基于MicroBlaze嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

1、基于microblaze嵌入式web服務(wù)器設(shè)計因為internet技術(shù)的滲透，系統(tǒng)正變得越來越智能化并具有越來越多的網(wǎng)絡(luò)友好特性。web技術(shù)的飛快進展，給嵌入式系統(tǒng)進入internet提供絕佳的途徑。在現(xiàn)場儀表和企業(yè)設(shè)備層應(yīng)用嵌入式技術(shù)是企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的進展趨勢。與現(xiàn)場技術(shù)相比，嵌入式技術(shù)不僅為開發(fā)者提供了大量的工具和函數(shù)庫，而且削減了傳統(tǒng)的客戶端，削減了二次開發(fā)的工作量；而把嵌入式技術(shù)和internet技術(shù)結(jié)合起來，使得囫圇工控網(wǎng)絡(luò)易于和internet實現(xiàn)無縫銜接；現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是通過專用線路舉行數(shù)據(jù)通信，其通信介質(zhì)、通信協(xié)議都是專用的，而internet技術(shù)的滲透使嵌入式設(shè)備的遠程控

2、制和管理方式都有了轉(zhuǎn)變，不再需要專用的通信線路，傳輸?shù)男畔⒁膊辉倬窒抻跀?shù)據(jù)信息。web技術(shù)的進展、通信協(xié)議的藏匿、html語言的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性，使得只要在嵌入式設(shè)備中有一個微型服務(wù)器，通過用隨意一種web掃瞄器，用戶就可以監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設(shè)備。2 嵌入式軟核處理器microblazemicroblaze是基于公司的微處理器ip核，和其他外設(shè)ip核一起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片(sopc)的設(shè)計。microblaze 32位軟處理芯核運行速度為150 mhz，性能達100 d-。采納risc架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的自立32位命令和數(shù)據(jù)總線，可以全速度執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序并拜訪其中的數(shù)據(jù)。支持

3、coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合為microblaze設(shè)計人員提供了兼容性和重利用能力。microblaze內(nèi)部有32個32位通用寄存器和2個32位特別寄存器pc指針和msr狀態(tài)標(biāo)記寄存器。為了提高性能，microblaze還具有命令和數(shù)據(jù)緩存。全部的命令字長都是32位，有3個操作數(shù)和2種尋址模式。命令按功能劃分有規(guī)律運算、算術(shù)運算、分支、存儲器讀寫和特別命令等。命令執(zhí)行的流水線是并行流水線，他分為3級流水：取指、譯碼和執(zhí)行。microblaze軟處理器可為您提供不同辦法的靈便性。首先可以從處理器內(nèi)核開頭，構(gòu)建能夠精確滿足設(shè)計需要的外設(shè)集合。因為只需要實現(xiàn)自己所需要的部分，因此避開了芯

4、片資源鋪張。由于不需要編寫代碼關(guān)閉禁止不需要的處理器功能，因此降低了軟件設(shè)計復(fù)雜性。創(chuàng)建專用處理器配置的工作也成為一項容易的任務(wù)，而為了滿足技術(shù)規(guī)格的變幻專用處理器配置隨時可能需要轉(zhuǎn)變。即使在實際應(yīng)用56年后，連fpga硬件本身可能也已經(jīng)臨近其生命期的盡頭時，只需要容易的利用同樣的c代碼將軟處理器內(nèi)核移植到新的fpga硬件中就可以。硬件平臺或許需要一定的修改，但遺留下的代碼仍然是可用的，不需要修改。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，考慮現(xiàn)有的各種嵌入式網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)計劃，絕大多數(shù)嵌入式internet都用法微控制器和相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)。本文介紹的嵌入式web服務(wù)器的設(shè)計則是采納基于fpga的microbl

5、aze軟核處理器，其靈便性大大提高，而成本則可以大大降低，充分體現(xiàn)了可編程片上系統(tǒng)(sopc)的優(yōu)勢。系統(tǒng)主要支持coreconnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合，ddr sdram主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數(shù)，bram用來在系統(tǒng)運行時的代碼和數(shù)據(jù)存儲；網(wǎng)絡(luò)接口芯片采納smsc公司的ian91c111芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口。該器件是一個以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議棧中的物理層和mac層的功能。他具有10 m100 m自適應(yīng)、雙工半工自適應(yīng)等功能，十分適合嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。用來指示系統(tǒng)運行狀態(tài)。囫圇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1所示。4 硬件設(shè)計本文在舉行硬件設(shè)計的時候采納基于ip核的設(shè)計辦法，并將大部分功能在

6、單個fpga芯片上予以實現(xiàn)。設(shè)計原理圖之前，必需按照系統(tǒng)需求挑選合適的ip核。所謂ip核，是指那些以硬件形式(硅片版圖)或者軟件形式(用、描述的rtl或者門級模型)存在的、具有特定功能的硬件電路。ip核通常分為硬核、固核與軟核3種。按照系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境以及性能需求，本文挑選xilinx公司開發(fā)的一系列軟核產(chǎn)品，他們是用vhdl語言所描述的硬件模塊，允許用戶按照需要對各種參數(shù)舉行配置，如數(shù)據(jù)通路帶寬、優(yōu)先舉行速度優(yōu)化還是資源優(yōu)化等，因而應(yīng)用十分靈便。系統(tǒng)所用到的軟ip核產(chǎn)品有microblaze，bram、定時器、通用異步uart，以及用于外部功能擴展的opb總線模塊。硬件設(shè)計用法的是ise可

