基于STM的嵌入式web服务器的设计.pdf

1、分类号U D C密级公珏学校代码1 0 4 9 7武馕理歹大穿学位论文题目基王!丛墨星的邀达堕金鱼旦睦釜墨的遮让英文!h 里旦金璺至g 旦Q 垦堡鱼皇鱼鱼里鱼堕金坠金!皇!题目旦垒曼鱼鱼Q 旦!丛曼星研究生姓名隆明指导教师姓名立塾塑坌一职称副麴援一学位盟单位名称自动丝堂暄邮编4 3 0 0 7 0申请学位级别睦已学科专业名称勃鲢勉魁论文提交日期2 Q!三：论文答辩日期2 Q!三：学位授予单位武这堡王太堂学位授予日期答辩委员会主席韭塞窒评阅人韭坦红星达注2 0 1 3 年5 月独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的

2、地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：酷)&区日期：尘玉噩略学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供

3、信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：际蜩导师(签名)燃-I如限“武汉理：I 大学硕十学位论文捅要随着集成半导体技术的飞速发展，嵌入式设备已经应用于我们的F 1 常生活，L E D 电视机、变频空调已经进入了千家力户，智能家居的理念已深入人心，而且家用电子医疗器械也正进入人们的家庭生活中。面对家庭生活中不断增长的嵌入式设备，人们期待有一种廉价的通信环节方便于智能家居和远程治疗。同时，P C 机的普及，极大地促进了网络通讯的发展，目前在全世界范围内已经形成了一个覆盖面积最大的i n t e m e t 网络。因此使用让家用嵌入式设备与i n t e m e t网络互联的嵌入

4、式w e b 服务器成为了智能家居和远程医疗最佳的解决方法，它可以让嵌入式设备以最低的代价获得最大的网络资源。要使用嵌入式w e b 服务器，嵌入式设备必须支持网络通信协议T C P I P 协议。I n t e m e t 网络可以通过T C P I P 为嵌入式设备提供远程通讯、在线升级、访问i n t e m e t 资源等功能。本文以S T M 3 2 f 1 0 7 微控制器为主控芯片，利用其片内的以太网控制模块，结合l x C O S I I 操作系统以及L w l P 协议栈，构建嵌入式w e b 服务器。为了构建嵌入式w e b 服务器，本文主要进行了以下相关工作：根据系统要求

5、结合S T M 3 2控制芯片及其以太网控制模块构建硬件平台，并且完成硬件电路的设计；结合S T M 3 2 控制器的C o r t e x M 3 内核以及I _ t C O S I I 操作系统的内核特性，将g C O S I I操作系统移植到S T M 3 2 控制器上来，为应用程序的设计提供多任务操作的支持；完善底层网络接1 5 1 层的驱动程序，并将L w l P 协议栈移植到g C O S I I 操作系统上来；结合网络技术，使用L w l P 的应用程序接口程序L w l P A P I 编写相关的H 1 v r P应用程序。在应用程序中，嵌入式w e b 服务器会处理来自浏览器

6、网页中的请求信息，并且将处理信息返回给网页，实现服务器与P C 机上浏览器的信息交互。最后系统结合微控制器的其他片内资源及其外围电路进行以太网接口与其他通信接口的通信。测试结果：在服务器的应用层设计的H T T P 应用程序，实现了服务器与浏览器的信息交互，并结合微控制器的片内串行接口控制模块，实现了以太网接口与串行接口的数据通信。以上结果表明，以S T M 3 2 系列C P U 为代表的控制芯片，结合嵌入式T C P I P 协议栈可以实现嵌入式设备访问I n t e m e t 网络的功能，为家用的嵌入式w e b 服务器提供一种可行、廉价的解决方案。关键词：嵌入式，S T M 3 2，

7、服务器，L w l P武汉理：_ l：火学硕十学位论文A B S T R A C TW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y,e m b e d d e dd e v i c e sh a sb e e nf u l lo fo u rd a i l yl i f e L E Dt e l e v i s i o n，v a r i a b l ef r e q u e n c ya i rc o n d i t i o

8、 n e rh a v ea l r e a d yb e e nu s e db yp u b l i c，S Ot h a tt h ec o n c e p to fi n t e l l i g e n th o m eh a sb e e nd e e p l yr o o t e di nt h eh e a r t so ft h ep e o p l e，w h a t Sm o r e，t h eh o u s e h o l de l e c t r o n i cm e d i c a la p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t

