一種用VHDL設計嵌入式Web Server的方案

關鍵詞：VHDL Internet協(xié)議 控制信息協(xié)議 數據報

最近幾年隨著Internet應用的迅猛發(fā)展，Internet的通信協(xié)議，特別是TCP/IP協(xié)議，已成為嵌入式Internet的主體構架；然而，僅僅使用嵌入TCP/IP協(xié)議對許我應用來說遠遠不夠，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將構成一個功能較為簡單的嵌入式Web Server，它可以接收和發(fā)送一些簡單的數據和命令。如果再將這些嵌入通信協(xié)議和Web功能用VHDL來實現的話，將大大降低嵌入成本，滿足嵌入式產品對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，將導致整個嵌入式Web Server異常復雜，而且費用顯著增加。因此，為保證嵌入式Web Server最簡化，必須對一些主要的通信協(xié)議進行相關的裁減，減小整個硬件設計的復雜性。

1.1 IP協(xié)議

IP在網絡中主要實現2個基本功能：尋址和分段。IP可以根據數據報頭中包括的目的地址將數據報傳送到目的地。在此過程中，IP負責選擇傳送的通道。如果有些網絡內只能傳送小的數據報，IP可以將數據報重新組裝并在報頭域內說明。

在嵌入式Web Server中，由于只需傳送一些簡單的數據和命令，數據報的長度很小，足以適合在任何網絡中傳送，因此對于分段的功能可以裁減不要。

IP數據包頭如圖1所示。

在IP數據包頭中，服務類型是指一些服務質量的參數，這些參數用于在特定網絡指示所需要的服務。而選項包括時間戳，安全和特殊路由，在數據包中可以沒有。因此，為簡化嵌入Web Server的復雜程度，這2個字段都可以忽略，而且不用作任何處理。標識是發(fā)送時用于幫助重組分段包的，段偏移量是指示這個段在數據報中什么位置。由于不采用分段功能，因此這些字段都無須考慮也不用作任何處理，而且標記字段第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)議用于報告在數據報過程中的錯誤，它在以下幾種情況下發(fā)送ICMP消息：未達目的地、超時、參數總是、源擁塞、重定向、回送或回送響應、時間戳和時間戳響應、信息請求或信息響應。

由于嵌入式Web Server只是一個具有簡單Web功能的模塊，并且它對外部傳感器和網絡之間只是簡單的數據傳輸和命令的發(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，只考慮一些必要。在ICMP消息報告中，回送或回送響應消息、信息請求或信息響應消息在網絡信息處理中至關重要，因此予以采用；其它消息報告可以忽略，保證嵌入式Web Server最簡化。

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。通過使用序列號和確認信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達接收方的數據包的傳送信息。當傳送過程中出現數據包丟失情況時，TCP協(xié)議可以重新發(fā)送丟失的數據包，直到數據成功到達接收方或者出現網絡超時為止。TCP協(xié)議還可以識別重復信息，丟棄不需要的多余信息。使網絡環(huán)境得到優(yōu)化。如果發(fā)送方傳送數據的速度大大快于接收方接收數據的速度，TCP協(xié)議可以發(fā)送和接收的數據響應。TCP協(xié)議能夠把數據傳送信息傳遞給所支持的更高層次的協(xié)議或應用使用。

但在嵌入式Web Server中，考慮到實現的情況和復雜性，對于TCP協(xié)議，除了采用數據包傳送機外，重新發(fā)送和數據流控制機制都可以忽略不計。因此在嵌入式Web Server中，只傳送一些簡單的數據和命令，而且數據量很少，因此，在系統(tǒng)中不會產生網絡擁塞，只需在其它客戶端或訪問端上用流量控制機制就可以了。同時由于嵌入式Web Server功能簡單，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重新進行連接，來完成傳送任務。

2 硬件結構

由于TCP協(xié)議、IP協(xié)議和ICMP協(xié)議被簡化，整個協(xié)議的處理只需由協(xié)議狀態(tài)機來完成。它須負責接收IP數據報、做相應的檢驗和消息處理、協(xié)議解釋、根據接收到的信息進行TCP狀態(tài)的轉換、構造IP發(fā)送數據報。

整個嵌入式Web Server的硬件結構如圖2所示。嵌入式Web Server由本地網絡協(xié)議處理器、TCP處理器、IP數據包接收和發(fā)送處理及存儲器、嵌入式Web Server IP的地址寄存器、傳感器數據采集接口組成。在嵌入式Web Server的傳感器數據采集接口的數據直接傳送到主頁存儲器中。

IP數據報處理檢查數據報是否發(fā)送給嵌入式Web Server以及是否有效。

TCP狀態(tài)機是一個簡化的TCP連接過程，只有6個狀態(tài)，不包括錯誤情況和錯誤處理。

HTTP的存儲器包含了接收到的HTTP的報頭。如果接收到的IP包體有一個有效HTTP載荷，那么HTTP/1.0協(xié)議解釋器會搜索存儲器尋找相應的回答。IP數據報構造器根據HTTP/1.0協(xié)議解釋器搜索結果構造發(fā)送的包體。其中地址、端口號、確認號、序列號是根據接收到的數據包體產生的，而校驗碼是根據發(fā)送的數據產生。其它信息則是從數據接口和主頁內存中形成的。

整個硬件設計采用了VHDL語言，采用Xilinx的FPGA進行仿真。

3 VHDL設計

整個嵌入式Web Server的具體的VHDL設計在這里不多說明，只介紹其核心的TCP狀態(tài)機的狀態(tài)轉移順序和轉移條件的設計。整個協(xié)議狀態(tài)機有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)間相互轉換，如圖3所示。

SYN表示連接請求；ACK（SYN）表示連接確認；RST表示拒絕建立連接；FIN（CLOSE）主動關閉連接請求；ACK（FIN）關閉連接確認；TIME OUT計時等待結束。

TCP狀態(tài)機的VHDL的設計代碼省略。

4 結論

嵌入式Web Server的網絡連接既可以采用以太網方式，也可以采用藍牙技術，這可以根據需要來選定。采用硬件來解決嵌入式Web Server，關鍵在于它的復雜度很低，而且可以根據需要嵌入到相應的運用系統(tǒng)的芯片中去，減少了開發(fā)時間，降低了成本。采用VHDL使設計移植更加方便。