楊輝

中北大學(xué)電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院多核實(shí)驗(yàn)室 太原 030051

基于uC/OS-II的LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植

楊輝

中北大學(xué)電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院多核實(shí)驗(yàn)室 太原 030051

LwIP是一款優(yōu)秀的開源TCP/IP協(xié)議棧，應(yīng)用各個嵌入式應(yīng)用，用于簡化接入互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧應(yīng)用開發(fā)。uC/OS-II是一款優(yōu)秀的開源嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。本文深入講解了LwIP移植到uC/OS-II的方法，并進(jìn)行相應(yīng)測試。

LwIP移值;uC/OS-II;AT91SAM7

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及度越來越高，能夠接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來越多，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們工作生活中不可或缺的通信渠道之一。在嵌入式操作系統(tǒng)中加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。uC/OS-II是一款優(yōu)秀的、開源的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信及其管理系統(tǒng)內(nèi)存，但是缺少文件系統(tǒng)，圖形界面，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。本文介紹了uC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)中加入LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的方法，從而使得嵌入式系統(tǒng)能夠接入互聯(lián)網(wǎng)。

1 uC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)概述

uC/OS II 是Labrosse設(shè)計的一款完整的、開源的搶占式實(shí)時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核。代碼絕大部分采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，小部分底層硬件代碼采用匯編語言編寫，因此具有良好的移植性及裁剪性，從8位到64位處理器，已經(jīng)成功移植到超過40種不同構(gòu)架的微處理上。uC/OS II已經(jīng)廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，如手機(jī)、工控設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備，甚至是飛行器等要求極高的應(yīng)用。

uC/OS II是第一個支持ARM Cortex內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，其大部分代碼是用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，這樣對于移植工作很方便。在移植時，只需要用匯編語言及C語言編寫一些與處理器相關(guān)的代碼即可。uC/OS II代碼設(shè)計的結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，代碼總體來說分為三個層次：處理器無關(guān)代碼層，處理器相關(guān)代碼層，以及應(yīng)用程序相關(guān)代碼層。

2 開源TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LwIP簡介

LwIP是由瑞士計算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels等人開發(fā)的專門用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議棧[1]。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIP是一種輕型的TCP/IP協(xié)議棧，在實(shí)現(xiàn)TCP/IP基本功能的基礎(chǔ)上，減少自身代碼容量，并且在運(yùn)行時，減少對RAM的占用。LwIP需要20KB的RAM空間和40KB左右的ROM空間即可運(yùn)行，這樣使得 LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP協(xié)議棧的特性如下：

支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的 IP轉(zhuǎn)發(fā)；

支持 ICMP協(xié)議；

包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的 UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）；

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）；

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；

可選擇的 Berkeley 接口 API（多線程情況下）。

3 LwIP在uC/OS下的移植

本文所用到的嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II版本為V2.5.4.，本文在移植時所用到的開發(fā)環(huán)境為RVMDK4.0。首先我們獲取LwIP代碼，只需到LwIP的官方網(wǎng)站下載。將代碼文件添加至所建立的工程中即可。LwIP協(xié)議棧在最初設(shè)計時就考慮到移植問題，將硬件接口代碼、OS接口代碼、編譯器相關(guān)代碼獨(dú)立分開出來，放在/src/arch目錄下面。在LwIP移植到uC/OS-II中時，只需修改這個目錄下的文件即可移植后的功能框圖如圖1所示。下面是具體的移植過程。

圖1 系統(tǒng)示意圖

3.1 移植CPU及編譯器相關(guān)頭文件

在/src/arch/include/arch目錄下面，是關(guān)于CPU及編譯器相關(guān)的頭文件。這些文件里面定義了數(shù)據(jù)長度，字高低位順序等，這些應(yīng)該與用戶實(shí)現(xiàn)uC/OS-II時定義的數(shù)據(jù)長度一致。我們這里主要涉及cc.h，cpu.h，perf.h這三個文件。下面定義為：

