Studienarbeit cand. mach. Séverin Lemaignan

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1 Studienarbeit cand. mach. Séverin Lemaignan Einsatz von Internettechnologien (Webservices) in der Automation am Beispiel eines Mikrocontrollers Universität Karlsruhe (TH) Kaiserstraße 12 D Karlsruhe Prof. Dr.-Ing. J. Fleischer Prof. Dr.-Ing. J. Schmidt Prof. em. Dr.-Ing. H. Weule

2 Séverin Lemaignan Klosterweg, 28 Zi. L315 D Karlsruhe Geb.: Matr.-Nr. : Eigenständigkeitserklärung Ich erkläre hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig und ohne unzulässige fremde Hilfe angefertigt zu haben. Die verwendeten Quellen und Hilfsmittel sind im Literaturverzeichnis vollständig aufgeführt. Ich versichere alles kenntlich gemacht zu haben, was aus Arbeiten anderer unverändert oder mit Abänderungen übernommen wurde. Karlsruhe, 13. Juli 2004

3 Danksagung Ein großes Merci! geht an Tomislav Rus für seine Empfehlungen und seine Einladungen zum Kaffee, an Simon Beauvais für die Korrektur und seine Etalsitude, an Stefan Hadzhiev für seine wertvolle Testplatine, an Busta bicose it s Busta und im allgemeinen an alle meine Chticop s, die alle 1-4 d Honn s sind ;-)

4 1 EINLEITUNG Motivation Konzept von Mechatronik und Wichtigkeit eines mechatronischen Systems Die Notwendigkeit der Dezentralisierung bei Automation Die Untersuchung einer standardisierten und offenen Kommunikationssprache Zielsetzung Aufbau der Arbeit 5 2 GRUNDLAGEN Physikalischer Kontext : der BECK SC12 Mikrocontroller Globaler Überblick Das CGI API Die Hardware und die Hardware-API Die Testplatine Logischer Kontext : die Webdienste Konzept des Webdienstes XML SOAP Protokoll Die Definition eines Webdienstes 18 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE 20

5 3.1 Problemstellung und Zielsetzung Vorgehensweise Konzeption des Webservices : Definition des Dienstes Entwurf des Webservices 21 4 LÖSUNGSANSATZ Was wollen wir? Definition des Dienstes Die Methoden Der Dienst-Abschnitt SOAP sprechen bei dem Mikrocontroller SOAP parsen SOAP schreiben Sich mit der Hardware unterhalten Hardware Konfiguration und Lese-/Schreibszugriff Überwachung Funktion Alles zusammenbringen : Gestaltung der CGI Benutzung der Webdienstsdefinition Datei (SC12ws.wsdl) und Schreiben von SOAP Klienten am Beispiel Visual C#.NET 56 5 BENUTZEN UND ERWEITERN : EINE KLEINE GEBRAUCHSANWEISUNG Benutzung und Konfiguration des Mikrocontrollers Test des Webdienstes Konfiguration des Webdienstsservers und Wiederkompilierung 69

6 5.3.1 Konfiguration Kompilierung Erweiterung des Dienstes Neuen SOAP Methoden hinzufügen Bugs und TO DO (Basis: Server Version 0.8 beta) 72 6 BEWERTUNG Wer hat RPC gesagt? Die Frage der Echtzeit 74 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Zusammenfassung Ausblick 75 8 ANHANG 77 A-1. LITERATURVERZEICHNIS 77 A-2. DAS OSI MODELL 78 A-3. ENTWICKLUNGSUMGEBUNG 78 A-4. LISTE DER SC12 INTERRUPTE 79 A-5. CGI API DETAILS FÜR EINRICHTUNG UND ENTFERNUNG VON CGI 84 A-6. HARDWARE API DETAILS FÜR DIE PIO ZUGANGFUNKTIONEN 85

