基于FPGA的嵌入式Web服务器设计与实现
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摘要
随着嵌入式系统的发展,各种嵌入式设备已经渗透入大们工作、生活领域的各个角落。基于信息网络化的高速发展,各种嵌入式设备也急需利用互联网实现信息的快速传输。嵌入式Web服务器将嵌入式设备接入Internet,成功实现了客户端、服务器间通过Web浏览器进行信息交互。鉴于信息交互的迫切性,嵌入式Web服务器的研究与开发显得尤为重要,也将成为未来Internet发展的一种趋势。
本系统主要研究了基于FPGA的嵌入式Web服务器的构建技术,并以此为基础实现了基于Web网页控制的分形图生成器,完成了在FPGA板载TFT显示屏上进行Mandelbrot集和Julia集的分形图生成和显示。以Xilinx公司的现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件平台,借助ISE和EDK开发工具搭建了包含TFT显示控制和嵌入式Web服务器的SOPC系统。本系统在Xilnet协议和Xilmfs文件系统等软件基础上,采用TCP/IP套接字编程技术,实现PC机与FPGA开发板的网络通信。通过网络远程访问基于FPGA软核的嵌入式Web服务器,在Web页面上输入控制信息生成相应的Mandelbrot集和Julia集分形图并实现在TFT显示屏上输出显示。
具体设计中,特别设计了SPI控制器配置TFT参数、并通过硬件协调TFT显示与Web服务器IP核时序,并通过了设计测试。通过网络在PC机上调用设计的网页,并实现了控制参数的传输。再根据该参数生成相应的Mandelbrot集和Julia集分形图,并实现了在FPGA板载TFT显示屏上的图形显示。实验结果表明,本设计开发的嵌入式Web服务器正确地接收并处理了从客户端发来的信息请求,且成功返回了串口测试结果、网页和分形图生成与显示信息。
本课题成功实现了嵌入式设备接入Internet网络,有效解决了嵌入式系统在实时网络中应用的需求。同时,设计实现了一个嵌入式Web服务器,并在此基础上实实现了对应用需求的控制。本文的研究成果,将为嵌入式系统在Internet上的应用提供了有力证据,为实现对嵌入式设备的远程网络监测、控制、诊断和维护提供了有力的技术支持。
With the development of embedded systems, a variety of embedded devices has penetrated into people's work and life in all aspects. Based on the rapid development of information network, a variety of embedded devices are also need the use of the Internet to send the information quickly. The client and server successfully exchange information through a web browser, while embedded devices connected to the Internet. Is particularly important in view of the research and development of information exchange urgency, embedded Web server will also because a trend for the future development of Internet.
The system designed an embedded Web server based on FPGA, and got a fractal generation can be controlled through a web page, while the correct Mandelbrot or Julia fractal images displayed in the FPGA's TFT LCD. In this paper, the SOPC system of the TFT controller and the embedded Web server was built on the Xilinx's Spartan-3a FPGA, ISE and EDK. For the embedded Web server, Xilnet, Xilmfs and TCP/IP's Socket have been used smoothly, and when input the type and parameter via a web page can get the correct Mandelbrot or Julia fractal.
In the specific design, the SPI controller and tft enable just be designed to configure the TFT's parameter and coordinate the timing of Web and TFT IP cores. Completed the testing, the expected Mandelbrot or Julia fractal images can be got in the LCD form the Web's message of the type and parameter. The testing results show that the design and development of the embedded Web server correctly received and processed the request from client, and successfully returned the correct fractal images.
The subject is effective in solving the problem that the need of embedded system in real-time network applications. At the same time, a kind of embedded Web server is proposed, and on the basis of application requirements. The results will be embedded on the Internet provide a strong evidence, and provide strong technical support for the realization of embedded devices, remote network monitoring, control, diagnostics and maintenance.
