Web Server中，只傳送一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)和命令，而且數(shù)據(jù)量很少，因此，在系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，只需在其它客戶端或訪問(wèn)端上用流量控制機(jī)制就可以了。同時(shí)由于嵌入式Web Server功能簡(jiǎn)單，重新發(fā)送的可靠性不大；如果真的要求重發(fā)的話，可以與嵌入式Web Server重新進(jìn)行連接，來(lái)完成傳送任務(wù)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

由于TCP協(xié)議、IP協(xié)議和ICMP協(xié)議被簡(jiǎn)化，整個(gè)協(xié)議的處理只需由協(xié)議狀態(tài)機(jī)來(lái)完成。它須負(fù)責(zé)接收IP數(shù)據(jù)報(bào)、做相應(yīng)的檢驗(yàn)和消息處理、協(xié)議解釋、根據(jù)接收到的信息進(jìn)行TCP狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、構(gòu)造IP發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。

整個(gè)嵌入式Web Server的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式Web Server由本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理器、TCP處理器、IP數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送處理及存儲(chǔ)器、嵌入式Web Server IP的地址寄存器、傳感器數(shù)據(jù)采集接口組成。在嵌入式Web Server的傳感器數(shù)據(jù)采集接口的數(shù)據(jù)直接傳送到主頁(yè)存儲(chǔ)器中。

IP數(shù)據(jù)報(bào)處理檢查數(shù)據(jù)報(bào)是否發(fā)送給嵌入式Web Server以及是否有效。

TCP狀態(tài)機(jī)是一個(gè)簡(jiǎn)化的TCP連接過(guò)程，只有6個(gè)狀態(tài)，不包括錯(cuò)誤情況和錯(cuò)誤處理。

HTTP的存儲(chǔ)器包含了接收到的HTTP的報(bào)頭。如果接收到的IP包體有一個(gè)有效HTTP載荷，那么HTTP/1.0協(xié)議解釋器會(huì)搜索存儲(chǔ)器尋找相應(yīng)的回答。IP數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)造器根據(jù)HTTP/1.0協(xié)議解釋器搜索結(jié)果構(gòu)造發(fā)送的包體。其中地址、端口號(hào)、確認(rèn)號(hào)、序列號(hào)是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包體產(chǎn)生的，而校驗(yàn)碼是根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。其它信息則是從數(shù)據(jù)接口和主頁(yè)內(nèi)存中形成的。

整個(gè)硬件設(shè)計(jì)采用了VHDL語(yǔ)言，采用Xilinx的FPGA進(jìn)行仿真。

3 VHDL設(shè)計(jì)

整個(gè)嵌入式Web Server的具體的VHDL設(shè)計(jì)在這里不多說(shuō)明，只介紹其核心的TCP狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序和轉(zhuǎn)移條件的設(shè)計(jì)。整個(gè)協(xié)議狀態(tài)機(jī)有6種狀態(tài)，還可以分離出6種事件，這些事件的發(fā)生可以引起狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

SYN表示連接請(qǐng)求；ACK（SYN）表示連接確認(rèn)；RST表示拒絕建立連接；FIN（CLOSE）主動(dòng)關(guān)閉連接請(qǐng)求；ACK（FIN）關(guān)閉連接確認(rèn)；TIME OUT計(jì)時(shí)等待結(jié)束。

TCP狀態(tài)機(jī)的VHDL的設(shè)計(jì)代碼省略。

4 結(jié)論

嵌入式Web Server的網(wǎng)絡(luò)連接既可以采用以太網(wǎng)方式，也可以采用藍(lán)牙技術(shù)，這可以根據(jù)需要來(lái)選定。采用硬件來(lái)解決嵌入式Web Server，關(guān)鍵在于它的復(fù)雜度很低，而且可以根據(jù)需要嵌入到相應(yīng)的運(yùn)用系統(tǒng)的芯片中去，減少了開發(fā)時(shí)間，降低了成本。采用VHDL使設(shè)計(jì)移植更加方便。