7 A-7. CHIP.INI 87 A-8. CD INHALT : WO LIEGT WAS? 88 A-9. ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 89

8 1 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Motivation Konzept von Mechatronik und Wichtigkeit eines mechatronischen Systems Die Mechatronik ist ein interdisziplinäres Gebiet der Ingenieurwissenschaften. Bereits aus dem Namen geht hervor, dass mechatronische Systeme mechanische und elektronische Komponenten verknüpfen, um die Leistungsfähigkeit klassischer Systeme zu verbessern und vollständig neue Funktionen zu realisieren. Neben den klassischen Ingenieursdisziplinen rückt die Informationstechnik in den Vordergrund, ohne die viele technische Systeme heute nicht so leistungsstark wären. Als Beispiel sei hier auf den CD-Player verwiesen, mit dessen Einführung unter anderem die Klangqualität und der Bedienkomfort gestiegen sind. Heute hat er die Plattenspieler nahezu vollständig verdrängt. Der Begriff Mechatronik entstand Mitte der 70er Jahre in Japan. Ursprünglich bezeichnete er den Einsatz der sich entwickelnden Mikroprozessoren zur Steuerung von Maschinen und Anlagen. Heute umfasst der Begriff Mechatronik wesentlich mehr, ohne dass sich jedoch eine einheitliche Definition herausgebildet hat [8]. Im Folgenden sei die Karlsruher Definition der Mechatronik vorgestellt: Mechatronik ist ein neues, interdisziplinäres technisches Fachgebiet, das auf dem klassischen Maschinenbau und der klassischen Elektronik aufbaut und diese beiden Fachgebieten sowohl untereinander als auch mit den Fachgebieten Automatisierungstechnik und Informatik verbindet. [1] Mechatronische Systeme in der Steuerungstechnik haben unter Anderem folgende Vorteile gegenüber konventionellen Systemen: Günstiger: teure zentrale Geräte werden durch intelligente dezentrale Mikrocontroller ersetzt. Zuverlässiger und besser zu warten: Selbstüberwachung von Sensoren und Aktoren, Fernwartung, z.b. über das Internet, Benutzung derselben offenen, standardisierten Protokollen und Netzwerktechnologien Effizientere Kommunikation durch eingebaute Intelligenz in den Sensoren und Aktoren. Langlebiger: durch Austausch der Software können leichter völlig neue Funktionalitäten realisiert werden. Diese Eigenschaften sind alle mit dem Begriff Dezentralisierung verbunden, der jetzt besprochen wird Notwendigkeit der Dezentralisierung bei Automation Seit der industriellen Revolution sind in dem Bereich Technik viele verschiedene Organisationsmodelle verwendet worden. Ein der übersichtlichsten und am meisten benutzten ist der Lemaignan Seite 1

9 1 Einleitung hierarchische Organisationsmodell: jede Prozesses wird in einer Reihe von Stufen zerlegt, jede Stufe liegt unter die Autorität der vorliegenden Stufen, und hat Autorität über die nächsten Stufen. Dieses Modell kann als vertikales Modell bezeichnet werden. Dieses Organisationsmodell ist auf Grund der zunehmenden Komplexität und Größe für die Steuerung von technischen Systemen immer weniger geeignet. Von daher wurden neue Organisationsmodelle untersucht, die mehr Flexibilität zeigen könnten. Vertikales Integrationmodell Horizontales Integrationmodell Abbildung Organisationsmodelle Die Beobachtung der Natur hat neue Konzepte gebracht, die besonders im Bereich Mechatronik sehr gut passen. Das dezentrale Modell (oder horizontales Organisationsmodell, Abbildung 1-1) inspiriert sich direkt von Gesellschaften wie zum Beispiel die Ameisenkolonien (Abbildung 1-2): viele kleine autonome Einheiten jede mit einer begrenzten Intelligenz verbunden durch ein sehr effizientes Kommunikationsmittel (Pheromone bei der Ameise). Man beobachtet die Einrichtung einer Gesellschaft, die: Eine kollektive Intelligenz aufzeigt (z.b. Aufbau eines Ameisenhaufens). Stabil gegen Störungen ist (Fußtritt in einem Ameisenhaufen ruft seinen Wiederaufbau hervor). Da ein solches Organisationsmodell kein festes Gefüge besitzt, kann es auch leichter adaptiv werden, d.h. sich selbständig an veränderte Bedingungen anpassen. Eine zusätzliche interessante Eigenschaft ist die Geschwindigkeit dieser Systemsart: die Nachrichten brauchen nicht permanent in der Hierarchie vor- und rückzufahren, und können direkt den Empfänger erreichen. Seite 2 Lemaignan

