王磊，吳海洋

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，大連116028）

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，普適計(jì)算理念［1］的深化和大數(shù)據(jù)處理能力的增強(qiáng)，更多數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中化、智能化處理。在此背景下，對(duì)小型嵌入式設(shè)備提出了具有網(wǎng)絡(luò)通信能力的更高要求［2］。通過在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧lwIP［3］，將為此類設(shè)備的研發(fā)提供具有網(wǎng)絡(luò)功能的操作系統(tǒng)支持。

lwIP是一款優(yōu)秀的輕量級(jí)嵌入式網(wǎng)絡(luò)組件，為各領(lǐng)域眾多嵌入式設(shè)備提供了小容量低成本的TCP／IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。當(dāng)前眾多知名半導(dǎo)體芯片廠商提供的軟件開發(fā)包中，都毫無例外地選用lwIP為網(wǎng)絡(luò)支持組件［4］。但是，不同芯片廠商的軟件開發(fā)包基于不同的操作系統(tǒng)，需要切換不同的嵌入式開發(fā)環(huán)境，給開發(fā)人員學(xué)習(xí)和使用帶來了額外工作量［5］，延長(zhǎng)了開發(fā)周期。μTenux作為開源免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持ST、ATMEL、NXP、Freescale、TI等多家芯片廠商ARM Cortex-M 構(gòu)架的主流芯片，應(yīng)用該操作系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)可縮短開發(fā)周期，降低商業(yè)成本［6］。

1 lwIP協(xié)議棧

lwIP（lightweight IP）是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels設(shè)計(jì)編寫而后全世界開源貢獻(xiàn)者共同升級(jí)維護(hù)的開源代碼。該組件沒有嚴(yán)格地遵循TCP／IP 協(xié)議的分層思想，采用各個(gè)協(xié)議層交叉存取和內(nèi)存共享的構(gòu)架方式，是一個(gè)以占用盡量小的資源代價(jià)實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的輕量型中間件。

lwIP的主要特點(diǎn)如下［7］：

①實(shí)現(xiàn)了包括IP、ICMP、UDP、TCP、IGMP、ARP、PPPoS、PPPoE在內(nèi)的諸多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；

②協(xié)議棧支持DHCP客戶端，DNS客戶端，AutoIP／APIPA（零配置網(wǎng)絡(luò)）和SNMP代理（私有的MIB支持）；

③擁有增強(qiáng)功能的獨(dú)有API接口和可選的Berkeley風(fēng)格的Socket API接口；

④支持多網(wǎng)絡(luò)接口、TCP擁塞控制、延時(shí)估計(jì)和快速恢復(fù)、快速重傳機(jī)制；

⑤包含HTTP 服務(wù)器、SNTP 客戶端、SMTP 客戶端、ping、NetBIOS域名解析器等應(yīng)用示例。

從上述特點(diǎn)可以看出，lwIP 是一個(gè)功能全面的協(xié)議棧。同時(shí)，因?yàn)閘wIP僅僅占用RAM 空間幾十KB，ROM空間40KB左右，所以該組件成為ARM 構(gòu)架32位嵌入式設(shè)備中網(wǎng)絡(luò)中間件的首選。

1.3.2 版本的lwIP從代碼的組織結(jié)構(gòu)上可分為4個(gè)層次，如圖1所示，其中netif是和底層物理環(huán)境緊密相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)部分，該部分主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器初始化和數(shù)據(jù)包收發(fā)的功能。arch是lwIP 為移植設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)模擬層，移植時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建sys＿arch.c文件，并在該文件中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，任務(wù)間消息傳遞的郵箱和信號(hào)量，同步以及超時(shí)保護(hù)等機(jī)制。core和api包含了lwIP核心代碼和應(yīng)用編程接口代碼，移植時(shí)不需要修改。值得指出的是，lwIP 在沒有操作系統(tǒng)的支持下也可以運(yùn)行，此時(shí)不需要arch組件的支持，但是lwIP只能運(yùn)行在一個(gè)線程下，會(huì)降低性能。

圖1 lwIP組件結(jié)構(gòu)圖

2 μTenux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

μTenux是由T-Engine中國(guó)開源社區(qū)研發(fā)推出的適用于32位ARM Cortex-M 系列內(nèi)核的嵌入式多任務(wù)硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)采用可移植、可裁剪、任務(wù)可剝奪的μT-Kernel作為系統(tǒng)內(nèi)核規(guī)范，允許開發(fā)人員在小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化和裁剪。圖2 給出了μTenux操作系統(tǒng)構(gòu)架，其中內(nèi)核μT／Kernel由三部分（μT／OS、μT／SM、μT／DS）構(gòu)成［8］，分別為操作系統(tǒng)內(nèi)核、管理內(nèi)核和調(diào)試內(nèi)核。底層包含完整的驅(qū)動(dòng)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)C 庫(kù)文件，中間件和上層接口采用主流的第三方組件［6］。本文是μTenux中μT／Subass 研發(fā)的一部分，開源代碼會(huì)隨μTenux軟件包一起在T-Engine中國(guó)開源社區(qū)公布并不斷完善升級(jí)。