本系统主要研究了基于FPGA的嵌入式Web服务器的构建技术,并以此为基础实现了基于Web网页控制的分形图生成器,完成了在FPGA板载TFT显示屏上进行Mandelbrot集和Julia集的分形图生成和显示。以Xilinx公司的现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件平台,借助ISE和EDK开发工具搭建了包含TFT显示控制和嵌入式Web服务器的SOPC系统。本系统在Xilnet协议和Xilmfs文件系统等软件基础上,采用TCP/IP套接字编程技术,实现PC机与FPGA开发板的网络通信。通过网络远程访问基于FPGA软核的嵌入式Web服务器,在Web页面上输入控制信息生成相应的Mandelbrot集和Julia集分形图并实现在TFT显示屏上输出显示。
具体设计中,特别设计了SPI控制器配置TFT参数、并通过硬件协调TFT显示与Web服务器IP核时序,并通过了设计测试。通过网络在PC机上调用设计的网页,并实现了控制参数的传输。再根据该参数生成相应的Mandelbrot集和Julia集分形图,并实现了在FPGA板载TFT显示屏上的图形显示。实验结果表明,本设计开发的嵌入式Web服务器正确地接收并处理了从客户端发来的信息请求,且成功返回了串口测试结果、网页和分形图生成与显示信息。
本课题成功实现了嵌入式设备接入Internet网络,有效解决了嵌入式系统在实时网络中应用的需求。同时,设计实现了一个嵌入式Web服务器,并在此基础上实实现了对应用需求的控制。本文的研究成果,将为嵌入式系统在Internet上的应用提供了有力证据,为实现对嵌入式设备的远程网络监测、控制、诊断和维护提供了有力的技术支持。
With the development of embedded systems, a variety of embedded devices has penetrated into people's work and life in all aspects. Based on the rapid development of information network, a variety of embedded devices are also need the use of the Internet to send the information quickly. The client and server successfully exchange information through a web browser, while embedded devices connected to the Internet. Is particularly important in view of the research and development of information exchange urgency, embedded Web server will also because a trend for the future development of Internet.
The system designed an embedded Web server based on FPGA, and got a fractal generation can be controlled through a web page, while the correct Mandelbrot or Julia fractal images displayed in the FPGA's TFT LCD. In this paper, the SOPC system of the TFT controller and the embedded Web server was built on the Xilinx's Spartan-3a FPGA, ISE and EDK. For the embedded Web server, Xilnet, Xilmfs and TCP/IP's Socket have been used smoothly, and when input the type and parameter via a web page can get the correct Mandelbrot or Julia fractal.
In the specific design, the SPI controller and tft enable just be designed to configure the TFT's parameter and coordinate the timing of Web and TFT IP cores. Completed the testing, the expected Mandelbrot or Julia fractal images can be got in the LCD form the Web's message of the type and parameter. The testing results show that the design and development of the embedded Web server correctly received and processed the request from client, and successfully returned the correct fractal images.
The subject is effective in solving the problem that the need of embedded system in real-time network applications. At the same time, a kind of embedded Web server is proposed, and on the basis of application requirements. The results will be embedded on the Internet provide a strong evidence, and provide strong technical support for the realization of embedded devices, remote network monitoring, control, diagnostics and maintenance.
引文
[1]高一沅,黄春晖.基于MicroBlaze的以太网通信系统平台设计的研究[J].现代电子技术,2007,30(17)：29-31
[2]高健,陈安,侯鸿斌.基于FPGA和LwIP协议的嵌入式以太网通信平台的设计[J].技术与市场.2008,(11)：8-9
[3]赵泽才,常青.基于MicroBlaze的嵌入式系统设计[J].现代电子技术,2006,(10)：56-57,64
[4]宋凯,严丽平,甘岚.嵌入式Web服务器的设计与实现[J].计算机工程与设计,2009,30(4)：808-810
[5]张晓亮.基丁SOPC以太网技术的研究与实现[D].大连：大连理工大学,2007
[6]王海龙,徐晓辉,王盟等.基于嵌入式Web服务器的远程控制系统的实现[J].电子设计工程.2010(5)：101-103
[7]Lin T, Zhao H, Wang J Yet al. An embedded Web server for equipment.The International Symposium on Parallel Architectures.Algorithms and Networks. Hong Kong,China.2004:345-350
[8]杨俊,吕建平,徐峰柳.基于μC/OS-II和LwIP的嵌入式Web服务器实现[J].电气自动化,2011,(03)：68-71
[9]潘琢金,王秋实.嵌入式Web服务器中动态Web技术的研究[J].计算机工程与设计,2010,31(18)：3975-3978
[10]张晓林,崔迎炜.嵌入式系统设计与实现[M].北京：北航出版社,2006：312-339
[11]祁明，姚铭.基于MicroBlaze的嵌入式Web服务器设计与实现[D],2008
[12]Hall.Tyson S.Using an PFGA processor core and embedded linux for senior design projects.Conference on Microelcetronic Systems Education,2007(11)
[13]田耘,徐文波等.无线通信FPGA设计[M].电子工业出版社,2008
[14]杨浩强等.基于EDK的FPGA嵌入式系统开发[M].机械工业出版社,2008
[15]田耘,胡彬,徐文波Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA开发指南[M].北京人民邮电出版社,2008
[16]田耘,徐文波Xilinx FPGA开发使用教程.清华大学出版社[M],2008
[17]Xilinx Inc.MicroBlaze Processor Reference Guide EDK[R],2009
[18]Xilinx Inc.Xilinx Embedded System Tools Guide EDK[R].2009
[19]复宇闻.数字系统设计—Verilog实现[M].北京：北京航空航田大学出版社,2007
[20]张雅绮等译.(美)Michael D.Ciletti著：Verilog HDL高级数字设计[M].电子工业出版社,2007
[21]IEEE Standard Hardware Description Language Based on the Veriog 62 Hardwaretion Description Language.IEEE Computer Society.IEEE Std 1364-1995
[22]Siva Velusamy. LightWeight IP(LWIP) Application Examples[Z].2009
[23]Xilinx.EDK OS and Libraries Reference Guide.UG114(v3.0) June 22,2004
[24]Xilinx.OS and Libraries Document Collection.UG643 September 21,2010
[25]袁宗文；分形图像快速编码技术的算法研究[D]；兰州理工大学；2007.
