實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/0S II下TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2012-08-19 02:15:43

關(guān)鍵字：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) TCP/IP協(xié)議棧 STRUCT RC

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[導(dǎo)讀]實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/0S II下TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

摘要：結(jié)合ez80和ARM7兩種系統(tǒng)上的具體實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明了如何在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/0SII上移植實(shí)現(xiàn)LwIP這套TCP/IP協(xié)議棧，使uC/0S II成為支持網(wǎng)絡(luò)的RTOS。

1 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。uC/0S II是近年來(lái)發(fā)展迅速的一個(gè)開(kāi)放源碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但它只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核，缺少對(duì)外圍設(shè)備和接口的支持，如沒(méi)有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形界面。筆者在多個(gè)嵌入式項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎(chǔ)，給uC/0S II加上了網(wǎng)絡(luò)支持。下面就以u(píng)C/0S II +LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實(shí)現(xiàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。

需要說(shuō)明的是，筆者使用的ez80系統(tǒng)是Zilog公司的ez80190開(kāi)發(fā)板，自帶網(wǎng)絡(luò)芯片。而ARM7系統(tǒng)是使用筆者參與開(kāi)發(fā)的Skyeye，一個(gè)基于GDB的ARM7TDMI指令級(jí)軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網(wǎng)絡(luò)芯片，可以運(yùn)行帶網(wǎng)絡(luò)支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相關(guān)程序和代碼都可以在Skyeye網(wǎng)站(hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/)下載。

2 基于uC/0S II的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)概述

嵌入式操作系統(tǒng)uC/0S II是一個(gè)公開(kāi)源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS，其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。uC/0S II的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開(kāi)源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好。可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)應(yīng)用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。目前國(guó)內(nèi)對(duì)uC/0S II的研究和應(yīng)用都很多。

TCP/IP是Internet的基本協(xié)議，以其實(shí)用性、高效性已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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。目前嵌入式設(shè)備上TCP/IP方案有很多種，但面向低端應(yīng)用的開(kāi)源嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)還很少見(jiàn)。

uC/0S II是一個(gè)富有開(kāi)放色彩的RTOS，只要買(mǎi)一本書(shū)就可獲得源代碼，對(duì)學(xué)校和教育的使用完全免費(fèi)，商業(yè)應(yīng)用的費(fèi)用相對(duì)也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，用戶(hù)需要付費(fèi)才能獲得，很少給出源代碼，這影響了uC/0S II的研究和推廣。通過(guò)把開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到uC/0S II上來(lái)，就獲得了一套可免費(fèi)研究、學(xué)習(xí)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)。

3 開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧LwIP簡(jiǎn)介

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院(Swedish InSTitute of Computer Science)的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP TCP/IP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，一般它只需要幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP的特性如下：

(1) 支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)

(2) 支持ICMP協(xié)議

(3) 包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的的UDP(用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)

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

(5) 提供專(zhuān)門(mén)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A(yíng)PI(多線(xiàn)程情況下)

我們目前使用的是LwIP的最新穩(wěn)定版V0.5.3。有關(guān)LwIP的詳細(xì)內(nèi)容，可以參考其代碼和網(wǎng)站上的文檔。

4 LwIP在uC/0S II下的實(shí)現(xiàn)

4.1 概述

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了將來(lái)的移植問(wèn)題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部份獨(dú)立出來(lái)，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在uC/0S II上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不應(yīng)該修改。下面分幾部份分別說(shuō)明相應(yīng)文件的實(shí)現(xiàn)原理和過(guò)程。具體的代碼限于篇幅沒(méi)有給出，Skyeye網(wǎng)站上有完整的代碼和說(shuō)明。

4.2 與CPU或編譯器相關(guān)的include文件

/src/arch/include/arch目錄下cc.h、CPU.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，字的高低位順序等。這應(yīng)該與用戶(hù)實(shí)現(xiàn)uC/0S II時(shí)定義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等參數(shù)是一致的。

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認(rèn)為小端存儲(chǔ)系統(tǒng)

//數(shù)據(jù)類(lèi)型長(zhǎng)度的定義

typedef unsigned char u8_t;

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

typedef unsigned int u32_t;

typedef signed int s32_t;