圖2 μTenux操作系統(tǒng)構(gòu)架

3 移植過程

lwIP基于操作系統(tǒng)的移植主要分為三個(gè)方面［9］：①根據(jù)基于的CPU 構(gòu)架不同，需要定義和硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)類型與結(jié)構(gòu)以及調(diào)試、測(cè)量等函數(shù)實(shí)現(xiàn)方法；②實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層的多任務(wù)、郵箱、信號(hào)量、同步、時(shí)間超限等函數(shù)；③根據(jù)使用的網(wǎng)絡(luò)控制器芯片不同，以及和主控芯片通信的協(xié)議不同，需要對(duì)底層以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移植。結(jié)合μTenux操作系統(tǒng)中的對(duì)象特點(diǎn)，本部分對(duì)lwIP移植過程中的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 lwIP郵箱函數(shù)的移植

當(dāng)產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)包處理時(shí)，lwIP 中各個(gè)協(xié)議層之間通過維護(hù)同一個(gè)數(shù)據(jù)空間來減少數(shù)據(jù)包復(fù)制帶來的RAM損耗和時(shí)間損耗，該數(shù)據(jù)包所占空間的起始地址在各個(gè)協(xié)議層之間通過郵箱機(jī)制進(jìn)行傳遞。

lwIP的郵箱機(jī)制需要實(shí)現(xiàn)郵箱的創(chuàng)建、刪除、發(fā)送（堵塞函數(shù)，直到發(fā)送成功）、嘗試發(fā)送（發(fā)送后立即返回狀態(tài)）、接收（帶有定時(shí)參數(shù)，有時(shí)間限制）、嘗試接收（接收后立即返回狀態(tài)）等6 個(gè)函數(shù)。按照lwIP 的移植要求，在sys＿arch.c中要實(shí)現(xiàn)以上函數(shù)。μTenux本身的郵箱機(jī)制對(duì)消息結(jié)構(gòu)有特殊規(guī)定，本文采用消息緩沖區(qū)機(jī)制實(shí)現(xiàn)lwIP 的郵箱函數(shù)封裝。μTenux和其他操作系統(tǒng)功能上的區(qū)別可以從消息緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上得以體現(xiàn)。μTenux提供的相關(guān)函數(shù)有：建立和刪除消息緩沖區(qū)，發(fā)送和接收消息以及查詢消息緩沖區(qū)的狀態(tài)。

圖3是μTenux緩沖區(qū)機(jī)制消息傳遞過程的示意圖，每個(gè)消息緩沖區(qū)都包含一個(gè)等待發(fā)送消息的任務(wù)隊(duì)列和一個(gè)等待接收消息的任務(wù)隊(duì)列［9］。圖中，以兩個(gè)任務(wù)隊(duì)列各有一個(gè)任務(wù)為例，發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)通過動(dòng)作①和②實(shí)現(xiàn)消息的傳遞。每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的消息緩沖區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的空間，內(nèi)核通過MBFCB（消息緩沖區(qū)控制塊）進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的環(huán)狀消息結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)建、使用和釋放消息緩沖區(qū)的過程中，μT／Kernel內(nèi)核始終對(duì)內(nèi)存進(jìn)行著最優(yōu)的管理，這個(gè)過程中不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片。消息緩沖區(qū)機(jī)制可用來傳遞大小可變的消息，因?yàn)橐么藱C(jī)制實(shí)現(xiàn)lwIP的郵箱函數(shù)，所以封裝時(shí)對(duì)lwIP的消息取地址，將地址作為μTenux緩沖區(qū)的內(nèi)容傳遞。

以郵箱的創(chuàng)建為例，可以直接對(duì)tk＿cre＿mbf函數(shù)進(jìn)行封裝，其中maxmsz（最大消息長(zhǎng)度）的參數(shù)為sizeof（void＊），是因?yàn)猷]箱傳遞的參數(shù)是數(shù)據(jù)指針，所以這里最大消息長(zhǎng)度規(guī)定不會(huì)超過這個(gè)長(zhǎng)度。代碼略——編者注。

圖3 μTenux的消息緩沖區(qū)機(jī)制

lwIP郵箱的其他實(shí)現(xiàn)函數(shù)也是對(duì)消息緩沖區(qū)相關(guān)函數(shù)的封裝，需要注意兩點(diǎn)，μTenux的消息緩沖區(qū)函數(shù)中與時(shí)限有關(guān)的參數(shù)和lwIP中給出的定義不同；使用μTenux消息緩沖區(qū)機(jī)制傳遞的是lwIP郵箱消息的二重指針。