10 1 Einleitung Abbildung Ameise Andererseits sind aber alle Kommunikationsfragen deutlicher schwieriger: z.b. sind die Fragen Wer antwortet?, An wem muss ich antworten?, Wer weißt, wo die Nachricht, die ich suche, liegt? nicht mehr immer eindeutig. Die Tabelle 1-1 aus [6] fasst die Vor- und Nachteile der Dezentralisierung eines Systems zusammen. Vorteile Flexibilitätssteigerung Höhere Verfügbarkeit Schnelligkeit Erhöhte Störsicherheit und Adaptivität Entlastung der Zentralebene Vereinfachte Instandhaltung Modularisierung der Maschine und Anlage Kostensenkung Nachteile Höherer Engineering-Aufwand, hierdurch auch im ersten Schritt (höhere Investitionskosten) Zusätzlicher Normungsaufwand Einhaltung der Konsistenz Zusätzlicher Synchronisierungsaufwand Tabelle 1-1 Um ein horizontales Organisationsmodell an der Mechatronik anzupassen, sind also zwei Elemente erforderlich. Zuerst eine kleine und autonome intelligente Einheit und zweitens ein Kommunikationsmittel. Letzter besteht einerseits aus einem physikalischen Träger und andererseits einer Sprache (Signalträger und Signalform). Abbildung 1-3 : PIC Mikrocontroller Lemaignan Seite 3

11 1 Einleitung Das erste Element, das man als Hardware Teil bezeichnen kann, stellt in der industriellen Umwelt ein wichtiges Forschungsthema dar, und hat sich in den letzten Jahren stark entwickelt. Ein der bedeutendsten Werkzeuge ist die Familie der so genannten Mikrocontrollers (Abbildung 1-3): es handelt sich um kleine (zwischen 4 und 20 cm 2 ) autonome programmierbare Einheiten, die z.b. Speicher, Rechnungseinheit, I/O Ports zur Verfügung haben. Die Familie der Mikrocontrollers ist heute schon groß, und viele Modelle schlagen erweiterte Dienste (I²C, Ethernet ) vor, die die Entwicklung von Kommunikationsprozesse deutlich erleichtern. Das zweite Element, das Kommunikationsmittel, gliedert sich in zwei Teile: ein Träger (der Behälter, z.b. Ethernet über WiFi, serielle Übertragung, Infrarot ), und eine Gehalt, der den Sinn der Nachricht enthält. Der Austausch von Nachrichten in Kommunikationsnetzwerke ist ein komplexer Vorgang (siehe Anhang A-2 für weitere Infos über der Open Systems Interconnection, oder OSI, Modell); aus Grund der Hardwarewahl bleiben die Zwischenschritte dieses Vorgangs jedoch transparent (das Mikrocontroller handelt fast alle die physikalische und logische Stufe des Austausches) und dieses Thema wird hier nicht weiterbehandelt. Die Wahl eines Sprache wird in Gegenteil uns besonders beschäftigen Untersuchung einer standardisierten und offenen Kommunikationssprache Eine weitere und auch wichtige Motivation für diese Arbeit ist die Untersuchung eines standardisierten und offenen Supports, um Kommunikation innerhalb des dezentralisierten Netzes zu erlauben. Da hier nicht der richtige Ort ist, um zu diskutieren, was eine Sprache ist, werden wir ab jetzt ein zusammenhängendes Ensemble von Syntax- und Grammatik, das erlaubt, Informationen zwischen zwei oder mehr Systeme eindeutig auszutauchen, Sprache benennen. Es gibt mehrere Gründe, um eine standardisierte und offene Sprache zu untersuchen: die Erleichterung der Instandhaltung, die Vereinfachung der weiteren Entwicklungen und der Intergation von äußere Komponente, die Verfügung von vielen schon entwickelten Werkzeuge und at last but not least eine Ethik der freien Entwicklung. Die XML Sprache, nach der W3C (World Wide Web Consortium) Spezifikation, ist eine solche standardisierte und zusammenhängende Sprache. Man spricht sogar von Metasprache, insofern daß XML nur eine allgemeine Definition der Sprache vorschlägt. Und es wird, jedes Mal für ein spezifisches Ziel, eine ganze Reihe von besonderen XML-Implementationen entwickelt. In unserem Fall suchen wir zudem eine Sprache, die dafür geeignet ist, Kommunikation zwischen Computeranwendungen zu erlauben. Dafür ist SOAP ( Simple Object Access Protocol ) besonders interessant. Es handelt sich um eine XML basierte Sprache, auch bei der W3C standardisiert: SOAP provides the definition of the XML-based information which can be used for exchanging structured and typed information between peers in a decentralized, distributed environment [8] Seite 4 Lemaignan

