隨著嵌入式系統(tǒng)功能的多樣化及網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域中的廣泛應用，具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式終端擁有更高的使用價值和更強的通用性。μC/OS-Ⅲ是一個可裁剪、可固化、可剝奪型的實時內(nèi)核，管理任務(wù)的數(shù)目不受限制[1]。作為μC/OS系列的最新版本，μC/OS-Ⅲ提供了實時內(nèi)核所能提供的所有服務(wù)，可保證網(wǎng)絡(luò)功能和其他諸多任務(wù)并發(fā)有序地執(zhí)行。但μC/OS-Ⅲ僅僅是一個實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能還需移植一款符合嵌入式系統(tǒng)要求的以太網(wǎng)協(xié)議棧。LwIP是由瑞典計算機科學研究院開發(fā)的輕量型TCP/IP協(xié)議棧，其特點是保持了以太網(wǎng)的基本功能，通過優(yōu)化減少了對片內(nèi)存儲資源的占用[2]。一般情況下，具有十幾KB SRAM和幾十KB Flash存儲能力的微控制器即可運行LwIP協(xié)議棧[3]。該特點使其廣泛使用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等多個應用領(lǐng)域中。本文論述了使用LM3S9B95微控制器的嵌入式平臺實現(xiàn)LwIP 1.4.0版本在μC/OS-Ⅲ上的移植。LM3S9B95是TI公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部具有以太網(wǎng)控制器模塊[4]。

1 LwIP的移植過程
    LwIP的移植主要涉及兩個方面：操作系統(tǒng)模擬層和硬件驅(qū)動層。LwIP在設(shè)計時已考慮到在不同操作系統(tǒng)中的可移植性，其內(nèi)部使用的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均為抽象定義[5]。開發(fā)者可根據(jù)不同的操作系統(tǒng)要求來具體實現(xiàn)相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同時，硬件相關(guān)的驅(qū)動同樣預留了接口，開發(fā)者可針對實際使用情況編寫網(wǎng)絡(luò)控制芯片驅(qū)動函數(shù)。另外，對不同的編譯環(huán)境，開發(fā)者還需要編寫部分頭文件定義相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏。LwIP在μC/OS-Ⅲ嵌入式系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中的箭頭框為移植工作需要實現(xiàn)的模塊。

1.1 操作系統(tǒng)模擬層的編寫
1.1.1 編寫頭文件cc.h
    cc.h文件中包含處理器相關(guān)的變量類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及字節(jié)對齊的相關(guān)宏。
    LwIP中使用的基本變量類型均以位數(shù)進行命名，為抽象的變量定義，開發(fā)者需要根據(jù)所用處理器具體定義。基本變量的定義有兩種方法：一種是將變量直接定義為C語言的基本類型，如unsigned char、int等；另一種是將變量定義為操作系統(tǒng)內(nèi)對應的抽象變量。當使用操作系統(tǒng)時，應采用第二種方法。該方法的優(yōu)點是變量對于處理器是“透明”的，應用程序更換硬件平臺時無需修改操作系統(tǒng)模擬層內(nèi)的定義。μC/OS-Ⅲ中對基本變量的定義在cpu.h文件中，均以CPU為命名前綴。對于這些變量在μC/OS-Ⅲ中具體如何定義本文不做討論。LwIP要求定義8 bit、16 bit、32 bit和內(nèi)存指針型變量：
    typedef    CPU_INT08U        u8_t;
    typedef    CPU_INT08S        s8_t;
    typedef    CPU_INT16U        u16_t;
    typedef    CPU_INT16S        s16_t;
    typedef    CPU_INT32U        u32_t;
    typedef    CPU_INT32S        s32_t;
    typedef    CPU_INT32U        mem_ptr_t;
    由于ARM處理器的編譯環(huán)境默認對變量存儲采取4 B對齊方式，而以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包等結(jié)構(gòu)體要求處理器按照變量的實際大小存儲和訪問，因此，需要定義相關(guān)的結(jié)構(gòu)封裝宏，使得結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員變量不以4 B對齊的方式進行存儲。移植工作采用了IAR開發(fā)環(huán)境，需根據(jù)該環(huán)境定義如下相關(guān)的宏：
    #if defined (__IAR_SYSTEMS_ICC__)
    #define  PACK_STRUCT_BEGIN
    #define  PACK_STRUCT_STRUCT
