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引言 隨著(zhù)嵌入式系統與網(wǎng)絡(luò )的日益結合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡(luò )，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。µC/OS 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，但它只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的支持，如沒(méi)有文件系統、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、圖形界面。筆者在多個(gè)嵌入式項目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎，給µC/OS II加上了網(wǎng)絡(luò )支持。下面就以µC/OS II ＋LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實(shí)現為例進(jìn)行說(shuō)明。 需要說(shuō)明的是，筆者使用的ez80系統是Zilog公司的ez80190開(kāi)發(fā)板，自帶網(wǎng)絡(luò )芯片。而ARM7系統是使用筆者參與開(kāi)發(fā)的Skyeye，一個(gè)基于GDB的ARM7TDMI指令級軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網(wǎng)絡(luò )芯片，可以運行帶網(wǎng)絡(luò )支持的µcLinux和µC/OS 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。 1 基于µC/OS II的網(wǎng)絡(luò )平臺概述 嵌入式操作系統µC/OS II是一個(gè)公開(kāi)源代碼的占先式多任務(wù)的微內核RTOS，其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競爭。µC/OS II的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開(kāi)源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好�？刹眉�，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。µC/OS II自1992年的第一版（µC/OS）以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)應用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩定可靠的內核。目前國內對µC/OS II的研究和應用都很多。 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)標準。嵌入式設備要與Internet網(wǎng)絡(luò )直接交換信息，就必須支持TCP/IP協(xié)議。目前嵌入式設備上TCP/IP方案有很多種，但面向低端應用的開(kāi)源嵌入式網(wǎng)絡(luò )平臺還很少見(jiàn)。 µC/OS 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，對學(xué)校和教育的使用完全免費，商業(yè)應用的費用相對也很低。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)需要付費才能獲得，很少給出源代碼，這影響了µC/OS 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µC/OS II上來(lái)，就獲得了一套可免費研究、學(xué)習的嵌入式網(wǎng)絡(luò )軟件平臺。 2 開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧LwIP簡(jiǎn)介 LwIP是瑞士計算機科學(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上，也可以在無(wú)操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實(shí)現的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十K的RAM和 40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統中使用。 LwIP的特性如下： (1) 支持多網(wǎng)絡(luò )接口下的IP轉發(fā) (2) 支持ICMP協(xié)議 (3) 包括實(shí)驗性擴展的的UDP（用戶(hù)數據報協(xié)議） (4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復和快速轉發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議） (5) 提供專(zhuān)門(mén)的內部回調接口（Raw API）用于提高應用程序性能 (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的最新穩定版V0.5.3。有關(guān)LwIP的詳細內容，可以參考其代碼和網(wǎng)站上的文檔。 3 LwIP在µC/OS II下的實(shí)現 3.1 概述 LwIP 協(xié)議棧在設計時(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)的部份獨立出來(lái)，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在µC /OS II上的實(shí)現就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。下面分幾部份分別說(shuō)明相應文件的實(shí)現原理和過(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。 3.2 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，如數據長(cháng)度，字的高低位順序等。這應該與用戶(hù)實(shí)現µC/OS II時(shí)定義的數據長(cháng)度等參數是一致的。 #define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認為小端存儲系統 //數據類(lèi)型長(cháng)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)言的結構體struct是4字節對齊的，但是在處理數據包的時(shí)候，LwIP使用的是通過(guò)結構體中不同數據的長(cháng)度來(lái)讀取相應的數據的，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的字節對齊。LwIP也考慮到了這個(gè)問(wèn)題，所以，在它的結構體定義中有幾個(gè)PACKED_FIELD_xxx宏，默認的時(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應的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye（ARM7）上對應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 3.3 sys_arch操作系統相關(guān)部份 sys_arch.[ch]中的內容是與OS相關(guān)的一些結構和函數，主要可以分為四個(gè)部份： (1) sys_sem_t 信號量 LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch中應實(shí)現信號量結構體和處理函數： struct sys_sem_t sys_sem_new（） //創(chuàng )建一個(gè)信號量結構 sys_ sem _free（） //釋放一個(gè)信號量結構 sys_ sem _signal（） //發(fā)送信號量 sys_ arch_sem _wait（） //請求信號量 由于µC/OSII已經(jīng)實(shí)現了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個(gè)函數的目的功能是完全一樣的，所以只要把µC/OSII的函數重新包裝成上面的函數，就可以直接使用了。 (2) sys_mbox_t 消息 LwIP使用消息隊列來(lái)緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實(shí)現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數： sys_mbox_new（） //創(chuàng )建一個(gè)消息隊列 sys_mbox_free（） //釋放一個(gè)消息隊列 sys_mbox_post（） //向消息隊列發(fā)送消息 sys_arch_mbox_fetch（） //從消息隊列中獲取消息 µC/OSII同樣實(shí)現了消息隊列結構OSQ及其操作，但是µC/OSII沒(méi)有對消息隊列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在µC/OSII的基礎上重新實(shí)現。為了實(shí)現對消息的管理，我們定義了以下結構： typedef struct { OS_EVENT* pQ; void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES]; } sys_mbox_t； 在以上結構中，包括OS_EVENT類(lèi)型的隊列指針（pQ）和隊列內的消息（pvQEntries）兩部分，對隊列本身的管理利用µC/OSII自己的 OSQ操作完成，然后使用µC/OSII中的內存管理模塊實(shí)現對消息的創(chuàng )建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來(lái)形成了LwIP的消息隊列功能。 (3) sys_arch_timeout 函數 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)屬性表現為每個(gè)線(xiàn)程都對應一個(gè)sys_timeout結構體隊列，包括這個(gè)線(xiàn)程的 timeout時(shí)間長(cháng)度，以及超時(shí)后應調用的timeout函數，該函數會(huì )做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線(xiàn)程對應的sys_timeout為空（NULL），說(shuō)明該線(xiàn)程對連接做永久的等待。 timeout結構體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實(shí)現的是如下函數： struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void) 這個(gè)函數的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線(xiàn)程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線(xiàn)程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數，只能由用戶(hù)實(shí)現。 (4) sys_thread_new 創(chuàng )建新線(xiàn)程 LwIP可以是單線(xiàn)程運行，即只有一個(gè)tcpip線(xiàn)程（tcpip_thread），負責處理所有的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)程運行，以提高效率，降低編程復雜度。這時(shí)就需要用戶(hù)實(shí)現創(chuàng )建新線(xiàn)程的函數： void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg); 在µC/OS 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API調用OSTaskCreate，因此只要把 OSTaskCreate封裝一下，就可以實(shí)現sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒(méi)有µC/OS II中優(yōu)先級的概念，實(shí)現時(shí)要由用戶(hù)事先為L(cháng)wIP中創(chuàng )建的線(xiàn)程分配好優(yōu)先級。 3.4 lib_arch中庫函數的實(shí)現 LwIP協(xié)議棧中用到了8個(gè)外部函數，這些函數通常與用戶(hù)使用的系統或編譯器有關(guān)，因此留給用戶(hù)自己實(shí)現。如下： u16_t htons(u16_t n); //16位數據高低字節交換 u16_t ntohs(u16_t n); u32_t htonl(u32_t n); //32位數據大小頭對調 u32_t ntohl(u32_t n); int strlen(const char *str); //返回字符串長(cháng)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); //內存數據塊之間的互相拷貝 void bzero(void *data, int n); //內存中指定長(cháng)度的數據塊清零 前四個(gè)函數通常由用戶(hù)自己實(shí)現。Skyeye（ARM7）中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫里已經(jīng)有了后四個(gè)函數。而ez80的編譯器函數庫中缺少bcopy和bzero兩個(gè)，需要自己編寫(xiě)。用戶(hù)在其它CPU上實(shí)現時(shí)應根據自己的編譯器來(lái)決定。 3.5 網(wǎng)絡(luò )設備驅動(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。而我們在A(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)現的網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)是針對Ne2k的，其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )芯片驅動(dòng)可以在LwIP的網(wǎng)站上找到。LwIP的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅動(dòng)的模板，用戶(hù)為自己的網(wǎng)絡(luò )設備實(shí)現驅動(dòng)時(shí)應參照此模板。 在LwIP中可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口都對應了一個(gè)struct netif，這個(gè)netif包含了相應網(wǎng)絡(luò )接口的屬性、收發(fā)函數。LwIP調用netif的方法netif->input()及netif->output()進(jìn)行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。在驅動(dòng)中主要做的，就是實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數。驅動(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）的接口函數如下： //網(wǎng)卡初始化函數 void ethernetif_init(struct netif *netif) //網(wǎng)卡接收函數，從網(wǎng)絡(luò )接口接收以太網(wǎng)數據包并把其中的IP報文向IP層發(fā)送 //在中斷方式下由網(wǎng)卡ISR調用 void ethernetif_input(struct netif *netif) //網(wǎng)卡發(fā)送函數，給IP層傳過(guò)來(lái)的IP報文加上以太網(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ISR void ethernetif_isr(void); 以上的函數都可以分為協(xié)議棧本身的處理和對網(wǎng)絡(luò )接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對上層屏蔽的，具體參見(jiàn)RTL8019as、DM9008等Ne2k網(wǎng)絡(luò )芯片的數據手冊。驅動(dòng)程序可以到Skyeye或LwIP的網(wǎng)站下載。 4 應用實(shí)例的建立和測試 做完上面的移植修改工作以后，就可以在µC/OSII中初始化LwIP，并創(chuàng )建TCP或UDP任務(wù)進(jìn)行測試了。這部份完全是C語(yǔ)言的實(shí)現，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µC/OSII完全啟動(dòng)之后也就是在任務(wù)中進(jìn)行，因為它的初始化用到了信號量等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0）和usr_task用戶(hù)任務(wù)（優(yōu)先級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5）和tcpecho_thread（優(yōu)先級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，結構清晰。 實(shí)用Berkley API實(shí)現的tcpecho_thread是一個(gè)TCP echo服務(wù)器，監聽(tīng)7號端口，程序框架如下： void tcpecho_thread(void *arg){ conn = netconn_new(NETCONN_TCP); //創(chuàng )建新的連接標識 netconn_bind(conn, NULL, 7); //綁定到7號端口 netconn_listen(conn); //開(kāi)始監聽(tīng)端口 while(1){ newconn = netconn_accept(conn); //接收外部到來(lái)的連接 buf = netconn_recv(newconn) //獲取數據 ……. //處理數據 netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發(fā)送數據 netconn_delete(newconn); //釋放本次連接 } } 編譯運行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply響應。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(shuō)明ARP、ICMP、IP、TCP協(xié)議都已正確運行。 參考文獻 1. Labrosse Jean J.邵貝貝 μ C/OS-Ⅱ-源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統 2001 2. Adam Dunkels. LwIP source code 3. Adam Dunkels. sys_arch.txt in LwIP source code 作 者：上海貝嶺公司 楊曄 來(lái) 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（7） |