12 1 Einleitung 1.2 Zielsetzung In dieser Arbeit geht es darum, die Kommunikationsstufe eines dezentralen Systems praktisch zu implementieren. Auf der physikalischen Basis eines Mikrocontrollernetzes wird eine logische Kommunikationsschicht eingeführt, die auf ein offenes und standardisiertes Protokoll ruht. Es geht also darum, eine Steuerungs- und Dialogssprache zu definieren und zu implementieren, um die Gestaltung eines solchen dezentralen und selbstständigen Netzes zu ermöglichen. Ergebnis dieser Arbeit soll die Definition eines Dienstes und seine entsprechende logische Implementierung auf der Mikrocontrollerbasis sein, das heißt das Schreiben eines Kommunikationsservers. 1.3 Aufbau der Arbeit Im Kapitel 2 werden die physikalischen und logischen Kontexte dieser Arbeit genau vorgestellt. Der BECK SC12 Mikrocontroller, der die physikalische Basis darstellt, und zwei seiner Programmierschnittstellen (API) werden beschrieben (Kap. 2.1). Das Konzept von Webdienst ( Webservice auf Englisch) wird dann eingeführt und die verbundenen Themen XML und SOAP werden besprochen (Kap. 2.2). Kapitel 3 befasst sich mit einer genaueren Beschreibung der Ziele (Kap. 3.1) und erklärt die geplante Vorgehensweise der Untersuchung (Kap. 3.2). Kapitel 4 baut auf Kapitel 3 auf, indem es die konkreten Schritten und die entsprechenden Lösungen (Quellcode) für jeden Schritt vorstellt. Zuerst wird eine Webservices Definition vorgeschlagen (Kap. 4.1), dann werden die Meldungsaustauschsprozesse aufgebaut (Kap. 4.2) und ein Einblick wird in die Hardware und Interaktionen mit dem Äußerem gegeben (Kap. 4.3), um schließlich den gesamten Server zu bauen (Kap. 4.4). Das Schreiben von SOAP Klienten wird auch besprochen (Kap. 4.5). Kapitel 5 beschreibt die konkrete Benutzung und Konfiguration des Mikrocontrollers (Kap. 5.1) und des Baus des Webdienstesservers (Kap. 5.2 und 5.3). Die Benutzung von WSDL Dateien wird am Beispiel Bau eines Klienten gezeigt (Kap. 4.5). In Kapitel 6 werden manche getroffenen Entscheidungen weiterdiskutiert und bewertet, und schließlich wird diese Arbeit in Kapitel 7 zusammengefasst. Lemaignan Seite 5

13 2 Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Physikalischer Kontext: der BECK SC12 Mikrocontroller Globaler Überblick Der BECK SC12 (ab jetzt als SC12 bezeichnet) ist ein vollständiger Embedded Controller, hergestellt von der Firma BECK, und gestaltet um LAN- oder Webfähigkeit in Mikrocontrollers zu bringen. Die Hardware verfügt besonders über einen 16bit 186-Prozessor 20MHz, 512kbytes RAM, 512kbytes Flash (das heißt 512kbytes Massenspeicher), Ethernet 10BaseT Layer und 14 programmierbare E/A Pins. Abbildung 2-1 : Der BECK SC12 Mikrocontroller Die komplete Beschreibung der Hardware ist im [4] vorhanden. Die vorinstallierte Software basiert auf einem Echtzeitsbetriebssystem (RTOS) mit File System, TCP/IP Stack, Webserver, FTP-Server, Telnet-Server und Hardware Interface Layer. Dies erlaubt einen besonders einfachen Zugriff an der Controller. Eine weit entwickelte API (in Pascal und C geschrieben) erleichert außerdem die Weiterentwicklung von neuen Applikationen. Da der Prozessor mit dem Standard 186-Befehlssatz arbeitet, kann das SC12 mit einer beliebigen Sprache programmiert werden, die für die einen Compiler gedacht ist. Seite 6 Lemaignan