3.2 lwIP信號(hào)量函數(shù)的移植

lwIP的信號(hào)量機(jī)制需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)量的創(chuàng)建、刪除、占用、等待等4個(gè)函數(shù)。信號(hào)量機(jī)制在操作系統(tǒng)中很常見，它一般用來指示可用資源，并將可用資源以數(shù)值的形式表示出來，多任務(wù)系統(tǒng)可以通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步和互斥控制。μTenux的信號(hào)量機(jī)制中包含一個(gè)資源計(jì)數(shù)器和一個(gè)等待信號(hào)量的任務(wù)隊(duì)列。一個(gè)任務(wù)可以發(fā)出事件通知，釋放返回m 個(gè)資源，此時(shí)，信號(hào)量資源計(jì)數(shù)加m。相反，當(dāng)該任務(wù)正在等待事件獲得n個(gè)資源時(shí)，信號(hào)量資源計(jì)數(shù)器將減n。如果信號(hào)量資源的數(shù)量不夠，信號(hào)量計(jì)數(shù)器可以變成負(fù)值，則嘗試獲取資源的任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，直至下次有資源釋放返回。等待信號(hào)量資源的任務(wù)會(huì)被置入信號(hào)量任務(wù)隊(duì)列中。μTenux為防止過多資源同時(shí)返回到信號(hào)量，在信號(hào)量中設(shè)置一個(gè)最大信號(hào)量計(jì)數(shù)器，當(dāng)返回到信號(hào)量的資源造成最大計(jì)數(shù)的超出時(shí)報(bào)錯(cuò)［8］。lwIP的信號(hào)量實(shí)現(xiàn)可以直接使用μTenux的信號(hào)量機(jī)制。以信號(hào)量的創(chuàng)建為例，可以直接對(duì)tk＿cre＿sem 函數(shù)進(jìn)行封裝，其中maxsem 由用戶在sys＿arch.h中設(shè)定，配置成CFN＿M(jìn)AX＿SEMID（μTenux 信號(hào)量的配置值），使μTenux 中的資源配置直接用于lwIP。代碼略——編者注。

lwIP信號(hào)量的其他實(shí)現(xiàn)函數(shù)也是對(duì)相關(guān)函數(shù)的封裝，和郵箱機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法一樣，要考慮時(shí)限的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 lwIP網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動(dòng)函數(shù)的移植

3.3.1 lwIP協(xié)議棧數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

在lwIP中，每次數(shù)據(jù)包處理時(shí)占用的數(shù)據(jù)空間采用pbuf結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)同BSD中的mbuf結(jié)構(gòu)類似，是網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的核心［9］。

lwIP的實(shí)現(xiàn)同樣基于TCP／IP 協(xié)議的分層思想，在lwIP的core組件中包含單獨(dú)命名的模塊，例如udp.c、tcp.c、dhcp.c等，它們彼此共享一個(gè)共同的數(shù)據(jù)空間，各個(gè)層次之間傳遞的是數(shù)據(jù)地址而不是數(shù)據(jù)本身，這個(gè)數(shù)據(jù)采用的是上文提到的pbuf結(jié)構(gòu)，如圖4所示。pbuf結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存區(qū)域和申請(qǐng)方式不同，有4種不同的類型，本文以典型的PBUF＿RAM 類型為例，通過圖4分析pbuf的結(jié)構(gòu)定義。

圖4 pbuf結(jié)構(gòu)

pbuf結(jié)構(gòu)中有7個(gè)參數(shù)，通過next指針組成pbuf鏈表。一個(gè)數(shù)據(jù)包往往包含多個(gè)pbuf結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，lwIP在運(yùn)行中涉及消息的接收、發(fā)送、傳遞、丟棄等操作，要通過這幾個(gè)參數(shù)中的長(zhǎng)度和標(biāo)志位來識(shí)別判斷。這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制為lwIP協(xié)議棧節(jié)省了內(nèi)存空間和處理時(shí)間，卻為以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)增加了復(fù)雜度。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

該部分與底層硬件聯(lián)系緊密，需實(shí)現(xiàn)5個(gè)基本函數(shù)：網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口接收函數(shù)、底層網(wǎng)絡(luò)控制器初始化函數(shù)、底層網(wǎng)絡(luò)控制器接收數(shù)據(jù)包函數(shù)、底層網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)。