    #define  PACK_STRUCT_END
    #define  PACK_STRUCT_FIELD(x) x
    #define  PACK_STRUCT_USE_INCLUDES
1.1.2 編寫頭文件sys_arch.h
    sys_arch.h文件要求定義操作系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏。
    LwIP多線程功能需要信號量和郵箱等結(jié)構(gòu)體，用于多個任務(wù)的同步和消息的傳遞。μC/OS-Ⅲ中的信號量OS_SEM和消息隊列OS_Q可實現(xiàn)相應的功能。LwIP 1.4.0版本中使用了互斥信號量管理共享的資源，而有些嵌入式操作系統(tǒng)中不包含互斥信號量的變量類型。為了適應不同的操作系統(tǒng)，LwIP定義了宏LWIP_COMPAT_MUTEX。LWIP_COMPAT_MUTEX的值定義為1，則LwIP使用二值信號量代替互斥信號量以及相關(guān)的功能函數(shù)。雖然μC/OS-Ⅲ包含了互斥信號量OS_MUTEX，但LwIP中兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可相互替換，選擇使用二值信號量可以減少一定的移植工作。
    #define  LWIP_COMPAT_MUTEX        1
    typedef  OS_SEM                    sys_sem_t;
    typedef  OS_Q                         sys_mbox_t;
    LwIP中包含有必須完整執(zhí)行而不可被打斷的代碼，因此需要使用臨界段代碼保護的功能。μC/OS-Ⅲ中提供了關(guān)閉中斷和鎖定調(diào)度器兩種臨界段代碼保護方法。LwIP中的臨界段代碼保護宏可直接定義為μC/OS-Ⅲ關(guān)閉中斷的對應臨界段代碼保護宏。
   #define  SYS_ARCH_DECL_PROTECT() CPU_SR_ALLOC()
   #define  SYS_ARCH_PROTECT()  OS_CRITICAL_ENTER()
   #define  SYS_ARCH_UNPROTECT() OS_CRITICAL_EXIT()
1.1.3 編寫源文件sys_arch.c
    sys_arch.c文件要求實現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層的接口函數(shù)，主要包括對信號量和郵箱等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作以及LwIP線程的操作。
    LwIP的信號量用于進程間的通信，相關(guān)操作主要包括以下幾個函數(shù)：
    sys_sem_new()            //新建信號量
    sys_sem_free()            //釋放信號量
    sys_sem_signal()        //發(fā)送信號量
    sys_arch_sem_wait()        //阻塞進程，等待指定信號量
    sys_sem_valid()        //檢查信號量可用性
    sys_sem_set_invalid()    //設(shè)置信號量不可用
    LwIP的郵箱用于緩存和傳遞數(shù)據(jù)報文，相關(guān)操作主要包括以下幾個函數(shù)：
    sys_mbox_new()        //新建郵箱
    sys_mbox_free()        //刪除郵箱
    sys_mbox_post()        //阻塞進程，投遞消息至郵箱
    sys_mbox_trypost()        //投遞消息至郵箱，僅一次操作
    sys_arch_mbox_fetch()    //阻塞進程，從郵箱中提取消息
    sys_arch_mbox_tryfetch()    //從郵箱中提取消息，僅一次操作
    sys_mbox_valid()        //檢查郵箱可用性
    sys_mbox_set_invalid()    //設(shè)置郵箱不可用
    LwIP使用了μC/OS-Ⅲ中的信號量OS_SEM和消息隊列OS_Q結(jié)構(gòu)，以上函數(shù)的實現(xiàn)調(diào)用了μC/OS-Ⅲ的操作函數(shù)，包括OS?Create()、OS?Del()、OS?Post()和OS?Pend()。在實現(xiàn)sys_?_new()和sys_?_free()函數(shù)時，需加入臨界段代碼保護以確保OS?Create()和OS?Del()在執(zhí)行時不被打斷，可避免出現(xiàn)系統(tǒng)資源管理錯誤。
   err_t  sys_?_new(……)
   {
    OS_ERR err;
    CPU_SR_ALLOC();            //臨界代碼保護開始
    CPU_CRITICAL_ENTER();
    OS?Create(……,&err);
    CPU_CRITICAL_EXIT();        //臨界代碼保護結(jié)束
    return err;
   }
   void  sys_?_free(……)
   {
    OS_ERR err;
    CPU_SR_ALLOC();            //臨界代碼保護開始
    CPU_CRITICAL_ENTER();
    OS?Del(……, &err );