14 2 Grundlagen Alle SC12 Programme, die in dieser Studienarbeit vorgestellt werden, sind in C oder C++ geschrieben und mit Borland 5.0 Compiler (die späteren Versionen dieses Compilers, insbesondere die Version 5.5, können leider keinen Befehlssatz mehr unterstützen) kompiliert. Alle Befehle, die mit der SC12 Hardware in Wechselwirkung stehen, arbeiten durch so genannte Interrupte. Die Interrupte sind mit den Begriffen Echtzeitbetriebssytem und Multitasking verbunden. In einem Echtzeitsbetriebssystem (z.b. das SC12 RTOS) gibt es permanent einen aktiven Vorgang. Um trotzdem einer zweiten Anwendung die Möglichkeit zu geben, auf die Hardware zuzugreifen, ruft die zweite Anwendung eine Interrupt auf, die eine Pause in dem ersten Vorgang einlegt. Ich werde hier zwei API beschreiben, die später in dieser Arbeit eine zentrale Rolle spielen werden. Zuerst das CGI API (Kap ), das das leichte Programmieren einer Schnittstelle zwischen einer externen Webanfrage und einer internen Operation ermöglicht. Dann das Hardware API (Kap ), das alle Routinen enthält, um auf die Hardware-Komponente (insbesondere die programmierbare E/A Pins, die in unserem Fall die Schnittstellen mit anderen steuerbaren Sensoren und Aktoren sein werden) zuzugreifen. Insgesamt sind zehn komplette API vorhanden. Sie werden in der SC12 Dokumentation [3] genau beschrieben. Als Referenz ist die Liste aller zur Verfügung stehenden Interrupte am Ende der Arbeit vorhanden (Anhang A-4) Das CGI API Das CGI ("Common Gateway Interface") API liefert einen Zugang zu der CGI Implementierung des SC12 Webservers. Die auf dem SC12 vorhandene CGI API ermöglicht die Programmierung eigener CGI-Funktion auf dem Webserver. Jede Funktion wird mit einem festen Namen verbunden und wenn eine bestimmte HTTP Anfrage zu diesem Namen ankommt, wird sie von dem Webserver-Task ausgeführt. Zum Beispiel, wenn der SC12 die IP-Adresse besitzt, und eine CGI Funktion die MeinCGI genannt ist, auf den Mikrocontroller installiert ist, bewirkt der Aufruf in einem beliebigen Browser die Ausführung der entsprechenden CGI Funktion. Dieser Mechanismus erlaubt eine dynamische weborientierte Nutzung des SC12. Der resultierende prinzipielle Aufbau eines Dienstes, dessen Eingänge und Ausgänge auf klassischen HTTP Anfragen erfolgen ist in der Abbildung 2-2 skizziert: Lemaignan Seite 7

15 2 Grundlagen MeinCGI.c MeinCGI ( ) { Aufgerufene Funktion } main ( ) { CGI Einrichtung Warteschleife CGI Entfernung } Abbildung 2-2 : Prinzipieller Aufbau eines CGI Dienstes MeinCGI.exe CGI CGI Einrichtung HTTP Anfrage POST /MeinCGI HTTP/1.1 Warteschleife MeinCGI( () ) Aufruf Aufruf HTTP Antwort CGI CGI Entfernung Abbildung 2-3 : Ausführung eines CGI Dienstes Seite 8 Lemaignan

16 2 Grundlagen Zwei bestimmte Interrupte stehen zur Verfügung, um CGI zu einrichten und zu entfernen: Interrupt_0xAB_function_0x01:_CGI_INSTALL, Install a CGI function Interrupt_0xAB_function_0x02:_CGI_REMOVE, Remove a CGI function Tabelle 2-1 : Interrupte zur CGI Einrichtung und Entfernung Die komplette Beschreibung der Funktionen und ihrer Syntaxen, die in der Tabelle 2-1 gegeben sind, sind in dem Anhang A-5 vorhanden Die Hardware und die Hardware-API Das SC12 verfügt über viele verschiedene Schnittstellen mit der Umgebungsdaten abgefragt werden können (neben Ethernet IEEE Base-T, I²C, serielle Bus, 8-bits Datenbus und 14 vollständigen programmierbaren Pins). Neben dem Zugang zur Schnittstellen sind noch im SC12 vielen weiteren Funktionen vorhanden wie Timers, Hardware Interrupte oder DMA Kommunikation. Da unser Ziel jedoch darin besteht, nur einfach mit Sensoren, Aktoren oder eventuell externe Bus wie CAN Bus zu kommunizieren, werden wir uns auf die 14 programmierbaren Pins (ab jetzt als PIO bezeichnet) konzentrieren (Abbildung 2-4). PIO 7 PIO 8 PIO 9 PIO 10 PIO 11 PIO 12 PIO PIO 0 PIO 1 PIO 2 PIO 3 PIO 4 PIO 5 PIO 6 16 BECK SC12 17 Abbildung 2-4 : SC12 PIOs Lemaignan Seite 9

