基于MicroBlaze軟核處理器的嵌入式Web服務器設計詳解

1 引言

由于Internet技術的滲透，嵌入式系統正變得越來越智能化并具有越來越多的網絡友好特性。Web技術的飛速發展，給嵌入式系統進入Internet提供絕佳的途徑。在現場儀表和企業設備層應用嵌入式技術是企業監控系統的發展趨勢。與現場總線技術相比，嵌入式技術不僅為開發者提供了大量的工具和函數庫，而且減少了傳統的客戶端，減少了二次開發的工作量；而把嵌入式技術和Internet技術結合起來，使得整個工控網絡易于和Internet實現無縫連接；現在多數企業控制網絡是通過專用線路進行數據通信，其通信介質、通信協議都是專用的，而Internet技術的滲透使嵌入式設備的遠程控制和管理方式都有了改變，不再需要專用的通信線路，傳輸的信息也不再局限于數據信息。Web技術的發展、通信協議的公開、HTML語言的標準統一性，使得只要在嵌入式設備中有一個微型服務器，通過用任意一種Web瀏覽器，用戶就可以監控現場數據和設備。

2 嵌入式軟核處理器MicroBlaze

MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，和其他外設IP核一起，可以完成可編程系統芯片（SoPc）的設計。MicroBlaze 32位軟處理芯核運行速度為150 MHz，性能達100 D-MIPS。采用RISC架構和哈佛結構的獨立32位指令和數據總線，可以全速度執行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序并訪問其中的數據。支持CoreConnect總線的標準外設集合為MicroBlaze設計人員提供了兼容性和重利用能力。MicroBlaze內部有32個32位通用寄存器和2個32位特殊寄存器PC指針和MSR狀態標志寄存器。為了提高性能，MicroBlaze還具有指令和數據緩存。所有的指令字長都是32位，有3個操作數和2種尋址模式。指令按功能劃分有邏輯運算、算術運算、分支、存儲器讀／寫和特殊指令等。指令執行的流水線是并行流水線，他分為3級流水：取指、譯碼和執行。

MicroBlaze軟處理器可為您提供不同方法的靈活性。首先可以從處理器內核開始，構建能夠準確滿足設計需要的外設集合。由于只需要實現自己所需要的部分，因此避免了芯片資源浪費。因為不需要編寫代碼關閉／禁止不需要的處理器功能，因此降低了軟件設計復雜性。創建專用處理器配置的工作也成為一項簡單的任務，而為了滿足技術規格的變化專用處理器配置隨時可能需要改變。即使在實際應用5～6年后，連FPGA硬件本身可能也已經接近其生命期的終點時，只需要簡單的利用同樣的C代碼將軟處理器內核移植到新的FPGA硬件中就可以。硬件平臺或許需要一定的PCB修改，但遺留下的代碼仍然是可用的，不需要修改。

3 系統結構

在系統結構設計上，考慮現有的各種嵌入式網絡實現方案，絕大多數嵌入式Internet都使用微控制器和相應的軟件來實現。本文介紹的嵌入式Web服務器的設計則是采用基于FPGA的MicroBlaze軟核處理器，其靈活性大大提高，而成本則可以大大降低，充分體現了可編程片上系統（SoPc）的優勢。系統主要支持CoreConnect總線的標準外設集合，DDR SDRAM主要用來存放軟件代碼以及一些需要保存的參數，BRAM用來在系統運行時的代碼和數據存儲；網絡接口芯片采用SMSC公司的IAN91C111芯片作為網絡接口。該器件是一個以太網控制器，實現了網絡7層協議棧中的物理層和MAC層的功能。他具有10 M／100 M自適應、雙工／半工自適應等功能，非常適合嵌入式網絡開發。LCD用來指示系統運行狀態。整個系統的結構如圖1所示。

4 硬件設計

本文在進行硬件設計的時候采用基于IP核的設計方法，并將大部分功能在單個FPGA芯片上予以實現。設計電路原理圖之前，必須根據系統需求選擇合適的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Verilog、VHDL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。根據系統的硬件開發環境以及性能需求，本文選擇Xilinx公司開發的一系列軟核產品，他們是用VHDL語言所描述的硬件模塊，允許用戶根據需要對各種參數進行配置，如數據通路帶寬、優先進行速度優化還是資源優化等，因而應用非常靈活。系統所用到的軟IP核產品有MicroBlaze，BRAM、定時器、通用異步收發器UART，以及用于外部功能擴展的OPB總線模塊。

硬件設計使用的是ISE可編程邏輯器件集成開發環境。提供從設計輸入到器件編程的全部功能。采用Xilinx公司的EDK開發工具可大大提高系統設計效率，他能夠在圖形化界面內定制一個從硬件到軟件的完整系統。在EDK中包含了外設與MicroBlaze的接口，所以只需定義CPU與外設的接口即可。設計采用的CPU為MicroBlaze僅占用900個邏輯單元。在EDK下添加對應接口模塊。然后生成對應的VHDL文件。同時，EDK還根據定制的結果，自動的生成針對特定硬件環境的C語言的頭文件以及函數庫，這在軟件設計中會極大地減少軟件開發人員的工作量。

