摘要：介紹了一種嵌入式于單片機的Web服務(wù)器的設(shè)計過程，給出了單片機控制下的網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS硬件平臺的設(shè)計、精簡的TCP/IP協(xié)議棧通過LAN訪問Internet的應(yīng)用方案。同時簡明介紹了實時內(nèi)核uC/OS-II對整個系統(tǒng)的管理方案，完成了對連接在系統(tǒng)I/O總線上的現(xiàn)有設(shè)備的監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：Web服務(wù)器 單片機 uC/OS-II TCP/IP協(xié)議棧 動態(tài)IP配置
隨著信息時代的到來，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，人們開始越來越多地接觸到一個新概念--嵌入式產(chǎn)品。將嵌入式系統(tǒng)接入Internet。不僅實現(xiàn)了設(shè)備的遠程控制、維護和升級，而且可實現(xiàn)資源共享。通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行監(jiān)控，一個外部界面是必不可少的，利用Web瀏覽器可使用戶通過網(wǎng)絡(luò)對遠程系統(tǒng)實現(xiàn)管理和更新，大大簡化了人機界面的設(shè)計。若在系統(tǒng)中嵌入實時操作系統(tǒng)，將使系統(tǒng)具有極強的可移植性，另外，硬件設(shè)備的添加與裁剪也具有極龐大的靈活性。采用DHCP協(xié)議動態(tài)獲得IP相關(guān)信息，使TCP/IP軟件不再依賴于存儲在芯片中的固定IP地址，這將為大型系統(tǒng)的安裝提供方便條件。
本設(shè)計的關(guān)鍵是如何在內(nèi)存資源有限的單片機系統(tǒng)上，利用實時內(nèi)核uC/OS-II把信息變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，以便通過IE瀏覽器監(jiān)控遠程設(shè)備的狀態(tài)。

1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)概述
本設(shè)計采用Internet監(jiān)控遠程設(shè)備，整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。客戶端通過IE瀏覽器對該服務(wù)器進行訪問，實時地獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，以便對設(shè)備進行控制和維護。這樣，就要求服務(wù)器提供WWW服務(wù)，即實現(xiàn)HTTP協(xié)議。它應(yīng)被所有瀏覽器支持，以保證任何地方的用戶都可通過瀏覽器下達命令。在網(wǎng)絡(luò)接口上，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)為其運行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。圖1所示為HTTP設(shè)計模型。首先，客戶端的瀏覽器與Web服務(wù)器使用一個或多個TCP連接，通過80號端口進行通信，瀏覽器通過HTTP協(xié)議瀏覽事先存儲在EEROM中的控制網(wǎng)頁，通過該網(wǎng)頁傳遞控制命令到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，然后服務(wù)器對命令進行解析，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)控制外部I/O設(shè)備。
整個設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。在硬件部分嵌入了TCP/IP協(xié)議棧。因系統(tǒng)資源有限，在保持協(xié)議分層體系結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)盡量精簡協(xié)議內(nèi)容。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的原理，本系統(tǒng)實現(xiàn)了以下協(xié)議：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。
2 硬件平臺設(shè)計
本設(shè)計采用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的運行環(huán)境，在硬件上需要有網(wǎng)絡(luò)控制芯片。目前市場上有許多以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片，但其大多數(shù)都耗電量高、功能復(fù)雜，不適合用于價格低廉的嵌入式系統(tǒng)中。在這里選用RTL8019AS，其好處是NE2000兼容、軟件移植性好、接口簡單、不需轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋等。而單片機選擇89C55，它有20K的ROM，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，只要代碼能夠移植于它，就能較輕松地移植于其它架構(gòu)的CPU，比如ARM等。圖2為硬件原理框圖。24C64用來存儲物理地址及設(shè)備的相關(guān)信息等；外部RAM為數(shù)據(jù)處理提供緩存。系統(tǒng)提供了RS232接口用來進行測試，提供了RJ45接口以便連接到以太網(wǎng)。

3 操作系統(tǒng)的選擇
根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)必須滿足實時性和并發(fā)性的要求，以便更好地支持TCP/IP運行時的調(diào)度，所以應(yīng)用軟應(yīng)該基于嵌入式實時操作系統(tǒng)。適合于片上的實時操作系統(tǒng)比較多，但是代碼公開且適合移植51系列單片機的卻很少，主要有uC/OS-II、RTX51、Small RTOS51等。實時內(nèi)核uC/OS-II是專門為單片機嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的，圖3為嵌入式實時操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它主要采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言寫成，與硬件有關(guān)的部分使用匯編語言編寫，以使操作系統(tǒng)能很方便地移植到其它的處理器�？梢姡褂们度胧讲僮飨到y(tǒng)時，應(yīng)用軟件只與上層的代碼有關(guān)與處理器無關(guān)，在進行軟件移植時僅需對與硬件相關(guān)的底層函數(shù)進行修改，因此這樣的應(yīng)用軟件具有良好的可移植性和穩(wěn)定的可靠性。在uC/OS-II下編寫TCP/IP協(xié)議，比傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)要方便很多；用它分析內(nèi)存緩存區(qū)，使用前申請，使用后釋放，可有效地利用系統(tǒng)資源。在程序設(shè)計時將TCP/IP協(xié)議棧做成任務(wù)，而用戶程序在另外的任務(wù)中運行。這樣，單片機可在完成原來控制系統(tǒng)功能的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。從代碼長度上看，實現(xiàn)基本功能的TCP/IP協(xié)議棧比Linux等其它操作系統(tǒng)優(yōu)勢更大。
4 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，主要完成RTL8019AS的驅(qū)動、uC/OS-II對應(yīng)系統(tǒng)的管理及TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)。
4．1 uC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用
uC/OS-II可以根據(jù)需要進行相應(yīng)裁剪后移植到51單片機上。用它對系統(tǒng)進行管理，使得程序易讀，且便于移植。藽/OS-II主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)卡初始化、創(chuàng)建系統(tǒng)資源、創(chuàng)建任務(wù)等三部分工作。在系統(tǒng)資源的創(chuàng)建上，使用TxSem、RxSem信號量及TxQFIFO隊列。當(dāng)需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，觸發(fā)RTL8019AS中斷，CPU將中斷向量進入中斷服務(wù)子程序，進行事件處理。中斷服務(wù)子程序根據(jù)RTL8019AS內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器IMR的值確定系統(tǒng)所處狀態(tài)，通過兩個信號量TxSemPost和