    CPU_CRITICAL_EXIT();        //臨界代碼保護結(jié)束
   }
    LwIP 1.4.0版本新添加了sys_?_valid()和sys_?_set_
invalid()，這兩個函數(shù)的實現(xiàn)無需調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)部的函數(shù)，可由開發(fā)者根據(jù)實際需求實現(xiàn)。另外，二值信號量替換了互斥信號量，相關(guān)的操作函數(shù)也無需在此文件內(nèi)實現(xiàn)。在LwIP內(nèi)核中的sys.h文件給出了詳細的宏定義：
    #if    LWIP_COMPAT_MUTEX
    #define  sys_mutex_t            sys_sem_t
    #define  sys_mutex_new(mutex)    sys_sem_new(mutex, 1)
    #define  sys_mutex_lock(mutex)    sys_sem_wait(mutex)
    #define  sys_mutex_unlock(mutex)    sys_sem_signal(mutex)
    #define  sys_mutex_free(mutex)    sys_sem_free(mutex)
    #define  sys_mutex_valid(mutex)    sys_sem_valid(mutex)
    #define  sys_mutex_set_invalid(mutex)    \
             sys_sem_set_invalid(mutex)
    LwIP建立新進程的接口函數(shù)sys_thread_new()要求成功建立一個任務(wù)并返回任務(wù)優(yōu)先級。μC/OS-Ⅲ中加入了時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度功能，使得同一優(yōu)先級可建立多個任務(wù)，避免了優(yōu)先級重復導致任務(wù)建立失敗的情況。相比于使用μC/OS-Ⅱ或其他不支持同級任務(wù)的操作系統(tǒng)，sys_thread_new()的實現(xiàn)僅調(diào)用OSTaskCreate()即可，省略了一些查找可用優(yōu)先級的容錯操作。
    操作系統(tǒng)模擬層的初始化函數(shù)sys_init()由開發(fā)者根據(jù)實際情況進行編寫，沒有固定的規(guī)范要求。該函數(shù)可不執(zhí)行任何操作，但必須在文件內(nèi)實現(xiàn)。
1.2 硬件驅(qū)動層的編寫

    LwIP內(nèi)核文件中給出了驅(qū)動文件的參考模板ethernetif.c，開發(fā)者可根據(jù)其模板的架構(gòu)結(jié)合實際使用的網(wǎng)絡(luò)控制芯片來編寫驅(qū)動。
    以low_level為前綴的函數(shù)均為網(wǎng)絡(luò)控制芯片相關(guān)的接口函數(shù)，主要包含初始化、接收、發(fā)送等操作。LM3S9B95的以太網(wǎng)控制器模塊包含了MAC層和物理層，有別于傳統(tǒng)的MCU+PHY芯片的結(jié)構(gòu)。因此，實現(xiàn)驅(qū)動函數(shù)時可直接對相應的寄存器進行操作，無需再次封裝PHY芯片的操作函數(shù)。
    以ethernetif為前綴的函數(shù)要求開發(fā)者實現(xiàn)底層硬件與上層協(xié)議間的接口函數(shù)，包括底層設(shè)備描述結(jié)構(gòu)體的相關(guān)操作、LwIP主線程和以太網(wǎng)中斷服務(wù)函數(shù)等。
1.3 LwIP功能裁剪和定制
    LwIP為開發(fā)者提供了一個功能定制的接口文件lwipopt.h，可根據(jù)系統(tǒng)實際需求定義宏的值、裁剪功能和配置參數(shù)。例如使用TCP和UDP功能，則需添加下列定義：
    #define    LWIP_TCP        1
    #define    LWIP_UDP        1
    內(nèi)核文件opt.h是lwipopt.h的設(shè)計模板，包含了所有LwIP功能配置的宏。opt.h文件對宏定義均采用了#ifndef預編譯判斷，當開發(fā)者在lwipopt.h中沒有對某個宏給出定義時，該文件會定義一個默認值。
    雖然修改opt.h中的宏定義和在lwipopt.h中編寫宏定義均可實現(xiàn)剪裁和定制LwIP的功能，但由于修改內(nèi)核文件會破壞協(xié)議棧的封裝性，為今后的應用程序移植和維護造成隱患，所以開發(fā)者不應直接修改opt.h內(nèi)的宏定義。
    開發(fā)者在編寫lwipopt.h時，由于每個宏的默認值并不能保證LwIP的正確運行，所以應對opt.h中給出的所有宏進行定義。例如opt.h中對于TCP的一些宏定義如下：
    #ifndef    TCPIP_THREAD_STACKSIZE
    #define    TCPIP_THREAD_STACKSIZE        0
    #endif
    #ifndef    TCPIP_MBOX_SIZE
    #define    TCPIP_MBOX_SIZE                      0
    #endif
    LwIP默認的TCPIP進程堆棧空間為0，TCPIP使用的郵箱空間為0。若開發(fā)者在lwipopt.h中不對這些宏進行定義，當tcpip_init()對LwIP進行初始化時，就會出現(xiàn)錯誤致使LwIP無法正確運行。
