LwIP協(xié)議在μC/OS操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)

引 言

當(dāng)今的信息時代，是一個構(gòu)筑在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的時代，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到人們工作和生活的各個角落。隨著計算機的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已成為計算機領(lǐng)域的一個重要組成部分。將嵌入式系統(tǒng)與 結(jié)合起來，就可以在兩者之間實現(xiàn)方便、低廉的信息交流。

但是，目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能還十分有限：以MCU為核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備配合實現(xiàn)一定的功能。在一些工業(yè)和汽車應(yīng)用中，利用CAN、、 等總線將MCU組網(wǎng)，實現(xiàn)多個MCU之間的信息交流，但這種網(wǎng)絡(luò)的有效半徑比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于以外的，所以局限性較大。把嵌入式系統(tǒng)連接到上，已成為嵌入式系統(tǒng)今后發(fā)展的一個重要方向，而且也將成為今后嵌入式系統(tǒng)必須具備的功能之一。

嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方式

目前Internet上的通信實現(xiàn)方式大都是基于TCP/IP協(xié)議，嵌入式設(shè)備要與Internet網(wǎng)絡(luò)直接交換信息，就必須支持TCP/IP協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方式有硬件固化和軟件實現(xiàn)兩種。

硬件方式是指利用TCP/IP協(xié)議棧的硬件芯片，由它實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能。但這樣做的缺點是增加了硬件成本，對一些功能單一的嵌入式設(shè)備來說是很大的浪費，而且所增加的成本有時是難以接受的。

本文提出了一種軟件實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的方法，通過簡化的TCP/IP協(xié)議LwIP實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。要在完成原來控制系統(tǒng)功能的前提下，同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，既要發(fā)送又要接收，沒有操作系統(tǒng)支持簡直不可想象，所以將其移植到嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS中，由操作系統(tǒng)對其進行任務(wù)的管理與調(diào)度。

LwIP 協(xié)議簡介

LwIP是Light Weight (輕型)IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行。LwIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM 的占用，一般它只需要幾百字節(jié)的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

其主要特性如下：

①支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)；

②支持協(xié)議；

③包括實驗性擴展的UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)；

④包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)議)；

⑤提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口(Raw API)，用于提高應(yīng)用程序性能；

⑥可選擇的Berkeley接口API (在多線程情況下使用) 。

μC/OS操作系統(tǒng)

μC/OS是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式系統(tǒng)中。其特點可以概括為以下幾個方面：源代碼公開，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡；可移植性好；可裁剪，可固化；最多可以管理60個任務(wù)，覆蓋器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內(nèi)存管理，還支持互斥型信號量(Mutual Exclusion Semaphore)；μC/OS除對商業(yè)應(yīng)用收取少量許可費用外，其它用途的應(yīng)用都是免費的。但是缺少對外圍設(shè)備和接口的支持，沒有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形界面，這些需要用戶自己去實現(xiàn)。

由于LwIP 會為每個網(wǎng)絡(luò)連接動態(tài)分配一些信號量和消息隊列，當(dāng)連接斷開時會刪掉這些信號量和消息隊列。較低的版本如μC/.0不支持信號量和消息隊列的刪除，所以要選擇高一些的版本，本文中選用的是μC/.51版本。

LwIP協(xié)議的移植

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由MCU、網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動、μC/OS操作系統(tǒng)、LwIP協(xié)議棧和應(yīng)用程序6 個部分組成。下面從與MCU 的接口、與網(wǎng)卡接口、與高層應(yīng)用程序接口等幾部分，說明LwIP 移植的具體方法和實現(xiàn)過程。

圖1　系統(tǒng)示意圖

與M. 2107 接口的實現(xiàn)

基于X86平臺的PC機是小端字節(jié)順序，而M. 2107默認為大端存儲系統(tǒng)。因而為了保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，對int、uint16、uint32等多于1 字節(jié)類型的數(shù)據(jù)變換其存儲順序。字節(jié)順序是指占內(nèi)存多于一個字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，通常有小端、大端兩種字節(jié)順序。小端字節(jié)序是指低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處；大端字節(jié)序是指高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處。