此外還有一點(diǎn)：一般情況下C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對(duì)齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時(shí)候，LwIP使用的是通過(guò)結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時(shí)候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對(duì)齊。LwIP也考慮到了這個(gè)問(wèn)題，所以，在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個(gè)PACKED_FIELD_xxx宏，默認(rèn)的時(shí)候這幾個(gè)宏都是空的，可以在移植的時(shí)候添加不同的編譯器所對(duì)應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye(ARM7)上對(duì)應(yīng)gcc編譯器的定義：

#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_BEGIN

#define PACK_STRUCT_END

4.3 sys_arch操作系統(tǒng)相關(guān)部份

sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，主要可以分為四個(gè)部份：

(1) sys_sem_t 信號(hào)量

LwIP中需要使用信號(hào)量通信，所以在sys_arch中應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)：

struct sys_sem_t

sys_sem_new() //創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)

sys_ sem _free() //釋放一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)

sys_ sem _signal() //發(fā)送信號(hào)量

sys_ arch_sem _wait() //請(qǐng)求信號(hào)量

由于uC/0SII已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個(gè)函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把uC/0SII的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù)，就可以直接使用了。

(2) sys_mbox_t 消息

LwIP使用消息隊(duì)列來(lái)緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：[!--empirenews.page--]

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_free() //釋放一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_post() //向消息隊(duì)列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊(duì)列中獲取消息

uC/0SII同樣實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是uC/0SII沒(méi)有對(duì)消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在uC/0SII的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的管理，我們定義了以下結(jié)構(gòu)：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類(lèi)型的隊(duì)列指針(pQ)和隊(duì)列內(nèi)的消息(pvQEntries)兩部分，對(duì)隊(duì)列本身的管理利用uC/0SII自己的OSQ操作完成，然后使用uC/0SII中的內(nèi)存管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來(lái)形成了LwIP的消息隊(duì)列功能。

(3) sys_arch_timeout 函數(shù)

LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線(xiàn)程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線(xiàn)程都對(duì)應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線(xiàn)程的timeout時(shí)間長(zhǎng)度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線(xiàn)程對(duì)應(yīng)的sys_timeout為空(NULL)，說(shuō)明該線(xiàn)程對(duì)連接做永久的等待。

timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對(duì)結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線(xiàn)程所對(duì)應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。timeout隊(duì)列屬于線(xiàn)程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶(hù)實(shí)現(xiàn)。

(4) sys_thread_new 創(chuàng)建新線(xiàn)程

LwIP可以是單線(xiàn)程運(yùn)行，即只有一個(gè)tcpip線(xiàn)程(tcpip_thread)，負(fù)責(zé)處理所有的tcp/ucp連接，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過(guò)tcpip線(xiàn)程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線(xiàn)程運(yùn)行，以提高效率，降低編程復(fù)雜度。這時(shí)就需要用戶(hù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建新線(xiàn)程的函數(shù)：

void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);

在uC/0S II中，沒(méi)有線(xiàn)程(thread)的概念，只有任務(wù)(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實(shí)現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒(méi)有uC/0S II中優(yōu)先級(jí)的概念，實(shí)現(xiàn)時(shí)要由用戶(hù)事先為L(zhǎng)wIP中創(chuàng)建的線(xiàn)程分配好優(yōu)先級(jí)。

4.4 lib_arch中庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

LwIP協(xié)議棧中用到了8個(gè)外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶(hù)使用的系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，因此留給用戶(hù)自己實(shí)現(xiàn)。如下：

u16_t htONs(u16_t n); //16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換

u16_t ntohs(u16_t n);

u32_t htonl(u32_t n); //32位數(shù)據(jù)大小頭對(duì)調(diào)

u32_t ntohl(u32_t n);

int strlen(const char *str); //返回字符串長(zhǎng)度

int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len); //字符串比較

void bcopy(const void *src, void *dest, int len); //內(nèi)存數(shù)據(jù)塊之間的互相拷貝

void bzero(void *data, int n); //內(nèi)存中指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊清零