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //小端存儲類型

typedef unsigned char u8_t; //關(guān)于數(shù)據(jù)類型長度的定義，下同

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

注意，C語言的結(jié)構(gòu)體是4字節(jié)對齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包時，則是根據(jù)結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)長度來讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)的，所以在定義struct的時候要加上_packed關(guān)鍵字。在LwIP代碼中，結(jié)構(gòu)體中定義了幾個PACKED_FIELED_xxx宏，缺省的情況下是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。下面是對應(yīng)的宏定義代碼：

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

#define PACK_STRUCT_STRUCT__attribute__((packed))

3.2 與操作系統(tǒng)相關(guān)文件移植

sys_arch.[ch]文件中的內(nèi)容是與移植的操作系統(tǒng)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，下面是相應(yīng)的移植內(nèi)容。

3.2.1 sys_sem_t信號量

LwIP在操作系統(tǒng)中需要使用相應(yīng)的信號量進(jìn)行通信，所以在sys_arch中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的信號量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)：

sys_ sem _send signal（） //發(fā)送信號量

sys_ arch_sem _req（） //請求信號量

在uC/OS-II中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OS_EVENT信號量的各種操作，在功能上同LwIP上的幾個函數(shù)的目標(biāo)功能是完全一樣的，因此，只要把uC/OS-II的函數(shù)進(jìn)行重新封裝成上面的函數(shù)即可。

3.2.2 sys_thread_new 創(chuàng)建新線程LwIP可以是單線程運(yùn)行，即只有一個tcpip線程（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tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運(yùn)行，以提高效率，降低編程復(fù)雜度。這時需要用戶實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建新線程的函數(shù)：

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

在uC/OS-II中，沒有線程的概念，只有任務(wù)。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并沒有uC/OS-II中優(yōu)先級的概念，實(shí)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。

3.2.3 sys_mbox_t 消息

LwIP要使用消息隊(duì)列來進(jìn)行緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此，要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t及其相應(yīng)的發(fā)送和獲取操作函數(shù)：

sys_mbox_post（） //向隊(duì)列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch（） //從隊(duì)列中獲取消息

uC/OS-II同樣實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是，uC/OS-II 沒有對消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在uC/OS-II的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對消息的管理，我們定義一個結(jié)構(gòu)體積。

包括OS_EVENT類型的指針（pQ）和隊(duì)列內(nèi)的消息兩部分。對隊(duì)列本身的管理利用uC/OS-II自己的 OSQ操作完成，然后使用uC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實(shí)現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了 LwIP的消息隊(duì)列功能。

3.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序

LwIP可以有多個相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都有一個對應(yīng)的 struct netif結(jié)構(gòu)， 此netif包含了其屬性、收發(fā)函數(shù)等。LwIP中的代碼通過調(diào)用netif的函數(shù)netif->input()及netif->output()進(jìn)行以太網(wǎng)的包收發(fā)操作。我們在驅(qū)動程序中主要做的移植工作是實(shí)現(xiàn)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的初始化、接收、發(fā)送及對應(yīng)中斷處理函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序工作在IP協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)接口層

3.4 lib_arch中庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)

LwIP協(xié)議棧需要實(shí)現(xiàn)8個外部函數(shù)，這些函數(shù)都是與CPU和用戶編譯器相關(guān)的，需要用戶去實(shí)現(xiàn)。

4 移植功能測試

在完成上面的移植工作后，就可以對移植代碼進(jìn)行應(yīng)用程序測試。測試工作主要為初始化LwIP協(xié)議棧，并創(chuàng)建TCP或者UDP等任務(wù)進(jìn)行測試。

正確編譯運(yùn)行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply 響應(yīng)。用 telnet ip地址 7（登錄 7號端口）命令可以看到echo server 的回顯效果。說明 ARP、ICMP、IP、TCP協(xié)議都已正確運(yùn)行，說明網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)成功移植。總之，LwIP作為的開源TCP/IP協(xié)議棧，在帶網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)備開發(fā)中可以比較廣泛的的使用。

[1] 張翠, 鄧志良.LwIP協(xié)議棧在uC/OS-Ⅱ上的移植和應(yīng)用.微計算機(jī)信息.2010,23(2)：43-45

[2] 胡俐蕊.基于LwIP的uC/OS-Ⅱ網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計方法.計算機(jī)應(yīng)用與軟件.2010,19(1)：145-148

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.054