7、編程規(guī)律器件集成開發(fā)環(huán)境。提供從設(shè)計輸入到器件編程的所有功能。采納xilinx公司的edk開發(fā)工具可大大提高系統(tǒng)設(shè)計效率，他能夠在圖形化界面內(nèi)定制一個從硬件到軟件的完整系統(tǒng)。在edk中包含了外設(shè)與microblaze的接口，所以只需定義cpu與外設(shè)的接口即可。設(shè)計采納的cpu為microblaze僅占用900個規(guī)律單元。在edk下添加對應(yīng)接口模塊。然后生成對應(yīng)的vhdl文件。同時，edk還按照定制的結(jié)果，自動的生成針對特定硬件環(huán)境的的頭文件以及函數(shù)庫，這在軟件設(shè)計中會極大地削減軟件開發(fā)人員的工作量。本文采納的是xilinx公司virtex4系列fpga芯片，最多能提供200 000個規(guī)律單元和

8、多達64 kb的bram存儲空間。因為fpga芯片具有可反復(fù)更改的特性，因此有助于硬件系統(tǒng)的改進和不斷升級。因為在fpga芯片上構(gòu)造以太網(wǎng)物理層、mac層電路較困難，本文將這些功能放到fpga芯片的外面，用法lan91c111芯片來實現(xiàn)以太網(wǎng)硬件接口功能。smsc公司的lan91c111是為了便利嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)銜接到迅速以太網(wǎng)而特地設(shè)計的，他實現(xiàn)csmacd協(xié)議的物理層和媒體拜訪控制層(mac)兩個部分，并可以很便利地與許多嵌入式處理器舉行數(shù)據(jù)交換。5 軟件設(shè)計軟件設(shè)計包括：操作系統(tǒng)移植、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計、文件系統(tǒng)生成、應(yīng)用級代碼編寫等部分。5.1 操作系統(tǒng)為了簡化設(shè)計，本文中的web服務(wù)器采納

9、單一線程，無需rtos(實時操作系統(tǒng))的支持。故采納edk提供的僅支持單進程的standalone板支持包即可。5.2 協(xié)議棧系統(tǒng)采納的是edk中包含針對microblaze的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，躲藏了低層硬件詳情，以類似于unix套接字的方式實現(xiàn)一個精簡的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧xilnet。他支持以下一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：ip，arp，icmp，udp，tcp。調(diào)用如下函數(shù)初始化棧以及mac地址和ip地址。5.3 文件系統(tǒng)為了支持http協(xié)議，一個文件系統(tǒng)是必不行少的。本設(shè)計用法edk提供的xilmfs文件系統(tǒng)對網(wǎng)頁的靜態(tài)頁面和舉行組織和存儲。調(diào)用mfs_file_open()和mfs_file_wrire()函數(shù)打開

10、和創(chuàng)建文件系統(tǒng)?？紤]到有限的系統(tǒng)資源，文件存放在ddr sdram中。5.4 http協(xié)議及其實現(xiàn)嵌入式web服務(wù)器技術(shù)的核心是http(超文本傳送協(xié)議)引擎。http是www上的協(xié)議。http協(xié)議使web服務(wù)器和掃瞄器可以通過web交換數(shù)據(jù)。他是一種哀求響應(yīng)協(xié)議，即服務(wù)器等待并響應(yīng)客戶方哀求。當(dāng)用戶要掃瞄服務(wù)器上的一個網(wǎng)頁時，一個http哀求就會從用戶的掃瞄器發(fā)到http服務(wù)器。服務(wù)器響應(yīng)這個哀求，把指定的網(wǎng)頁傳送回歸，用戶才看到了網(wǎng)頁。http協(xié)議不維護與客戶方的銜接，他用法牢靠的tcp銜接，通常采納tcp的80端口?？蛻舴?wù)器傳輸過程可分為4個基本步驟：掃瞄器與服務(wù)器建立銜接；掃瞄器向服

11、務(wù)器哀求文檔；服務(wù)器響應(yīng)掃瞄器哀求；斷開銜接。服務(wù)器程序開頭運行時，主進程就創(chuàng)建一個套接字，并與主機地址綁定到一起，隨后置為被動*狀態(tài)，等待客戶端銜接哀求的到來，分離有xilsock_socket()創(chuàng)建一個套接字，xilsock_bind()綁定，xilsock_listen()*，xilsock_accept()接收來完成。一旦接收一個銜接，xilsock_acept()會返回一個新的套接字描述符，主程序則開拓一個新的子程序來處理這個新的銜接。這樣系統(tǒng)可以同時接收多個客戶端的哀求。2所示，首先創(chuàng)建套接字，將套接字與本地地址和端口綁定，并設(shè)置套接字處于*狀態(tài)。web服務(wù)器在接收一個銜接哀求后

12、，讀取用戶的哀求，按照用戶的哀求舉行相應(yīng)的處理。當(dāng)哀求位靜態(tài)文本時，文檔挺直提交輸出，當(dāng)哀求位動態(tài)文本時，哀求模塊自動調(diào)用腳本引擎，將腳本替換位現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再提交輸出，當(dāng)哀求為帶參數(shù)的執(zhí)行指令時，哀求解析器調(diào)用指令執(zhí)行模塊分析指令并控制監(jiān)控前端。這里并沒有采納通常的cgi(common gateway interface)技術(shù)對哀求信息舉行處理，而是將活動頁面由加載進web服務(wù)器的模塊處理，因此處理速度比cgi程序更快、更高效。活動頁面還可以處理表單、http會話和便利的拜訪數(shù)據(jù)庫。因此，活動頁面向動態(tài)web頁面提供完整的服務(wù)器端支持。6 結(jié) 語本文介紹的基于microblaze的嵌入式web服務(wù)器可以實現(xiàn)預(yù)期功能，用戶可以通過ie掃瞄器掃瞄存儲到flash芯片中的網(wǎng)頁