基于精簡TCP/IP協(xié)議棧的信息家電網(wǎng)絡服務器

關鍵詞：SIC33209 嵌入式系統(tǒng) TCP/IP協(xié)議棧 網(wǎng)絡服務器 信息家電 Internet

引言

S1C33209是EPSON公司推出的RISC結構的32位高性能CMOS微處理器，具有高速、低功耗、低電壓操作、精簡指令集等特點，提供乘與累加功能，既可用于辦公設備，也特別適用于需要高級數(shù)據(jù)處理的便攜設備，可以進行高速運算、靈活的I/O口控制和高效的數(shù)據(jù)操作。S1C33209具有8KB的內部RAM，其運算速率可達60MHz，加上優(yōu)化的多數(shù)為單時鐘周期的指令集，使S1C33209吞吐量大為提高。S1C33209比常規(guī)MCU有更快的運算速度及可靠的性能、可重復編程的結構，使得精簡的TCP/IP能夠在其中可靠運行。

1 硬件平臺結構及設計

信息家電遠程訪問時，通信數(shù)據(jù)量不大，10M以太網(wǎng)的通信速率即可滿足要求；其次信息家電對實時性的要求不高，可定位在秒級。

在這種情況下，構造了家電網(wǎng)絡硬件平臺服務器S1C-WebServer，其結構如圖1所示。S1C33-WebServer主要由三部分組成，即S1C33209微處理器、RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器（RealTek公司出品，100腳的TQFP封裝，最大速率10Mbps，自帶16KB的SRAM，工作在Ethernet II和IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BasetT下，全雙工，支持8位與16位數(shù)據(jù)總線，與NE2000兼容）、可擦寫Flash(采用Intel的E28F320，容量為4MB)?？紤]到Flash的擦寫在程序調試中不太方便，所以為S1C33209外圍擴展512KB的SDRAM。在S1C33209中，運行用戶程序和S1C33-Stack。在Flash中，存放S1C-WebServer的各種Web資源信息，綜可處理Web頁面、圖像文件等，與PC機上WebServer中的硬盤可以存儲大量的不同頁面。Flash的容量決定了WebServer的資源文件的大小。RTL9019AS是Ethernet控制器，負責S1C33209與Ethernet的數(shù)據(jù)傳遞。在信息家電已具備RS232或相關標準接口的條件下，使用家庭自動化總線HAB（Home Automation Bus）作為S1C33-WebServer與家庭網(wǎng)絡協(xié)議SHNP（Simple Home Networks Protocol）。家電通過RS232接口與S1C33-WebServer連接，經(jīng)由EEthernet接入Internet。

經(jīng)過分析，S1C33209與RTL8019AS讀寫時序是兼容的，而且MCU的讀寫時延比RTL8019AS小得多。MCU與RTL8019AS的連接如圖2所示。RTL8019AS的工作電壓為5V，而S1C33209的工作電壓為3.3V，所以RTL8019AS的數(shù)據(jù)線輸出需要電平的轉換。選用2個8位（采用16位數(shù)據(jù)總線）的具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能的74HC245來完成，由于S1C33209的輸出電平符合RTL8019AS輸入電平的要求，所以地址線可以直接相連，而不需電平轉換，RTL8019AD中斷信號（INT0）為高電平有效，在S1C33209中選用端口中斷輸入的K60端口與之相連。由于S1C33209的中斷有效方式（高、低電平或脈沖）可以根據(jù)對寄存器的設置調節(jié)），所以不用對INT0作反向或電平轉換。

2 精簡TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

構建的S1C33-Stack運行在以S1C33209嵌入式CPU為基礎的硬件平臺上，是一組可配置的多種Internet協(xié)議的組成。這些協(xié)議按照分層協(xié)議棧的方式組織，包括應用層的HTTP、DHCP、SMTP，傳輸層的TCP、UDP，網(wǎng)絡層的IP/ICMP、ARP，通過鏈路層和物理層（如Ethernet）進行數(shù)據(jù)的交互。S1C33-Stack的結構模型如圖3所示。S1C33-Stack利用S1C33的高速處理能力處理TCP/IP數(shù)據(jù)包，避免了在有限容量的RAM中緩存大量數(shù)據(jù)，使得控制器可以處理比內部RAM總線更多的數(shù)據(jù)包。利用嵌入的S1C33-Stack，Webserver能通過Hypertext Transfer Protocol(HTTP)與任何瀏覽器通信，能夠提供各種類型的資源，如HTML、圖片文件等。這些資源可以使用一種特殊的文件系統(tǒng)URI，被存放在容量為4MB的Flash中。這種文件系統(tǒng)可包含任意多的目錄，對URL的長度也沒有限制。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的可用資源有限，在此采用經(jīng)過裁減的TCP/IP協(xié)議棧―uIP。uIP協(xié)議主要包括TCP/IP協(xié)議組中的四個基本的協(xié)議：ARP、IP、ICMP、TCP。鏈路層協(xié)議，如PPP，則作為設備驅動在uIP底層實現(xiàn)。應用層協(xié)議，如HTTP、FTP、SMTP則作為應用程序在uIP上層實現(xiàn)。