9、si sb e c o m i n gap a r to fO u rd a i l yl i f e F a c i n gt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fe m b e d d e dd e v i c e si nf a m i l yl i f e，w ea r el o o k i n gf o r w a r dt ot h a tt h e r ei sac h e a pi n t e r m e d i a t ec o m m u n i c a t i o n sl i n kf o rf a c i l i t a t i n

10、 gi n t e l l i g e n th o m ea n dr e m o t et r e a t m e n t M e a n w h i l e，t h ep o p u l a r i t yo fP Cg r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n A tp r e s e n t，t h e r eh a v eb e e na nI n t e r n e tn e t w o r kw h i c hh a st h el a

11、r g e s tc o v e r a g ea r e aa r o u n dt h ew o r l d S ot h eb e s ts o l u t i o no fi n t e l l i g e n th o m ea n dr e m o t et r e a t m e n ti st ou s ee m b e d d e dw e bs e r v e rw h i c hc o u l di m p l e m e n tt h ec o n n e c t i v i t yb e t w e e nd o m e s t i ce m b e d d e dd

12、 e v i c e sa n dI n t e m e tn e t w o r k W i t ht h eh e l po fe m b e d d e dw e bs e r v e r,e m b e d d e dd e v i c e sc o u l da c h i e v et h em o s to fn e t w o r kr e s o u r c e sw i t ht h el o w e s tp r i c e E m b e d d e dd e v i c em u s ts u p p o r tn e t w o r kc o m m u n i c

13、 a t i o np r o t o c o l(T C P I P)S Ot h a te m b e d d e dd e v i c e sc o u l da c c e s st h eI n t e r n e t I n t e r n e tn e t w o r kw i l lp r o v i d ee m b e d d e dd e v i c e sw i t hr e m o t ec o m m u n i c a t i o n，o n l i n eu p g r a d e，a c c e s sI n t e m e tr e s o u r c e

14、sa n do t h e rf u n c t i o n sv i aT C P I ET h i sp a p e ru s e st h eS T M 3 2 f 10 7m i c r oc o n t r o l l e ra st h em a s t e rc o n t r o lc h i p，a n dm a k e sf u l lu s eo fi t se t h e m e tc o n t r o lm o d u l e C o m b i n i n gp,C O S I Io p e r a t i n gs y s t e m sa n dL w l P

15、p r o t o c o ls t a c k，w eb u i l da ne m b e d d e dw e bs e r v e r I no r d e rt ob u i l da ne m b e d d e dw e bs e r v e r,t h i sp a p e rc o n d u c t e dt h ef o l l o w i n gr e l e v a n tw o r k A c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t s，w eu s eS T M 3 2c o n t r o lc

16、 h i pa n di t se t h e m e tc o n t r o lm o d u l et ob u i l dh a r d w a r ep l a t f o r m，a n dc o m p l e t et h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t C o m b i n a t i n gC o r t e x M 3k e r n e l Sa r c h i t e c t u r eo fS T M 3 2c o n t r o l l e ra n dt h ef e a t u r eo f t C O

17、S I Io p e r a t i n gs y s t e mk e m e l，c o m p l e t ep C O S I Ip o r tf o rt h eS T M 3 2c o n t r o l l e rt op r o v i d em u l t i t a s k i n go p e r a t i n gs u p p o r tf o ra p p l i c a t i o n C o m p l e t et h ed r i v e ro fu n d e r l y i n gn e t w o r ki n t e r f a c el a y e

18、 r,a n dt r a n s p l a n tL w l Pp r o t o c o ls t a c kt op C O S I Io p e r a t i n gs y s t e m C o m b i n e dw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g y,u s eL w l Pa p p l i c a t i o np r o g r a mI I武汉理：I J 火学硕士学位论文i n t e r f a c eL w I PA P It ow r i t er e l a t e dH T T Pa p p l i c a t i

19、o n I nt h ea p p l i c a t i o n t h ee m b e d d e dw e bs e r v e rw i l lh a n d l et h ei n f o r m a t i o no fr e q u e s tf r o mw e bb r o w s e r,a n dr e t u mw e bp a g et h ep r o c e s s e di n f o r m a t i o n T h e nw er e a l i z et h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o ns e

