1 引言

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)，是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等先進技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有可靠性高，成本低，體積小，功耗少的特點，可廣泛應(yīng)用于家電、工業(yè)、通信、國防等領(lǐng)域。FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74電路，都可以用它來實現(xiàn)，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著Internet技術(shù)應(yīng)用到各種嵌入式系統(tǒng)中的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也倍受關(guān)注。B／S（Brower／Server）模式現(xiàn)在已經(jīng)成為流行的開發(fā)模式，B／S訪問模式是WEB Server和Browser之間的直接訪問，客戶和服務(wù)器間的中間節(jié)點不對HTTP請求及響應(yīng)做任何操作，只需在客戶端采用如IE這樣的瀏覽器對服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進行瀏覽，不用開發(fā)客戶端程序。采用B／S結(jié)構(gòu)具有分布性特點，可以隨時隨地進行業(yè)務(wù)處理；系統(tǒng)維護或升級只在服務(wù)器端，對客戶端無須進行改動，只需要改變服務(wù)器端網(wǎng)頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新，易于維護和升級；開發(fā)簡單，共享性強。因此，研究在FPGA上實現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server， EWS）很有必要。

2 WEB相關(guān)技術(shù)

Web全稱為World Wide Web，縮寫為WWW，它通過HTTP協(xié)議以及超文本（Hypertext）技術(shù)將各種各樣的信息資源組織在一起形成一個巨大的多媒體信息網(wǎng)。Web系統(tǒng)的工作過程大致可以歸納為以下幾個步驟：

① 用戶啟動瀏覽器，并在瀏覽器中指定一個 URL，瀏覽器向該URL所指向的Web服務(wù)器發(fā)出請求。

② Web服務(wù)器接到請求后，解析請求，如果URL所指向的是普通的HTML文檔，Web服務(wù)器直接將它送給瀏覽器。HTML文檔中可能包含有java、javaScript、ActiveX、VBS等編寫的小應(yīng)用程序，服務(wù)器也將其隨HTML一起傳送到瀏覽器，并在瀏覽器所在的機器上運行。

③ 如果HTML文檔中嵌有CGI程序，Web服務(wù)器就運行CGI，并將結(jié)果以HTML格式傳送至瀏覽器。

2.1 HTTP

HTTP（超文本傳輸協(xié)議）是Web服務(wù)器用來與瀏覽器通信的協(xié)議，HTTP規(guī)定了發(fā)送和處理請求的標(biāo)準(zhǔn)方式，規(guī)定了瀏覽器和服務(wù)器之間傳輸?shù)南⒏袷郊案鞣N控制信息，從而定義了所有Web通信的基本框架。它工作于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，HTTP協(xié)議的詳細說明可以在網(wǎng)上查閱RFC2518、RFC2616等文檔。HTTP 協(xié)議老的標(biāo)準(zhǔn)是HTTP/1.0，目前最通用的標(biāo)準(zhǔn)是HTTP/1.1。HTTP/1.1是在HTTP/1.0基礎(chǔ)上的升級，增加了一些功能，全面兼容HTTP/1.0，目前的Web服務(wù)器絕大多數(shù)都采用了HTTP/1.1。基于HTTP協(xié)議的B/S模式的信息交換分四個過程，建立連接、發(fā)送請求信息、發(fā)送響應(yīng)信息和關(guān)閉連接。HTTP請求消息的格式為：請求消息=請求行（通用信息|請求頭|實體頭）CRLF［實體內(nèi)容］。HTTP的響應(yīng)消息格式為：響應(yīng)消息=狀態(tài)行（通用信息頭|響應(yīng)頭|實體頭）CRLF〔實體內(nèi)容〕。

2.2 超文本標(biāo)記語言HTML

HTML是一種超文本標(biāo)識語言，是構(gòu)成Web頁面的主要工具，它是一種用于因特網(wǎng)文檔的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記語言，是由歐洲原子核研究委員會（CERN）創(chuàng)造出的一種新的計算機語言。HTML是用來格式化WWW頁面的一組規(guī)則，HTML文本是由HTML命令組成的描述型文本，HTML命令可以說明文字、圖形、動畫、聲音、表格、鏈接等等，HTML的連接能力可以使文本中的每一個詞或圖形連接到Internet中相同或不同位置的另一個文本或另一種媒體信息，用戶通過瀏覽器讀取HTML文本并得到相應(yīng)媒體表達的效果。

2.3 CGI原理

CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）是Web服務(wù)器與CGI腳本之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。其主要功能是在Web環(huán)境下，從客戶端傳送一些信息給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器把接收到的有關(guān)信息放入環(huán)境變量，然后再去啟動所指定的CGI腳本以完成特定的工作，CGI腳本從環(huán)境變量中獲取相關(guān)信息來運行，最后以HTML格式輸出相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果返回給瀏覽器端。由于用戶能傳遞不同的參數(shù)給CGI腳本，所以CGI技術(shù)使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有交互性。

2.4嵌入式Web服務(wù)器

嵌入式Web服務(wù)器是指將Web服務(wù)器引入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，以Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備［2，3］。