本文以Microchip公司生產(chǎn)的基于SPI接口的以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60［11］為例，其基本操作驅(qū)動(dòng)庫(kù)代碼采用美國(guó)SourceForge.net平臺(tái)AVRNET［12］開源項(xiàng)目中的代碼（enc28j60.c）。lwIP 底層網(wǎng)絡(luò)接口文件取名enc28j60if.c，需實(shí)現(xiàn)上面提到的5個(gè)函數(shù)。其中，底層網(wǎng)絡(luò)控制器接收數(shù)據(jù)包函數(shù)和底層網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)由于考慮到lwIP 的pbuf結(jié)構(gòu)，所以不能直接使用enc28j60.c中的數(shù)據(jù)包收發(fā)函數(shù)，這部分需要進(jìn)行改寫。以底層網(wǎng)絡(luò)控制器接收數(shù)據(jù)包函數(shù)為例，具體實(shí)現(xiàn)分為4步：①判斷enc28j60中是否有數(shù)據(jù)接收；②配置接收緩沖區(qū)大??；③判斷數(shù)據(jù)合法性并申請(qǐng)pbuf結(jié)構(gòu)；④接收數(shù)據(jù)到pbuf結(jié)構(gòu)中。代碼略——編者注。

ENC28J60接收的數(shù)據(jù)包由4部分組成（下一個(gè)數(shù)據(jù)包的指針、接收的狀態(tài)向量、接收的有效數(shù)據(jù)、CRC 校驗(yàn)）。底層網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)用到的也是這樣的思想。此外，網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)接口接收函數(shù)直接使用lwIP提供的模版函數(shù)，底層網(wǎng)絡(luò)控制器初始化函數(shù)配置lwIP的netif接口后調(diào)用enc28j60.c中的初始化函數(shù)即可。

4 lwIP移植的簡(jiǎn)單測(cè)試用例

以STM32F407VG［13］和ENC28J60 為例，在μTenux軟件包中，已經(jīng)對(duì)STM32F407VG 的時(shí)鐘和串口進(jìn)行了初始化設(shè)置，添加SPI接口初始化函數(shù)即可進(jìn)行l(wèi)wIP的移植測(cè)試。本部分先介紹lwIP的應(yīng)用編程接口，然后給出測(cè)試實(shí)例和結(jié)果。

4.1 lwIP的API接口說明

lwIP為用戶編寫上層應(yīng)用代碼提供了三種不同的API接口，分別是原始API接口、高性能專用的sequential API接口和Berkeley風(fēng)格的Socket API接口。當(dāng)不提供操作系統(tǒng)支持的時(shí)候只能使用原始API接口，當(dāng)提供操作系支持時(shí)，三種接口方式都可以使用。

基于前文，當(dāng)完成了lwIP基于μTenux 的操作系 統(tǒng) 模 擬 層 移 植 和ENC28J60 的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的函數(shù)封裝，建立了如圖5所示的依賴關(guān)系，這時(shí)就可以進(jìn)行程序編寫和測(cè)試了。

圖5 lwIP依賴關(guān)系

4.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的HTTP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

為了檢驗(yàn)移植后的lwIP是否能夠正常運(yùn)行，使用lwIP的sequential API寫一個(gè)簡(jiǎn)單的HTTP服務(wù)器程序［14］。

程序中，將html語言的字符串存儲(chǔ)在一個(gè)靜態(tài)變量htmltestdata中，在主函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)名為http＿task的進(jìn)程函數(shù)，在該進(jìn)程函數(shù)中完成以下幾步：①初始化lwIP協(xié)議棧，注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)接口；②允許STM32F407VG 接收SPI外部中斷，使ENC28J60接收到數(shù)據(jù)之后可以馬上處理；③新建一個(gè)TCP鏈接，并監(jiān)聽端口號(hào)80；④當(dāng)監(jiān)聽到客戶端連接后處理客戶端接收到的數(shù)據(jù)。完成上述4步之后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)客戶端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)并且能正確解析時(shí)，則將htmltestdata返回，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的HTTP服務(wù)器。

建立TCP連接部分代碼略——編者注。

編譯成功并運(yùn)行后，通過在Windows控制臺(tái)上執(zhí)行ping命令，并且打開瀏覽器在地址欄中輸入網(wǎng)絡(luò)接口初始化時(shí)綁定的IP地址，圖6和圖7的測(cè)試結(jié)果表明ARP、ICMP、IP和TCP協(xié)議運(yùn)行正常。

圖6 ping命令測(cè)試

結(jié) 語

lwIP是一款優(yōu)秀的免費(fèi)開源的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)中間件，基于μTenux的lwIP移植結(jié)合了操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以用于嵌入式設(shè)備的產(chǎn)品研發(fā)上。本文下一步研究工作考慮結(jié)合μTenux實(shí)時(shí)系統(tǒng)的消息郵箱和內(nèi)存管理特性，以改進(jìn)lwIP中pbuf結(jié)構(gòu)的內(nèi)存申請(qǐng)方式，縮減移植后的lwIP代碼量，降低運(yùn)行時(shí)ROM 和RAM 占用量，進(jìn)一步優(yōu)化lwIP的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

圖7 HTTP應(yīng)用示例

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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