本文采用的是Xilinx公司Virtex4系列FPGA芯片，最多能提供200 000個邏輯單元和多達64 kB的BRAM存儲空間。由于FPGA芯片具有可反復更改的特性，因此有助于硬件系統的改進和不斷升級。

由于在FPGA芯片上構造以太網物理層、MAC層電路較困難，本文將這些功能放到FPGA芯片的外面，使用LAN91C111芯片來實現以太網硬件接口功能。SMSC公司的LAN91C111是為了方便嵌入式應用系統連接到快速以太網而專門設計的，他實現CSMA／CD協議的物理層和媒體訪問控制層（MAC）兩個部分，并可以很方便地與許多嵌入式處理器進行數據交換。

5 軟件設計

軟件設計包括：操作系統移植、網絡協議棧設計、文件系統生成、應用級代碼編寫等部分。

5.1 操作系統

為了簡化設計，本文中的Web服務器采用單一線程，無需RTOS（實時操作系統）的支持。故采用EDK提供的僅支持單進程的standalone板支持包即可。

5.2 協議棧

系統采用的是EDK中包含針對MicroBlaze的網絡協議棧，隱藏了低層硬件細節，以類似于Unix套接字的方式實現一個精簡的網絡協議棧Xilnet。他支持以下一些網絡協議：IP，ARP，ICMP，UDP，TCP。調用如下函數初始化棧以及MAC地址和IP地址。

5.3 文件系統

為了支持HTTP協議，一個文件系統是必不可少的。本設計使用EDK提供的xilmfs文件系統對網頁的靜態頁面和圖片進行組織和存儲。

調用mfs_file_open（）和mfs_file_wrire（）函數打開和創建文件系統?？紤]到有限的系統資源，文件存放在DDR SDRAM中。

5.4 HTTP協議及其實現

嵌入式Web服務器技術的核心是HTTP（超文本傳送協議）引擎。HTTP是WWW上的協議。HTTP協議使Web服務器和瀏覽器可以通過Web交換數據。他是一種請求／響應協議，即服務器等待并響應客戶方請求。當用戶要瀏覽服務器上的一個網頁時，一個HTTP請求就會從用戶的瀏覽器發到HTTP服務器。服務器響應這個請求，把指定的網頁傳送回來，用戶才看到了網頁。HTTP協議不維護與客戶方的連接，他使用可靠的TCP連接，通常采用TCP的80端口?？蛻簦掌鱾鬏斶^程可分為4個基本步驟：瀏覽器與服務器建立連接；瀏覽器向服務器請求文檔；服務器響應瀏覽器請求；斷開連接。

服務器程序開始運行時，主進程就創建一個套接字，并與主機地址綁定到一起，隨后置為被動*狀態，等待客戶端連接請求的到來，分別有xilsock_socket（）創建一個套接字，xilsock_bind（）綁定，xilsock_listen（）*，xilsock_accept（）接收來完成。一旦接收一個連接，xilsock_acept（）會返回一個新的套接字描述符，主程序則開辟一個新的子程序來處理這個新的連接。這樣系統可以同時接收多個客戶端的請求。

如圖2所示，首先創建套接字，將套接字與本地地址和端口綁定，并設置套接字處于*狀態。Web服務器在接收一個連接請求后，讀取用戶的請求，根據用戶的請求進行相應的處理。

當請求位靜態文本時，文檔直接提交輸出，當請求位動態文本時，請求模塊自動調用腳本引擎，將腳本替換位現場數據，再提交輸出，當請求為帶參數的執行命令時，請求解析器調用命令執行模塊分析命令并控制監控前端。

這里并沒有采用通常的CGI（Common Gateway Interface）技術對請求信息進行處理，而是將活動頁面由加載進Web服務器的模塊處理，因此處理速度比CGI程序更快、更高效?；顒禹撁孢€可以處理表單、HTTP會話和方便的訪問數據庫。因此，活動頁面對動態Web頁面提供完整的服務器端支持。

6 結 語

本文介紹的基于MicroBlaze的嵌入式Web服務器可以實現預期功能，用戶可以通過IE瀏覽器瀏覽存儲到FLASH芯片中的網頁。

CPU本身是以軟核的方式實現，其功能可根據需要進行定制，非常靈活。EDK不但在硬件設計上提供了支持，在軟件上也為設計者提供了較好的支持，提供了現成的網絡協議棧。加上EDK提供的集成開發環境使得軟件開發更加便利。采用這種方式的控制系統具有控制分散、開放性好、使用簡單、穩定性好等優點，而且可以通過瀏覽器進行遠程多點監控和遠程支持，是未來控制系統發展的一個趨勢。