2.5 FPGA的Nios II軟核處理器

NIOS II嵌入式處理器是Altera公司于2004年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，性能超過200 DMIPS。NIOS II采用了基于RISC架構(gòu)的32位指令集，能與用戶邏輯相結(jié)合，使用Altera 公司的Quartus Ⅱ軟件以及SOPC Builder 工具，可以將NIOS Ⅱ處理器嵌入到系統(tǒng)中，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖。它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設(shè)計，也為可編程單芯片系統(tǒng)（SoPC）設(shè)計了一套綜合解決方案。NIOS II處理器系列包括三種內(nèi)核：一種是高性能的內(nèi)核（NIOS II/f）；一種是低成本內(nèi)核（NIOS II/e）；一種是性能/成本折中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核（NIOS II/s），是前兩種的平衡。

NIOS II 處理器支持256 個具有固定或可變時鐘周期操作的定制指令；允許NIOS II設(shè)計人員利用擴展CPU指令集，最多達256 個用戶定義的CPU 指令，通過提升那些對時間敏感的應(yīng)用軟件的運行速度，來提高系統(tǒng)性能；基于JTAG邊界掃描測試的調(diào)試邏輯，支持硬件斷點，數(shù)據(jù)觸發(fā)，以及片外和片內(nèi)的調(diào)試跟蹤；可配置外設(shè)達60 多個，提供種類繁多的配置選擇，包括以太網(wǎng)、USB、存儲控制器等；提供了Berkeley socket API支持IP、ICMP、UDP 和帶擁塞控制的TCP、RTT 固件及快速恢復(fù)/ 快速重傳；支持MicroC/OSⅡ RTOS提供源碼的操作系統(tǒng)，支持航空設(shè)備RTCA DO2178B 標(biāo)準(zhǔn)的強制要求。

3 嵌入式WEB服務(wù)器的設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。硬件系統(tǒng)的核心是構(gòu)建于Altera Cyclone中的NIOS II嵌入式軟核處理器。NIOS II采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核。通過以太網(wǎng)接口，建立與Internet的聯(lián)系。以太網(wǎng)接口采用DM9000A。

SOPC Builder組合設(shè)置如圖2所示。

3.2 軟件設(shè)計

嵌入式Web服務(wù)器和瀏覽器之間遵循HTTP協(xié)議，因此系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

HTTP協(xié)議的實現(xiàn)是關(guān)鍵。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，WEB服務(wù)器監(jiān)聽80端口，接受瀏覽器的請求消息。得到請求消息后，系統(tǒng)根據(jù)HTTP的格式進行解碼。如果請求得到靜止的網(wǎng)頁文件，就到保存在FLASH中的文件系統(tǒng)中查找并處理相應(yīng)的請求。如果請求得到動態(tài)的網(wǎng)頁信息，執(zhí)行動態(tài)網(wǎng)頁生成程序，并把執(zhí)行的結(jié)果返回到瀏覽器端。由于FPGA上的資源有限，也因為嵌入式WEB的應(yīng)用系統(tǒng)不像PC機上的WEB服務(wù)器的要求那么高，所以動態(tài)網(wǎng)頁生成程序只需要完成必需的功能就可以了。為了方便系統(tǒng)對瀏覽器請求的解析，我們采用如下方式：靜態(tài)的網(wǎng)頁文件我們統(tǒng)一采用后綴為HTML的文件保存在Flash中，文件系統(tǒng)采用只讀的ZIP文件系統(tǒng)；動態(tài)的網(wǎng)頁文件的請求我們采用后綴為JSP的格式。因此，當(dāng)解析請求為請求得到HTML格式的文件時，我們返回靜態(tài)的網(wǎng)頁文件；當(dāng)解析請求為請求得到JPS格式的文件時，我們把它請求的參數(shù)生成網(wǎng)頁文件，返回到瀏覽器端；如果不是請求以上兩種類型的文件，系統(tǒng)返回靜態(tài)的錯誤提示網(wǎng)頁文件。系統(tǒng)的流程如圖4所示。在系統(tǒng)的實現(xiàn)上，應(yīng)注意配置文件系統(tǒng)，把靜態(tài)的網(wǎng)頁文件壓縮到ZIP文件包中，注意壓縮時壓縮模式選擇Store模式，否則會出錯。編譯后的程序下載到FPGA上，連接好網(wǎng)線，就可以測試了。實驗證明達到了預(yù)期的要求。

4 結(jié)束語

本文分析和介紹了嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的主要內(nèi)容，描述了NIOS II嵌入式軟核處理器技術(shù)，提出了基于FPGA的嵌入式WEB服務(wù)器的實現(xiàn)方案。本系統(tǒng)在NIOS II嵌入式軟核處理器的基礎(chǔ)上，采用MicroC/OS-II實時操作系統(tǒng)，移植LWIP協(xié)議棧，在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了HTTP協(xié)議，從而實現(xiàn)了FPGA芯片上的提供靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)頁功能的嵌入式WEB服務(wù)器，為基于嵌入式WEB的智能儀表、網(wǎng)絡(luò)測控和遠程監(jiān)控系統(tǒng)提供一個優(yōu)秀的通信平臺。

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