基于SOPC 的嵌入式Web 服务器设计与实现

摘要：设计并实现了基于SOPC技术的嵌入式Web服务器，简单介绍了SOPC技术的特点及构建方法，随后对该嵌入式Web服务器的实现在硬件和软件两方面都作了详细论述，其中运用Nios II软核处理器作为主控制器，实时多任务操作系统uC/OS-II为应用软件运行平台，简化的TCP/ IP 协议LwIP为应用层通信协议。具有设计灵活、可重构、集成度高、实现风险低、开发周期短的优点。

1、引言

近来，随着嵌入式Internet技术的飞速发展，当今社会逐渐步入网络时代。嵌入式Web服务器技术在远程监控和生产过程控制系统中得到了广泛的应用，该技术允许任意地点的用户通过Web浏览器接入网络，访问Web服务器发布的各类信息，通过Web可以实现最为亲切的信息互动。

基于SOPC(可编程片上系统)技术的嵌入式Web服务器采用嵌入式软核处理器技术,使用嵌入式实时操作系统,内嵌网络接口和网络通信协议,可直接接入以太网。由于嵌入式Web服务器具有成本低、体积小、高可靠、微功耗、环境适应能力强等诸多优势,在通信和工业控制等领域正得到日益广泛的应用。

2、Web服务器概述

本设计介绍的嵌入式Web服务器采用基于FPGA的Nios II 软核处理器，具有灵活性高、而成本低的特点，充分体现了可编程片上系统的优势。客户端通过IE浏览器对该服务器进行访问，实时地获得服务器发布的各类信息，以便执行相应的操作。这样就要求服务器提供WWW服务，即实现HTTP协议。它应被所有浏览器支持，以保证任何地方的用户都可以通过浏览器下达命令。在网络接口上，本设计选择以太网为其运行的网络环境。如图1所示为HTTP设计模型[1]。首先，客户端的浏览器与Web服务器使用一个或多个TCP连接，通过80号端口进行通信，浏览器通过HTTP协议浏览存储在FLASH中的网页，通过该网页传递浏览、控制命令到网络服务器，然后服务器对命令进行解析，调用相应的功能，充分实现客户端与浏览器之间的信息互动。根据Web服务器的原理，本设计实现了以下协议：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。

3、硬件结构设计

3.1、FPGA芯片

服务器的整体硬件方案采用1 片规模较大的FPGA 完成大部分功能,该款FPGA采用Altera公司的低价格、高性能的Cyclone系列,根据系统逻辑规模的预判,选EP1C20F400C7不胜数FPGA。此型FPGA含有以下可编程逻辑资源:20 060个逻辑单元;64个M4K RAM块,多达294 912位RAM;内嵌2个PLL(锁相环),可作为全局时钟;最大用户I/O引脚301个;且该芯片还支持用Altera公司的SOPC Builder工具嵌入Nios II的内核。

图1 HTTP设计模型

3.2、Nios II 软核处理器

Nios II[2]是在Altera公司的FPGA上实现的一款嵌入式处理器。Nios II系列嵌入式处理器是一款用户可配置的通用的32/16位RISC(精简指令集)结构的CPU ,它定位于广泛的嵌入式应用。使用业界领先的设计软件Altera 公司的Quartus II软件以及SOPC Builder 工具。

3.2、Nios II 软核处理器的实现与应用

系统采用32 位嵌入式Nios II软核,它可以提供灵活丰富的接口,针对该系统的需求配置合适的外围设备。在Altera 公司提供的SOPC软件中对该软核进行配置时,我们选用了NIOSCPU、内部定时器、JTAG异步串行接口、SDRAM 控制器、Flash 存储器接口、以太网接口、LCD接口、片内存储器和EPCS4串行配置器件控制器接口。其框图如图2所示。

图2 SOPC系统硬件实现框图

在SOPC芯片中，所有部件都由Altera 公司或第三方以IP 核的方式提供,可方便复用,用户也可在FPGA 中自定义用户模块,并生成自定义IP(知识产权)核。系统部件及其功能见表1。CPU 和所有部件通过Avalon 总线连接在一起,构成基于Avalon 总线的SOPC 系统架构。

Avalon总线是Altera 公司开发的片上总线,是一种简单的总线体系结构,用来将处理器和周边设备集成到SOPC 中,并规定了主设备和从设备的端口连接方式和时序关系。主设备和从设备的交互采用“从端仲裁”技术。在多个主设备试图访问同一个从设备时,用于决定哪个主设备获得访问权。在本文的系统设计中,CPU 是主设备,其他部件均为从设备。

表1 SoPC 中的系统部件

4、SOPC的构建方法

SoPC 系统的设计基于EDA 工具的可编程逻辑器件设计流程,是一个软/ 硬件协同设计的过程[3]。采用Altera 公司SOPC Builder 设计工具，可以极大提高系统得设计效率，开创了嵌入式系统设计的新理念。

硬件开发流程：用 SOPC Builder 系统综合软件来选取合适的CPU、存储器以及外围器件，并定制它们的功能。使用Quartus II 软件来选取具体的Altera 可编程器件系列，并对SOPC Builder 生成的HDL 设计文件进行布局布线;在使用Quartus II 软件完成管脚的分配。最后生成配置文件，下载到开发板上。软件开发流程：在用SOPC Builder 进行硬件设计的同时，就可以开始编写独立于器件的C/C++软件，用户可以使用现成的软件库和开放的操作系统内核来加快开发进程。在NiosII IDE 中建立新的软件工程时，IDE 会根据SOPC Builder 对系统的硬件配置自动生成一个定制HAL(硬件抽象层)系统库。这个库能为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，之后进行编译、调试、下载软件到开发板上。

5、软件实现

软件设计主要包括嵌入式操作系统的移植、网络协议栈的实现、应用级代码编写等部分。软件结构框图如3所示。

图3 SOPC系统软件结构框图

5.1、uC/OS-II 操作系统的应用

根据Web服务器的特点，设计必须满足实时性和并发性的要求，以便更好地支持TCP/IP运行时的多任务环境的调度，所以应用软件应该基于嵌入式实时操作系统。目前比较流行的嵌入式操作系统主要有VxWorks、Windows CE、uCLinux、uC/OS-II 等。考虑到uC/OS-II的规模较小、实时性和可靠性较高，Nios II IDE 开发环境对uC/OS-II的良好支持，故操作系统选择uC/OS-II[4]。它是一种可移植、可固化、可裁减、占先式的多任务实时操作系统内核。它通过为每个任务分配单独的任务堆栈来保存任务工作环境，提供任务管理与调度，任务间的同步、互斥与通信，时间和中断管理、内存的动态分配等多种系统服务。在程序设计时，将网络协议栈在其中一个任务中运行，而用户程序在另外的任务中运行。通过调用协议栈提供的API函数进行通信。