2 測試
    測試工作使用LM3S9B95嵌入式平臺作為TCP客戶端，一臺PC作為TCP主機端。測試程序中，嵌入式平臺的IP地址設(shè)為172.21.28.250，主機IP為172.21.28.253，端口為1020。測試程序中創(chuàng)建了兩個任務(wù)：一個是LwIP主線程，一個是測試任務(wù)。LwIP主線程處理以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包，測試任務(wù)負責接收主機端的數(shù)據(jù)并回傳至主機端。
    測試任務(wù)首先初始化底層硬件和協(xié)議棧，包括使能LM3S9B95以太網(wǎng)硬件模塊和中斷、調(diào)用協(xié)議棧內(nèi)核初始化函數(shù)tcpip_init()、初始化網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)體。
   void  My_LwIP_Init(void)
   {
    /* 調(diào)用StellarisWare庫函數(shù)進行硬件初始化 */
    ……
    /* 調(diào)用內(nèi)核初始化函數(shù) */
    tcpip_init();
    /* 初始化netif，設(shè)置本機的IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)，綁定netif的回調(diào)函數(shù) */
    netif_add(……);
    netif_set_default(……);
    netif_set_up(……);
   }
    第二步是初始化客戶端。首先創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)體，再將其綁定至端口并連接到指定的服務(wù)器。
   void  TCP_Client_Init(void)
   {
    pstNetconn = netconn_new(NETCONN_TCP);    //新建連接
    netconn_bind(……);            //綁定端口
    netconn_connect(……);        //連接主機
   }
    任務(wù)的主循環(huán)中調(diào)用了LwIP具有進程阻塞功能的函數(shù)netconn_recv()以接收來自主機的數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)接收正確，則將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機端的PC；若接收不正確，則刪除當前的連接，重新連接到主機。
   while(1)
   {
    err = netconn_recv(……);    // 接收數(shù)據(jù)
    if(err == ERR_OK)        // 數(shù)據(jù)正確
    {
        netconn_write(……);    // 發(fā)送數(shù)據(jù)
        netbuf_delete(……);    // 刪除數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
    }
    else
    {
        netconn_delete(……);    // 刪除當前連接
        /* 重新連接 */
        ……
    }
   }
    PC主機端使用了銘心軟體工作室的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，通過該軟件向LM3S9B95客戶端發(fā)送測試數(shù)據(jù)，客戶端的回傳數(shù)據(jù)也在該軟件內(nèi)顯示。測試結(jié)果如圖2所示。

    LwIP是一款專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的以太網(wǎng)協(xié)議棧，具有占用資源小、基本功能完備和便于移植等特點。其擁有很高的通用性，適用于多種嵌入式操作系統(tǒng)和硬件平臺[6]。在運行實時操作系統(tǒng)的應用環(huán)境中，移植工作要求開發(fā)者實現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層和硬件驅(qū)動層兩個部分。協(xié)議棧的主進程可作為實時操作系統(tǒng)的一個任務(wù)，完整地執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信功能。μC/OS-Ⅲ是μC/OS系列的最新產(chǎn)品，同樣是一款實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核，并不具備網(wǎng)絡(luò)通信功能。LwIP移植到μC/OS-Ⅲ中，可使得運行該實時內(nèi)核的嵌入式終端擁有網(wǎng)絡(luò)通信功能，符合當今產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，具有更廣泛的應用領(lǐng)域和更高的市場價值。
參考文獻
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