20、r v e ra n dP Cb r o w s e r F i n a l l y,c o m b i n e dt h eo t h e rr e s o u r c e so fm i c r oc o n t r o l l e ra n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t，t h es y s t e ma c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne t h e m e ti n t e r f a c ea n dO t h e rc o m m u n i c a t i

21、 o ni n t e r f a c e s T e s tr e s u l t：I nt h es e r v e r Sa p p l i c a t i o nl a y e r,w ed e s i g n e dH T T Pa p p l i c a t i o n a n dt h e nt h es e r v e ra n dt h eb r o w s e rc o u l da c h i e v ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n W h a t Sm o r e c o m b i n e dw i t hs e

22、 r i a li n t e r f a c ec o n t r o lm o d u l eo ft h em i c r oc o n t r o l l e r,e t h e r n e ti n t e r f a c ea n ds e r i a li n t e r f a c ec o u l ds e n ds i m p l ed a t at oe a c ho t h e r T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e dT C P I Pp r o t o c

23、o ls t a c k，w ec a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fa c c e s st h eI n t e m e tf o re m b e d d e dd e v i c er e p r e s e n t e db yS T M 3 2s e r i e s，w h i c hp r o v i d e sap r a c t i c a la n dc h e a ps o l u t i o no fd o m e s t i ce m b e d d e dw e bs e r v e r K e y w o r d s：e

24、 m b e d d e d，S T M 3 2，s e r v e r,L w I PI I I武汉理 二大学硕+学位论文目录第1 章绪论11 1 课题研究背景及意义11 2 国内外研究现状21 3 本文主要内容5第2 章系统硬件电路设计72 1S T M 3 2 控制芯片72 1 1C o r t e x M 3 内核82 1 2S T M 3 2 f 10 7 控制器lO2 2S T M 3 2 F 1 0 7 以太网接口电路设计1 22 2 1S T M 3 2 F 1 0 7 以太网模块1 22 2 2 以太网接口电路设计152 3 串行通信接口电路设计172 4Z i g B e

25、e 无线模块182 5 编译环境M D K 1 92 6 本章小结2 0第3 章l aC 0 S-I l 操作系统移植2 23 1g C O S I I 操作系统介绍2 23 2r t C O S I I 操作系统在S T M 3 2 上的移植2 43 2 1O Sc p u h 文件一2 43 2 2O SC3 2 3O S文件28_cpu_aa s m3 3 本章小结3 0第4 章L w IP 协议栈3 14 1L w l P 协议介绍3 14 1 1L w l P 的进程模型(p r o c e s sm o d e l)314 1 2 应用程序接口3 34 2L w l P 的移植3

26、64 2 1 定义L w l P 协议内部使用的数据类型3 64 2 2 实现与信号量和邮箱操作相关的函数3 74 2 3s y sa r c ht i m e o u t 函数3 94 2 4s y st h r e a dn e w 创建新线程3 9I V武汉理：I：火学硕士学位论文4 2 5L w l P 底层驱动实现一4 04 3 本章小结4 2第5 章嵌入式w e b 服务器软件设计4 35 1 网页技术简析4 45 1 1H T T P 协议介绍4 45 1 2H T M L 超文本标记语言4 55 1 3C G I 通用网关接口4 65 2 嵌入式w e b 服务器的建立4 75

27、 3 应用程序设计5 05 3 1L E D 控制5 l5 3 2A D C 监测5 25 3 3 串口通信5 25 3 4 无线数据采集5 45 4 嵌入式w e b 服务器性能测试5 65 5 本章小结5 9第6 章总结与展望6 16 1 总结6 l6 2 展望6 1参考文献6 3致谢6 6V武汉理j I：人学硕士学位论文1 1 课题研究背景及意义第1 章绪论嵌入式设备以其便携、可靠、经济的特点在现今社会崭露头角。手机、监控设备、车载系统、智能家电等嵌入式设备在日常生活中随处可见，这一切正改变着我们的生活方式，同时嵌入式设备以其可靠和廉价的特性，备受工控领域的青睐，工业控制正从传统控制方式

28、向现代智能控制方式转变。有些嵌入式设备远离其使用者的位置，在这种情况下，对被控对象进行监视操作、性能检测、数据采集和升级应用软件诸此之类的任务可能不易实现，甚至是一个昂贵且费时的过程。另外，对于有些应用，如果嵌入式系统能够远程汇报其运行状态，获取需要处理的远程数据，这将对嵌入式设备进行管理带来极大的方便【1J。同时在分布式系统领域，不断增长的嵌入式设备已经成为了一个亟待解决的问题，来自不同厂商之间的设备实现互联的成本较高，这样有碍于对设备的管理，我们需要为这些具有专用功能设备提供一个统一的廉价的中间通信环节【2 J。随着网络通讯技术的不断发展，人们对I n t e m e t 连接产品的需求不