（1）地址解析協(xié)議ARP

該協(xié)議將IP地址映射成以太網(wǎng)MAC地址。在uIP中，ARP的執(zhí)行依靠維持一張表來完成IP地址和MAC的地址的映射。當有一個IP數(shù)據(jù)包要發(fā)送到以太網(wǎng)上時，從ARP表中查詢相應的MAC地址。如果在ARP表中找不到IP地址則送出相應的ARP請求。當目的主機收到ARP請求報文后，發(fā)送ARP REPLY報文將請求的MAC地址送出。當收到ARP REPLY后，ARP表被更新。每隔10s，ARP表就被新新一次，舊的ARP表項將被刪除。每個ARP表項的生存周期是20min。

（2）網(wǎng)間協(xié)議IP

在uIP中，IP層的代碼有兩個功能：驗證到來的IP報文報頭的正確性，并且對TCP和ICMP報文實行分流。因為不考慮IP的分片和重組，uIP中IP層的代碼非常的精簡。

（3）網(wǎng)間報文控制協(xié)議ICMP

在uIP中，僅有一種類型的ICMP信息被實現(xiàn)：ICMP ECHO主要用于應用程序ping，檢查網(wǎng)絡是否連通。在uIP中，ICMP ECHO通常以一種很簡單的方式進行處理；將ICMP類型由“ECHO”改為“REPLY”，同時調整ICMP校驗，交換發(fā)送方和接收方的IP地址。

（4）傳送控制協(xié)議TCP

為了減少對內存的使用，在uIP中，TCP并不使用滑動窗口來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，到達的TCP報文并不進行緩沖而是立刻交給應用程序處理。但是應用程序本身可以對要發(fā)送的程序本身可以對要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行緩沖，因為每次連接中通常有若干的TCP報文要發(fā)送。uIP網(wǎng)絡通信模塊結構如圖4所示。

網(wǎng)絡通信需要要底層RTL8019AS驅動程序的支持，參考RTL8019AS與S1C33209的資料說明文檔，編寫出針對此系統(tǒng)的RTL8019AS驅動。

uIP并不緩存到達的數(shù)據(jù)包，當網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)包（在這里專指出太幀）到達網(wǎng)卡時，網(wǎng)卡驅動程序將暫存在網(wǎng)卡緩存中的數(shù)據(jù)包，一次一個的以DMA形式傳送到目標板上的RAM中。這時將會有一段代碼將到達目標板RAM中的數(shù)據(jù)包復制到全局數(shù)組uip_buf[]中，uIP協(xié)議棧程序隨后對uip_buf[]中的數(shù)據(jù)進行操作。

當上層應用程序或協(xié)議棧程序產(chǎn)生了向網(wǎng)絡上發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，也將數(shù)據(jù)包放入uip_buf[]。然后調用網(wǎng)卡驅動程序，將uip_buf[]中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡的緩存中，隨后發(fā)送到網(wǎng)絡中。

在此要說明一下協(xié)議棧與網(wǎng)卡驅動程序、應用程序之間的同步機制問題。在系統(tǒng)初始化的時候，通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調用vcre_tsk()創(chuàng)建三個任務：任務一(task1)，uIP協(xié)議棧；任務二（task2），家電監(jiān)控程序；任務三（idle_task），空閑任務。而網(wǎng)卡驅動程序則作為硬件中斷，由“檢測到網(wǎng)絡上傳過來數(shù)據(jù)包”事件激發(fā)。

整個協(xié)議棧程序流程圖如圖5所示。

任務一的優(yōu)先級最高，任務二次之，任務三的優(yōu)先級最低。當系統(tǒng)開始運行時，任務一首先進入RUN狀態(tài)，在任務一中加入系統(tǒng)調用wai_flg()，由于沒有網(wǎng)絡請求，任務一隨后進入WAIT狀態(tài)。此時任務二進入RUN狀態(tài)。當網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)包到達，網(wǎng)卡驅動程序作為硬件中斷開始執(zhí)行。在退出中斷前，通過系統(tǒng)調用set_flg()，將任務一期望的標志位置位。當中斷返回后，由于任務一的等待條件已經(jīng)滿足，任務一的優(yōu)先級又高于任務二，因此任務一進入RUN狀態(tài)，即uIP協(xié)議開始處理數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)絡上一直有數(shù)據(jù)包到達，則任務一和中斷程序不斷的切換。當網(wǎng)絡任務完成，返回到任務二的斷點處繼續(xù)向下執(zhí)行。

由于uIP不緩存網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，因此在任務一執(zhí)行的過程中，即uip_buf[]正在被操作時，將關閉所有中斷。這樣可以避免數(shù)據(jù)包被破壞，缺點是實時性差了一些，但是滿足本系統(tǒng)要求。

3 操作系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的操作系統(tǒng)是由EPSON公司提供的ROS33V31。ROS33是為S1C33系列MCU提供的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，符合uITRON 3.0標準。使用ROS33可以迅速、有效地開發(fā)針對打印機、PDA以及各類控制設備的嵌入式應用程序。