17 2 Grundlagen Alle Hardwarekomponente sind durch das folgenden Layer Modell zugänglich (Abbildung 2-5): Abbildung 2-5 : Layer Modell der SC12s Hardware. INT 6Fh - Service Interrupt Handler Diese Service Interrupt liefert Softwarekompatibilität mit den anderen Beck Produkten. Sie gehört nicht dem Die entstehenden Dienste benutzen die PFE und HAL Schnittstellen, um mit der Hardware zu kommunizieren. PFE - Pin Function Enabler Dieser Teil der Hardware-API liefert Funktionen, um die 14 programmierbare E/A Pins zu steuern. HAL - Hardware Abstraction Layer Dieser Teil der Hardware-API liefert eine Isolierungsschicht zwischen die Software Anwendung und die SC12 Hardware (PIO Pins, Timers, usw ), die materielle Abhängigkeiten vermindert. Um diese PIOs zu steuern, verwendet man in der Praxis bestimmte Interrupte, die in Tabelle 2-2 zusammengefasst sind: Interrupt_0xA2_function_0x82:_PFE: Enable Programmable I/O Pins Interrupt_0xA1_function_0x82:_HAL: Read Programmable I/O Pins Interrupt_0xA1_function_0x83:_HAL: Write Programmable I/O Pins Interrupt_0xA1_function_0x8C:_HAL: Read Specific I/O Pin Interrupt_0xA1_function_0x8D:_HAL: Write to Specific I/O Pin Tabelle 2-2 Interrupte zur PIO Steuerung Die komplette Beschreibung der Funktionen, die in der Tabelle 2-2 gegeben sind, sind auch in dem Anhang A-5 vorhanden. Die konkrete Implementierung dieser Interrupte zeigt das folgende in C geschriebene Beispiel. union REGS inregs; union REGS outregs; //hardware API - Interrupt 0xA2 - Function 0x82 - PFE - Enable PIO //in Register AH, Funktion 0x82 inregs.h.ah = 0x82; //in Register AL, Mode = 1 für Eingang ohne pullup/pulldown Modus inregs.h.al = 1; Seite 10 Lemaignan

18 2 Grundlagen //in Register DX, PIO Nummer, hier z.b. PIO 4 inregs.x.dx = 4; // die Interrupt 0xA2 wird aufgerufen int86(0xa2, &inregs, &outregs); //die Ergebnisse werden in outreg gespeichert. AX enthält die Maske der aktiven PIO, CX die Ausgängepins (alle, auch nicht PIOs. Um nur die Output PIO zu masken, wpio & wouputs), DX die Eingängepins wpio=outregs.x.ax; winputs=outregs.x.dx //wenn AX=CX=DX=0, dann ist ein Fehler eingetreten. if (outregs.x.ax==0 && outregs.x.cx==0 && outregs.x.dx==0) printf("fehler bei Initialisierung!"); //hardware API - Interrupt 0xA1 - Function 0x82 - HAL - Read Programmable I/O Pins //in Register AH, Funktion 0x82 inregs.h.ah = 0x82; //in Register BX, eine AND Maske, hier wpio&winputs, um nur die Pins zu lesen, die gleichzeitig aktive PIO und Eingänge sind. inregs.x.bx = wpio & winputs; //in Register CX, eine XOR Maske, hier einfach 0 inregs.x.cx = 0x0000; // die Interrupt 0xA1 wird aufgerufen int86(0xa1,&inregs,&outregs); //das Ergebnis wird in AX gespeichert. Die " %4.4X " Formatzeichenkette erlaubt eine 4-digits Hexadecimal Anzeige. printf("pio 4 Zustand :%4.4X",outregs.x.ax); Zusätzlich zu den Hardware und CGI APIs benützen wir die Ethernet Schnittstelle. Die ist aber transparenterweise in dem CGI API eingekapselt. Eine ausführliche Beschreibung aller anderen API ist in der SC12 Dokumentation [3] vorhanden. Außerdem wird die konkrete Benutzung des Mikrocontrollers im Kapitel 5.1 behandelt (Zugriff, Daten lesen, schreiben, usw.) Lemaignan Seite 11

19 2 Grundlagen Die Testplatine Die Entwicklung des Webdienstsservers, womit sich diese Studienarbeit beschäftigt, wird von einer Testplatine erleichtert (Abbildung 2-6). Diese Platine wurde von Stephan Hadzhiev (hilfswissenschaftlicher Mitarbeiter am ) entworfen. Sie stellt auf einer Leiterplatte eine regulierte Stromversorgung, einen Ethernet- Anschluss und einen visuellen Zugriff (LEDs) auf 8 der PIOs zusammen. Abbildung 2-6 : Die Testplatine Dank zweier Schalter können die PIOs als Eingänge oder Ausgänge konfiguriert werden. Die Eingänge können dann durch eine Schaltung mit der Stromversorgung geschrieben werden (Abbildung 2-7). Abbildung 2-7 : Ein Eingang im hoch Zustand setzen Seite 12 Lemaignan