29、断增加。I n t e m e t 发展到今天，已经成为了世界上最廉价的网络，并且其通讯范围之大是其他通讯方式无可比拟的。由于以上嵌入式设备的普及以及其在分布式系统中存在的问题，它亟需一个统一的中间通信环节，而I n t e r n e t 网络通讯以其极大地覆盖范围及其链接可靠、稳定的特性正好可以为嵌入式设备提供这样需求。同时随着物联网技术不断引起人们的关注，成为通信控制领域研究的焦点，这一切也加快了嵌入式系统联网技术的步伐1 3 J。虽然嵌入式系统可以以多种通讯方式与其他设备进行通讯，在目前看来，T C P I P 通讯方式是对嵌入式系统最为有益的。使用T C P I P 协议栈的嵌入式系

30、统具有以下优点：可以使用I n t e m e t 网络的基础设施，以最低的代价进行长距离和多点之间的通讯；由于T C P I P 是一个被广泛使用的标准协议，这样嵌入式系统可以直接与其他设备进行通讯；可以使用w e b 浏览器和和e m a i l 功能与世界上任何地方的用户进行通讯1 4 J。这样看来，嵌入式设备采用T C P I P 协议接入I n t e m e t，不仅便于自身的通讯和控制，另一方面网络化的嵌入式设备还可以有效地利用因特网上丰富的资源。这样一来，用户可以更便捷地更新应用软件。嵌入式w e b 服务器就是在设备中嵌入T C P I P 协议栈，并且使用H T T P 协

31、议来实现与客户端进行通信功能的嵌入式设备【5 l。用户可以在客户端以网页的形式武汉理一J 二入学硕士学位论文来访问嵌入式w e b 服务器，同时嵌入式w e b 服务器也会对网页中的请求作出相应的应答。此外，我们可以使用网页编写工具设计网页进行图形用户界面的开发，还可以利用服务器端其他的通讯接口模块，实现以太网与其他接口的信息交互。嵌入式w e b 服务器可以为电力、电子家用医疗设备、智能家居等提供信息管理、远程通信、智能控制等功能。由于嵌入式设备连入了I n t e m e t 网络，这样用户就可以利用浏览器随时随地对他们进行监测和管理。1 2 国内外研究现状前面已经说过，嵌入式设备一般采用

32、分布式系统进行管理，这样嵌入式设备就可以在各自的局域网中进行通信，而局域网之间的通讯则难以实现。借助于覆盖面广、传输可靠稳定的I n t e m e t 网络，我们将嵌入式设备接入互联网，就可以对嵌入式设备进行集中式的管理。嵌入式w e b 服务器虽然兴起不久，但其发展很快。目前已经有不少嵌入式w e b 服务器应用于远程通信及工业控制中。嵌入式w e b 服务器以其快速的发展，展现了它在今后的广阔前景，为此不少I C(集成电路)和I T(信息技术)界的精英们都投入到了这一项技术的研发当中。在硬件方面，各大知名的微控制器芯片制造商都相继推出了自己的带有以太网功能模块的控制芯片，在软件方面，各大

33、研究院校以及各大厂商也推出了适用于嵌入式设备的精简型可裁剪的T C P I P 协议栈。目前，人们使用的以及正在研发当中的嵌入式w e b 服务器主要有两种类型。一类是功能齐全、资源丰富型的嵌入式w e b 服务器1 6 J，由于在工业生产中要使用大量的嵌入式设备控制工业生产，使用这一类的嵌入式w e b 服务器可以对大量的用于生产控制的嵌入式设备进行控制，并且可以对生产环境进行监控，有的时候还要为它提供视频监控、文件传输和信息管理的功能，这就要求这一类嵌入式w e b 服务器有庞大的文件系统，对硬件的R A M、R O M 内存和C P U 处理速度有着较高的要求。B o a 服务器就是这一类服务器的典型代表，它需要运行在u n i x 或l i n u x 的环境下，操作系统为它提供T C P I P 协议的通讯功能【1 1。另一类是功能专一、资源受限型的嵌入式w e b 服务器【8