ROS33具有以下特點：

*支持uITRON 3.0標準――符合該標準的S級*最大任務數(shù)為255，采用優(yōu)先級調度機制，支持9種不同的優(yōu)先級，提供信號燈、郵箱、消息緩沖等多種通信機制：

*內核優(yōu)先并緊湊――最小可為1.7K；

*響應快――最快調度響應時間為7.8μS(CPU主頻為33MHz，下同)，最大中斷屏蔽時間為4.3μs ；

*高級語言支持――除匯編語言外，還支持基于ANSI標準的C語言編程。

注釋：μITRON將系統(tǒng)功能分成四級。R級（必要級）只提供包括實時、多任務OS所需的基本系統(tǒng)調用；S級（標準級）提供所有標準的系統(tǒng)調用；E級（擴展級）包括附加的和擴展的系統(tǒng)功能；C級（CPU依賴級）的系統(tǒng)功能依賴于具體的CPU和系統(tǒng)實現(xiàn)方式。

ROS33基本內核按功能劃分為6大部分：

*任務管理――負責系統(tǒng)中任務狀態(tài)的變遷；

*任務相關的同步管理――通過睡眠/喚醒、掛起/解掛等操作，處理相關任務及任務之間的同步關系；

*同步與通信――通過信號燈、事件、郵箱等通信機制，實現(xiàn)獨立任務之間的同步與通信；

*系統(tǒng)管理――對系統(tǒng)環(huán)境的管理；

*時鐘管理――日歷時鐘、定時器、定時任務等的管理；

*中斷管理――開/關中斷。

圖6給出了ROS33內核的概念模型。

4 Web服務器及上層應用程序框架

WEB服務器所采用的方式稱為uip_connect,比通常在設計中所使用的Socket套接字更適合于嵌入式系統(tǒng)下面即是WEB服務器的大體框架。

#includeuip.h>

void http_listen_init(void){

uip_listen(80);

} //http listen初始化

void listen_init(void){

http_listen_init();

}

void application(void){

if(uip_connected()) //如果當前的連接狀態(tài)為connected

switch (uip_conn->lport){

case htons(80):

httpd; //如果80 PORT有數(shù)據(jù)到達，則調用HTTP處理HTML文件的傳送

}

}

首先，服務器與客戶機建立連接，再通過偵聽端口80，判斷是否有客戶請求到達，若有則將調用應用程序httpd進行相應處理，否則，繼續(xù)偵聽。Httpd是用于處理HTTP請求的應用程序，具體設計在協(xié)議棧uIP中有描述。uip.h是協(xié)議uIP的一個頭文件。

在應用軟件上實現(xiàn)簡單WEB服務器功能，其主要由兩個模塊構成：一是用戶登陸模塊；二是家電監(jiān)控模塊。用戶登陸模塊需要解決用戶的合法性檢查，即接收用戶輸入的用戶名和密碼，進行校驗，合法則進入家單監(jiān)控頁面，非法則發(fā)出警告頁面。家電監(jiān)控模塊針對各家電的硬件情況，收集信息家電的狀態(tài)碼，并通過網(wǎng)頁形式顯示。

在兩個模塊中，有一部分相似的處理，即對輸入的數(shù)據(jù)進行解析。現(xiàn)在定義數(shù)組htmlinputs來存放解析后的信息。對表單輸入的數(shù)據(jù)進行解析后，將其name值和value值分別存放在htmlinput_struct.name和htmlinput_struct.value里，便于以后的處理。變量htmlinputcount存放表單里輸入變量的個數(shù)。定義如下：

struct htmlinput_struct htmlinputs[100];

int htmlinputcount=0;

除此外，定義函數(shù)get_inputs()和translate()對輸入的數(shù)據(jù)進行處理。

Int get_inputs();//將從表單輸入的數(shù)據(jù)分別裝到對應的name/value數(shù)據(jù)隊中

Void translate(char*sourcestr);//解讀編碼URL字符

具體程序代碼在此就不再多述。

整個上層應用程序的流程圖如圖7所示。

5 小結

以太網(wǎng)作為接口，以S1C33系列微處理器為硬件平臺，利用軟件化的精簡嵌入式TCP/IP，能夠實現(xiàn)HTTP服務。當然在系統(tǒng)成熟的條件下，還可以考慮把以太網(wǎng)接口替換為無線網(wǎng)絡接口。本文為信息家電網(wǎng)絡接入Internet提供了一種無需額外的PC或網(wǎng)關設備的解決方案。這種低成本、高性能的方案，具有可靠、靈活的特點，適用于通信速率不太、允許時延大于1s且需要連接Internet的家庭自動化設備。此外用戶還可以根據(jù)需要，按照此方法，構造自己的網(wǎng)絡服務器，可為普通的電氣設備或系統(tǒng)如公共服務設備、家庭醫(yī)療保健設備、工業(yè)自動化系統(tǒng)等，賦予接入Internet的能力。