[26]朱志斌Mandelbrot集与Julia集关系的初探[J].河西学院学报,2003,(05)：23-25
[27]程锦,谭建荣.基于三维多项式映射的广义Julia集表示与绘制[J].软件学报,2006,17(7)：1562-1570
[28]冯玲,王化雨.几种分形图形生成算法的研究和比较[J].电脑知识与技术,2007(1)：116-118
[29]于超.基于分形的艺术图案生成方法的研究与应用[D].山东师范大学,2007
[30]王丽.分形图形的研究与应用[D].昆明理工大学,2006
[31]王防修.分形绘图的原理、算法及应用[D].华中师范大学，2007
[32]张超建,王厚军.一种基于FPGA的TFT-LCD液晶显示模块设计[J].自动化信息,2009,(9)：52-54
[33]程明,肖祖胜.基于FPGA的TFT-LCD显示驱动设计[J].液晶与显示,2009,24(2)：228-229
[34]马舜峰,金龙旭,安少婷,朴永杰,张柯,陶宏江.一种基于ARM9的彩色TFT-LCD模块设计及实现[J].2010：37-39
[35]王磊,姚成虎.如何实际构造嵌入式Web服务器[J].计算机应用,2004,(S2)：38-39
[36]谢仕义,徐兵.嵌入式Web服务器的设计及其CGI实现[J].计算机工程与设计,2007,28(7)：1598-1600
[37]邓耀华,吴黎明.数据采集终端Web通信服务器嵌入式设计[J].计算机与现代化,2010(5)：103-105
[38]车飞锋,孟开元,曹庆年.基于ARM的嵌入式Web服务器的研究与实现[J].微计算机信息,2008,24(26)：86-88
[39]Agrant Ian Douglas.Engneering WEB Technologies for Embedded Applications.IEEE Internet Computing [J].1998:368-371
[40]韩树人,周贤娟.基于嵌入式Web服务器的远程实时数据采集[J].计算机技术与发展,2008,18(1)：206-209
[41]彭道刚,张浩.基于ARM和Linux的嵌入式Web Server设计与实现[J].电一体化,2008,14(10)：37-40
[42]Benthazn J. TCP/IP Lean Web Servers for Embedded Systems. Beijing:China Machine Press,2003
[43]郑巨明,张和生,贾利民,梁玉庆.基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式以太网接口设计[J].计算机测量与控制,2009,(11)：98-99
[44]Rang Q M, He H, Wang H R. Study on Embedded Web Server and Realization.1st International Symposium on Pervasive Computing and Applications. Urumchi, Xinjiang, P.R. China.2006:675-678
[45]杨俊,吕建平,徐峰柳.基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式Web服务器实现[J].电气自动化,2011,(03)：141-143
[46]Wang ZhenXing,Ren XianYi. A Study on Cgi Of Embedded Webserver.2008 International Symposium on Computer science and Computational Technology.2008:pp:480-483
[47]胡俐蕊,王则林,胡传志.基于LwIP的μC/OS-Ⅱ 网络应用程序学设计方法[J].计算机应用与软件,2010,(04)：57-59
[48]胡龙腾,田雨.基于LwIP的嵌入式以太网系统的设计与实现[J].数字技术与应用,2010,(07)：90-92
[49]李红英,黄世震.基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计[J].电技术,2010,(05)：152-153
[2]高健,陈安,侯鸿斌.基于FPGA和LwIP协议的嵌入式以太网通信平台的设计[J].技术与市场.2008,(11)：8-9
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[45]杨俊,吕建平,徐峰柳.基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式Web服务器实现[J].电气自动化,2011,(03)：141-143
[46]Wang ZhenXing,Ren XianYi. A Study on Cgi Of Embedded Webserver.2008 International Symposium on Computer science and Computational Technology.2008:pp:480-483
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