20 2 Grundlagen 2.2 Logischer Kontext: die Webdienste Konzept des Webdienstes Was ist ein Webdienst (oder Webservice auf Englisch)? Die Definition des World Wide Web Consortium (W3C) stellt eine gute Basis dar: A Web service is a software system designed to support interoperable machine-to-machine interaction over a network. It has an interface described in a machine-processable format (specifically WSDL). Other systems interact with the Web service in a manner prescribed by its description using SOAP-messages, typically conveyed using HTTP with an XML serialization in conjunction with other Web-related standards. [13] Es handelt sich also um: Eine Anwendung, die über ein Netzwerksarchitektur (z.b. das Internet) Nachrichten austauchen kann. Die Nachrichten sind mittel des SOAP Protokolls gebildet, und werden zum Beispiel mittel des HTTP Protokolls übertragen. Der Zugriff auf der Anwendung ist in einer speziellen standardisierten Datei (WSDL Datei) beschrieben, das erlaubt, der Webdienst einfach zugänglich für Außenanwendungen zu machen. Abbildung 2-8 : RPC-Modell Ein Beispiel für ein Webservice wäre die Anfrage nach Buchungsdaten bei einem Reisebüro : nach Eingabe von Datum und Zielort kann das Client über das Internet Kontakt mit dem Server eines Reisebüros, das ein solche Dienst bietet, aufnehmen und Informationen holen (Abbildung 2-9). Lemaignan Seite 13

21 2 Grundlagen SOAP Anfrage Kunde gibt seine Wünsche ein SOAP Antwort INTERNET Reisebüros Server speichert die Buchungsmöglichkeiten Abbildung 2-9 : Beispiel eines Webdienstes Man kann von Remote Procedure Call (RPC) sprechen: ein ferngesteuerter Prozedur-Aufruf. Vier Webtechnologien, die für uns besonders wichtig sind, wurden bereits erwähnt: HTTP ( Hypertext Transfert Protocol ), XML ( extensible Markup Language ), SOAP ( Simple Object Access Protocol ) und WSDL ( Web Services Description Language ). HTTP ist ein allgemeiner Standard zur Übermittlung von Dokumenten (besonders HTML-Seiten) im Internet. Jedes Mal ein Webbrowser um eine Webseite bittet, wird die Anfrage durch HTTP übertragen (Referenz: SOAP und WSDL sind zwei XML basierten Sprachen, die eng mit dem Webdienstkonzept verbunden sind. SOAP handelt und formalisiert die Anfragen und Antworten nach und aus Fernanwendungen (in dem Fall Webdienste). WSDL beschreibt den Dienst, d.h. insbesondere gibt unter einen formalen Aufbau eine Liste von alle Methoden, die der Webdienst bietet, und die eventuellen entsprechenden Parameter. Im nächsten Abschnitt wird die XML-Metasprache kurz vorgestellt. Dann werden SOAP und WSDL ausführlicher behandelt XML In den letzten Jahren hat sich XML zur Standardlösung für die Beschreibung von Informationen entwickelt, die zwischen heterogenen Systemen ausgetauscht werden sollen. XML ist eine Grundlage für Webdienste und jede andere Technologie in diesem Bereich verwendet XML auf die eine oder andere Weise. Im Folgenden werden die grundlegenden Konzepte beschrieben. XML ist keine richtige Sprache: Es beschreibt die Regeln zur Erzeugung von XML-basierten Auszeichnungssprachen. Seit 1998 wurde eine große Zahl von Sprachen und Spezifikationen zu XML veröffentlicht. Zweck dieser Sprachen ist die Beschreibung von Daten und Dokumenten und deren Verknüpfung, Validierung, Darstellung und Verarbeitung. Seite 14 Lemaignan

