μCOS-II-下-LwIP-协议栈的移植和测试.docx

1、引言
为了实现嵌入式系统终端连入互联网，而有必要为其引入了网络功能。μC/OS II 是一个 源代码开放的实时操作系统，但是它只是一个实时的任务调度及通信内核，并没有集成 TCP/IP 通信协议，为了实现网络功能，需要在μC/OS II 移植一个轻量级的 TCP/IP 通信协议 LwIP。本文主要论述μC/OS II 下通信协议 LwIP 的移植以及测试。
2、LwIP 简介
LwIP ( light weight IP)是瑞士计算机科学院的 Adam Dunkels 等开发的一套开放 TCP/IP 协议栈源代码。LwIP 既可以移植到操作系统上，又可以在无操作系统的情况下独立运行 LwIP 实现的重点是在保持 TCP/IP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用，这使 LwIP 适合在低端嵌入式系统中使用。其主要特点如下：
（1）支持多网络接口下 IP 转发；
（2）支持 ICMP 协议；
（3）包括试验性扩展的 UDP；
（4）包括简单的拥塞控制，RTT 估算和快速恢复和快速转发的 TCP；
（5）提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能；
（6）可选择的 Berkeley 接口 API；
3、LwIP 协议栈移植到μC/OS II 操作系统的具体实现
3.1 嵌入式系统结构和 LwIP 接口
整个嵌入式系统的结构如图 1 所示，由 ARM 微处理器、网卡、网络设备驱动、μC/OS
II 操作系统、LwIP 协议栈和应用程序组成。

图 1 嵌入式系统结构图
LwIP 在设计时为了适应不同的操作系统，并没有在代码中使用和某个特定的操作系统 相关的系统调用和数据结构，而是在 LwIP 和操作系统之间提供了一个接口层（sys_arch interface），该接口主要实现的功能包括数据类型的定义、存储模式的选择、任务间的同步、 时间和内存的管理等。因此，完成 LwIP 在μC/OS II 移植，我们就是要通过修改这个接口 层来实现。同时，还要根据自己所要实现的具体目的，可以对 LwIP 协议栈进行一定的裁减。
3.2 和 CPU 以及编译器相关的一些头文件
这些头文件包括 cc.h、cpu.h、perf.h 等，在这里都定义了和使用的 CPU 以及编译器 相关的内容，如数据类型，存储模式的选择，这些和用户实现μC/OS II 时定义的数据类型 等是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //小端存储模式
typedef unsingned char u8_t; //数据类型定义
typedeg char s8_t;
typedef unsingned short u16_t;
typedef short s16_t;
typedef unsingned int u32_t;
typedef int s32_t;
3.3 和操作系统μC/OS II 相关的函数
与操作系统相关的函数主要是信号量、消息队列、定时器函数和创建新进程函数。下面 将逐一论述移植过程中对它们要求和实现。
3.3.1 LwIP 信号量的实现
LwIP 使用信号量实现进程间的通信，由于μC/OS II 中已经实现了信号量 OS_EVENT 的各种操作，并且可以满足 LwIP 通信的要求，所以只需要在下面函数中封装相应μC/OS II 关于信号量的操作函数就可以了。
struct sys_sem_t //定义信号量结构 sys_sem_new( ) //创建一个信号量结构 sys_sem_free( ) //释放一个信号量结构 sys_sem_signal( ) //发送信号量 sys_arch_sem_wait( ) //请求信号量
下面给出它们与μC/OS II 对应的结构体和函数：
struct sys_sem_t → OS_EVENT sys_sem_new( ) → OSSemCreate( ) sys_sem_free( ) → OSSemDel( ) sys_sem_signal( ) → OSSemPost( ) sys_arch_sem_wait( ) → OSSemPend( )
3.3.2 LwIP 消息的实现
LwIP 使用消息队列来缓冲、传递数据报文。μC/OS II 实现了消息队列结构 OSQ 及其 操作，但是μC/OS II 没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能象信号量那样直接使用，而需要在μC/OS II 基础上重新实现。定义的结构如下：
typedef struct{ OS_EVENT * pQ;
void * pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
}sys_mbox_t;
上面的结构中，包含了 OS_EVENT 类型的队列指针 pQ 和队列内的消息 pvQEntries 两部 分。可见，对对列本身的管理利用μC/OS II 自己的 OSQ 操作完成，使用μC/OS II 的内存 管理模块实现对消息的创建、使用、删除和回收。这样实现了 LwIP 的消息队列功能。相应 的处理函数如下：
sys_mbox_new( ) //创建一个消息队列 sys_mbox_free( ) //释放一个消息队列 sys_mbox_post( ) //向消息队列发送消息 sys_arch_mbox_fetch( ) //从消息队列中读取消息
3.3.3 定时器函数 sys_arch_timeouts( )
LwIP 的每个线程都有自己的超时等待属性，为每一个线程都分配了一个超时等待的数 据结构 sys_timeout，并把这个数据结构存放于链表 sys_timeouts 中。通过μC/OS II 的任务 查询机制来获得一个指向当前线程使用的 sys_timeouts 结构的指针。如若某一个 sys_timeout 结构为空，说明对应的线程作永久的等待。超时等待的数据结构 sys_timeout 包括，指向链 表中下个 sys_timeout 结构的指针、线程超时等待的长度和定时时间到后用以处理的函数等 内容。而 sys_timeouts 结构只包含指向 sys_timeout 结构的指针。这两个数据结构都已经在 LwIP 源代码 的 sys.h 头文件 中给 予定义 ，我 们要做 的是 ，实现 找到 当前线 程使 用 的 sys_timeouts 结构指针的函数 sys_arch_timeouts( )。定义的结构和函数如下：
struct sys_timeout {
struct sys_timeout *next; u32_t time; sys_timeout_handler h; void *arg;
};
struct sys_timeouts {
struct sys_timeout *next;
};
struct sys_timeouts *sys_arch_timeouts( )
3.3.4 创建新线程函数 sys_thread_new( )
在μC/OS II 中，没有线程(thread)的概念，只有任务(task)的概念，创建一个新的线程就 是创建一个新的任务。又由于，在μC/OS II 中已经提供了创建新任务的函数 OSTaskCreste( )， 因此把函数 OSTaskCreste( )进行封装，就可以实现创建新线程函数 sys_thread_new( )。但由
于 LwIP 中的线程没有μC/OS II 中优先级的概念，实现时需要有用户事先为 LwIP 中创建的线程分配好优先级。函数如下：
sys_thread_t sys_thread_new(void(*thread)(void *arg), void *arg, int prio)
其中 thread 是新线程的入口地址,arg 是传递给新线程的参数,prio 是由 LwIP 指定的新线 程的优先级

