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一種用VHDL設計嵌入式Web Server的方案
摘要：近幾年嵌入式Internet開始迅猛發展，但絕大多數嵌入式Internet都使用微控制器和相應的軟件來實現。本文介紹一種基于硬件來實現嵌入式Web Server的方案。該方案的核心思想是用VHDL語言來設計實現，并且用FPGA進行驗證。最近幾年隨著Internet應用的迅猛發展，Internet的通信協議，特別是TCP/IP協議，已成為嵌入式Internet的主體構架；然而，僅僅使用嵌入TCP/IP協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，它可以接收和發送一些簡單的數據和命令。如果再將這些嵌入通信協議和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中的協議裁減
嵌入式Web Server中用到的通信協議較多，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議進行相關的裁減，減小整個硬件設計的復雜性。
1.1 IP協議
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協議裁減
ICMP協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協議裁減
TCP，即傳輸控制協議，是一種面向連接的傳輸層協議。通過使用序列號和確認信息，TCP協議能夠向發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協議可以重新發送丟失的數據包，直到數據成功到達接收方或者出現網絡超時為止。TCP協議還可以識別重復信息，丟棄不需要的多余信息。使網絡環境得到優化。如果發送方傳送數據的速度大大快于接收方接收數據的速度，TCP協議可以發送和接收的數據響應。TCP協議能夠把數據傳送信息傳遞給所支持的更高層次的協議或應用使用。
但在嵌入式Web Server中，考慮到實現的情況和復雜性，對于TCP協議，除了采用數據包傳送機外，重新發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，重新發送的可靠性不大；如果真的要求重發的話，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協議、IP協議和ICMP協議被簡化，整個協議的處理只需由協議狀態機來完成。它須負責接收IP數據報、做相應的檢驗和消息處理、協議解釋、根據接收到的信息進行TCP狀態的轉換、構造IP發送數據報。
整個嵌入式Web Server的硬件結構如圖2所示。嵌入式Web Server由本地網絡協議處理器、TCP處理器、IP數據包接收和發送處理及存儲器、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送給嵌入式Web Server以及是否有效。
TCP狀態機是一個簡化的TCP連接過程，只有6個狀態，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協議解釋器搜索結果構造發送的包體。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
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