22 2 Grundlagen Es geht bei XML darum, strukturierte Daten in Textdateien zu speichern. Bei der Entwicklung von XML standen folgende Ziele im Vordergrund: Es sollte für Menschen wie für Maschinen einfach lesbar sein. Es sollte sich für die Speicherung und Übertragung strukturierter Informationen eignen. Es sollte Mechanismen für die Suche und Filterung bereitstellen. Es sollte (im Gegensatz zu HTML) Inhalt und Darstellung vollkommen trennen. Es sollte individuell erweiterbar sein. [5] Ein XML-Dokument besteht im Wesentlichen aus hierarchisch angeordneten Elementen. Jedes Element beginnt mit einem Start-Tag wie <Buch>, <BuchTitel> oder <ISBN> und endet mit einem End-Tag, wobei der End-Tag nichts anderes ist als das Start-Tag mit einem Schrägstrich vor dem Wort. Jedes Element enthält Informationen, die in einer bestimmten Beziehung zu dem Wort in den Tags stehen: <Buch> <BuchTitel>Der kleine Prinz</BuchTitel> <ISBN> </ISBN> </Buch> Im Element <BuchTitel> zum Beispiel steht der Text zwischen den beiden Tags für einen Titel. Entsprechend beschreibt das Element <ISBN> die ISBN Standardnummer dieses Buches. Der Start-Tag eines Elements kann auch ein oder mehrere Attribute enthalten, wobei jedes Attribut einen Aspekt des zugehörigen Elements beschreibt. Im folgenden Beispiel zeigt das Attribut art an, dass es sich bei dem Buch um ein Märchen handelt: <Buch art="maerchen">... </Buch> Eine optionale Vereinfachung für Elemente, die (außer Attributen) keine weitere Information enthalten, besteht darin, der End-Tag wegzulassen, und stattdessen vor der schließenden Klammer einen Schrägstrich zu machen: <Buch art="maerchen" /> Mit der richtigen Menge von Tags ist es möglich, ein XML-Dokument mit Elementen zu verfassen, die nahezu jede beliebige Information beschreiben. Ein XML-Dokument, das den oben skizzierten Konventionen genügt, nennt man well formed oder wohlgeformt. Ein weiteres Leistungsmerkmal von XML besteht nun darin, dass man über diese Wohlgeformtheit hinausgehend spezielle XML-Sprachen definieren kann. Das heißt, im Hinblick auf eine spezielle Anwendung können spezielle Tags und Attribute festgeschrieben werden. Hierfür gibt es zwei Methoden: Dokumenttyp-Definitionen (DTDs) und das so genannte XML-Schema. Bei der zweiten Methode handelt es sich selbst um eine XML-Sprache, mit deren Hilfe weitere XML-Sprachen definiert werden können. Heutzutage wird in erster Linie das XML-Schema verwendet (siehe Kap ). Lemaignan Seite 15

23 2 Grundlagen Wenn ein Dokument Tags aus einem einzigen Schema verwendet, ist die Welt in Ordnung. Allerdings ist es üblich, Elemente aus zwei oder mehr Schemata in einem Dokument zu mischen, und da diese Schemata unabhängig voneinander erstellt wurden, ist es durchaus möglich, dass ein Tag dabei mit unterschiedlichen Bedeutungen definiert wurde. Zum Beispiel kann das Tag <Buch> in einem Schema ein Buch meiner eigenen Bibliothek bezeichnen und in einem anderen der Stadtbibliothek. Um in einem Dokument Tags aus verschiedenen Schemata zu verwenden, muss es eine Möglichkeit geben, jedes Element mit dem Schema zu verbinden, in dem es definiert wurde. Eine solche Verbindung zu gewährleisten, ist die Rolle der Namespaces o- der auf Deutsch, Namensräume. Ein Namespace stellt einen eindeutigen Bezeichner für eine Gruppe von Namen bereit, wobei jedem Namespace ein Uniform Resource Identifier (URI) zugeordnet ist. Der Namespace, in dem ein Element definiert ist, kann durch ein Attribut angegeben werden. In dem folgenden Beispiel gibt das Attribut xmlns an, dass die Elemente <Buch>, <BuchTitel> und <ISBN> in dem durch bezeichneten Namespace definiert sind (das URI braucht nicht eine reelle Ressource zu bezeichnen): <Buch xmlns="http://www.meinebibliothek.net/"> <BuchTitel>Der kleine Prinz</BuchTitel> <ISBN> </ISBN> </Buch> [11] Informationeneinheiten können also unter viele verschiedene Weisen ausgedrückt. Zur Folge reicht es nicht zu sagen, dass Server und Klient XML für den Nachrichtenaustausch verwenden. Folgendes muss definiert werden: Die Informationstypen, die austauschen werden Wie diese Informationen in XML ausgedrückt werden sollen Wie diese Informationen tatsächlich versendet werden. Ohne eine derartige Übereinkunft können Programme nicht wissen, wie sie die erhaltene Information decodieren müssen, selbst wenn sie in XML codiert wurden. SOAP stellt diese Konventionen zur Verfügung [6] SOAP Protokoll Einführung: ein XML basiertes Protokoll SOAP ( Simple Object Access Protocol ) ist, wie früher gesagt, ein XML-basiertes Protokoll, mit dem Daten verpackt und über ein Transportprotokoll (wie HTTP) verschickt werden können. Es bietet ein einheitliches Modell für einen einfachen und plattformunabhängigen Datenaustausch sowie für entfernte Prozeduraufrufe (RPC). SOAP liegt als W3C-Note unter in der Version 1.2 [11]. Seite 16 Lemaignan

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