3.4 网络设备驱动程序
在 ISO 参考模型中，数据链路层的逻辑链路控制子层的部分工作有网络接口芯片驱动 程序完成的，其他部分则集成在网络接口芯片中由硬件实现。本文所用开发板上的网络接口 芯片为 RTL8019AS，它是 8/16 位 ISA 总线的网卡，遵循 IEEE802.3 协议。
在 LwIP 中每个网络接口都对应一个数据结构 struct netif，如下：
struct netif {
struct netif *next;
struct ip_addr ip_addr; struct ip_addr netmask; struct ip_addr gw;
err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp);
err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf *p,struct ip_addr *ipaddr);
......
};
在该数据结构中定义了指向下个网络接口的指针、IP 地址、网络掩码、网关以及用于 实现以太网接收、发送数据包的函数等内容。
对于网络接口芯片的驱动程序，用户可以根据自己的网络设备参照 LwIP 的网络驱动模 板，/src/netif/ethernetif.c 文件。

4、 移植测试
在完成上述的移植工作后，在μC/OS II 操作系统中初始化 LwIP，创建 TCP 和 UDP 的 任务。LwIP 的初始化必须在μC/OS II 完全启动之后，因为它初始化用到了信号量等和操作系统相关的操作。μC/OS II 的主函数如下：
main( ){ OSInit( );
OSTaskCreate(lwip_init_task，(void*)&id2，&lwip_init_stk[TASK_STA_SIZE-1],2);
OSStart( );
}
在主程序中创建了任务 lwip_init_task( )，它的功能除了初始化硬件时钟和 LwIP 外，还 要创建测试要用的两个线程，tcpip_thread( )和 tcpecho_thread( )。tcpip_thread( )是 LwIP 任务 的主线程，tcpecho_thread( )是用来测试 ICMP、ARP、IP、TCP 协议的功能是否实现。
经编译下载后，设定好开发板的 IP 地址，利用 Ping 命令，可以得到 ICMP reply 响应。 测试表明，移植后实现了 TCP/IP 基本功能。

5、 结束语
由于μC/OS II 操作系统本身缺少 TCP/IP 协议栈，LwIP 移植到μC/OS II 操作系统实现 了嵌入式系统上的 TCP/IP 协议栈，完成了嵌入式系统基本的网络通信功能。从宿主机和开 发板的网络通信测试结果来看，移植取得了实效。
本文作者创新点：根据要实现的基本功能，通过对 LwIP 的研究和优化精简，对代码容 量减少和通用型较好都能兼顾，可以在不同的不同的硬件平台上运行，便于移植。