C編譯器修改

在LwIP中各個報頭的定義使用struct結(jié)構(gòu)，默認情況下C編譯器為結(jié)構(gòu)的每個成員按其自然對界條件分配空間，但是LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以必須對編譯器進行修改，讓它放棄字節(jié)對齊。

與μC/OS操作系統(tǒng)接口的實現(xiàn)

與操作系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和函數(shù)主要可以分為信號量、消息隊列、器函數(shù)和創(chuàng)建新線程函數(shù)，下面從4個部分對移植的過程進行詳細地論述。

(1) 信號量

LwIP中需要使用信號量進行通信，所以在sys_arch中應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)的信號量結(jié)構(gòu)體struct sys_和處理函數(shù)sys_sem_new() 、sys_sem_() 、sys_sem_signal ( ) 和sys_arch_sem_wait ( ) 。由于μC/OS已經(jīng)實現(xiàn)了信號量OSEVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把μC/OS的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù)，就可直接使用。

(2) 消息隊列

LwIP 使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此要實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t ，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：sys_mbox_new() 、sys_mbox_ () 、sys_mbox _ () 和sys_arch_mbox_fetch() 。μC/OS實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)OSQ 及其操作，但是μC/OS沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在μC/OS的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)。具體實現(xiàn)時，對隊列本身的管理利用μC/OS自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS中的內(nèi)存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回收，兩部分起來形成了LwIP的消息隊列功能。

(3) 器函數(shù)

LwIP中每個和TCP/IP相關(guān)的任務(wù)的一系列定時事件組成一個單向鏈表，每個鏈表的起始指針存在lwip_timeouts 的對應(yīng)表項中，如圖2所示。移植時需要實現(xiàn)struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts (void) 函數(shù)，該函數(shù)返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeout 隊列指針。

圖2　定時事件鏈表

(4) 創(chuàng)建新線程函數(shù)

在μC/OS 中，沒有線程(thread) 的概念，只有任務(wù)() 。它提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSCreate，因此只要把OSCreate封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有μC/OS 中優(yōu)先級的概念，實現(xiàn)時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的移植

本系統(tǒng)中選擇的以太網(wǎng)控制芯片是 ，它是8/16 位ISA總線的網(wǎng)卡，遵循IEEE802. 3 協(xié)議。

內(nèi)部按鏈路數(shù)的不同，可以劃分為遠程DMA通道和本地DMA 兩個部分。當(dāng)主處理器要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA 通道送到中的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)送傳送命令。RTL8019AS在完成上一幀的發(fā)送后，再進行此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC 校驗后，由存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器，主處理器再通過遠程DMA 通道讀取這一幀數(shù)據(jù)。

在LwIP中有多個網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)了一個struct netif，這個netif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。LwIP 調(diào)用netif 的方法netif->input() 及netif->() 進行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅(qū)動的模板，用戶為自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)驅(qū)動時應(yīng)參照此模板。

LwIP 協(xié)議的測試

為了進行應(yīng)用程序的測試，首先在μC/OS中初始化LwIP，創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù)，值得注意的是LwIP的初始化必須在μC/OS完全啟動之后，也就是在任務(wù)中進行，因為它的初始化用到了信號量等與操作系統(tǒng)相關(guān)的操作。

本系統(tǒng)使用EVB2107(Evaluation Board2107) 評估板進行應(yīng)用程序的調(diào)試，該評估板是輔助用戶開發(fā)調(diào)試M.系列中的MMC2107 微控制器的一種電路板，外擴2MB FLASH和1MB SRAM存儲器，利用EVB 2107用戶可以開發(fā)應(yīng)用程序的代碼。測試時，可以把網(wǎng)卡的IP地址設(shè)置為任意值，在CodeWarrior IDE 的控制臺窗口中運行ping IP地址-l2000-t，不間斷用長度為2000的數(shù)據(jù)報進行ping測試，同時使用tftp 客戶端軟件給該IP 地址下載一個幾兆的程序，發(fā)現(xiàn)一切工作正常，說明ARP、、IP、TCP 協(xié)議都已正確運行。

總 結(jié)

本設(shè)計方案兼顧了小容量和通用性的要求，可以在多種硬件平臺上實現(xiàn)，并且便于移植。