前四個(gè)函數(shù)通常由用戶(hù)自己實(shí)現(xiàn)。Skyeye(ARM7)中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫(kù)里已經(jīng)有了后四個(gè)函數(shù)。而ez80的編譯器函數(shù)庫(kù)中缺少bcopy和bzero兩個(gè)，需要自己編寫(xiě)。用戶(hù)在其它CPU上實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)自己的編譯器來(lái)決定。

4.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

ez80開(kāi)發(fā)板自帶的網(wǎng)絡(luò)芯片為RealTek的8019as芯片，這是ISA 10BASE-T的以太網(wǎng)芯片，與Ne2k兼容。而我們?cè)贏(yíng)T91模擬器Skyeye中所仿真的網(wǎng)絡(luò)芯片也是Ne2k，所以目前實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是針對(duì)Ne2k的，其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)可以在LwIP的網(wǎng)站上找到。LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅(qū)動(dòng)的模板，用戶(hù)為自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)參照此模板。

在LwIP中可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都對(duì)應(yīng)了一個(gè)struct netif，這個(gè)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->output()進(jìn)行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。在驅(qū)動(dòng)中主要做的，就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序工作在IP協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)接口層，它提供給上層(IP層)的接口函數(shù)如下：

//網(wǎng)卡初始化函數(shù)

void ethernetif_init(struct netif *netif)

//網(wǎng)卡接收函數(shù)，從網(wǎng)絡(luò)接口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并把其中的IP報(bào)文向IP層發(fā)送

//在中斷方式下由網(wǎng)卡ISR調(diào)用

void ethernetif_input(struct netif *netif)

//網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，給IP層傳過(guò)來(lái)的IP報(bào)文加上以太網(wǎng)包頭并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送

err_t ethernetif_output(struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)

//網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ISR

void ethernetif_isr(void);

以上的函數(shù)都可以分為協(xié)議棧本身的處理和對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對(duì)上層屏蔽的，具體參見(jiàn)RTL8019as、DM9008等Ne2k網(wǎng)絡(luò)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)。驅(qū)動(dòng)程序可以到Skyeye或LwIP的網(wǎng)站下載。

5 應(yīng)用實(shí)例的建立和測(cè)試

做完上面的移植修改工作以后，就可以在uC/0SII中初始化LwIP，并創(chuàng)建TCP或UDP任務(wù)進(jìn)行測(cè)試了。這部份完全是C語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，因此這部份在ez80和ARM7上基本都是一樣的。值得注意的是LwIP的初始化必須在uC/0SII完全啟動(dòng)之后也就是在任務(wù)中進(jìn)行，因?yàn)樗某跏蓟玫搅诵盘?hào)量等OS相關(guān)的操作。關(guān)鍵部份的代碼和說(shuō)明如下：

main(){

OSInit();

OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo11, &lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0);

OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1);

OSStart();

}

主程序中創(chuàng)建了lwip_init_task初始化LwIP任務(wù)(優(yōu)先級(jí)0)和usr_task用戶(hù)任務(wù)(優(yōu)先級(jí)1)。lwip_init_task任務(wù)中除了初始化硬件時(shí)鐘和LwIP之外，還創(chuàng)建了tcpip_thread(優(yōu)先級(jí)5)和tcpecho_thread(優(yōu)先級(jí)6)。實(shí)際上tcpip_thread才是LwIP的主線(xiàn)程，多線(xiàn)程的Berkley API也是基于這個(gè)線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)的，即上面的tcpecho_thread線(xiàn)程也要依靠tcpip_thread線(xiàn)程來(lái)與外界通信，這樣做的好處是編程簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰。[!--empirenews.page--]

實(shí)用Berkley API實(shí)現(xiàn)的tcpecho_thread是一個(gè)TCP echo服務(wù)器，*7號(hào)端口，程序框架如下：

void tcpecho_thread(void *arg){

conn = netconn_new(NETCONN_TCP); //創(chuàng)建新的連接標(biāo)識(shí)

netconn_bind(conn, NULL, 7); //綁定到7號(hào)端口

netconn_listen(conn); //開(kāi)始*端口

while(1){

newconn = netconn_accept(conn); //接收外部到來(lái)的連接

buf = netconn_recv(newconn) //獲取數(shù)據(jù)

……. //處理數(shù)據(jù)

netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發(fā)送數(shù)據(jù)

netconn_delete(newconn); //釋放本次連接

}