摘 要:文章論述了一種實現嵌入式系統網絡化的新思路,通過簡化的TCP/IP協議LwIP,將其移植到μC/OS操作系統中,以此實現嵌入式設備與網絡的互聯。
關鍵詞:嵌入式系統;μC/OS;LwIP
引 言
當今的信息時代,是一個構筑在網絡基礎之上的時代,互聯網已經滲透到人們工作和生活的各個角落。隨著計算機的發展,嵌入式系統已成為計算機領域的一個重要組成部分。將嵌入式系統與Internet 結合起來,就可以在兩者之間實現方便、低廉的信息交流。
但是,目前大多數嵌入式系統的網絡功能還十分有限:以MCU為核心,與一些監測、伺服、指示設備配合實現一定的功能。在一些工業和汽車應用中,利用CAN、RS-232、RS-485 等總線將MCU組網,實現多個MCU之間的信息交流,但這種網絡的有效半徑比較有限,有關的通信協議也比較少,并且一般是孤立于Internet以外的,所以局限性較大。把嵌入式系統連接到Internet上,已成為嵌入式系統今后發展的一個重要方向,而且也將成為今后嵌入式系統必須具備的功能之一。
嵌入式TCP/IP協議棧的實現方式
目前Internet上的通信實現方式大都是基于TCP/IP協議,嵌入式設備要與Internet網絡直接交換信息,就必須支持TCP/IP協議。嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現方式有硬件固化和軟件實現兩種。
硬件方式是指利用TCP/IP協議棧的硬件芯片,由它實現協議的轉化,從而實現相應的網絡功能。但這樣做的缺點是增加了硬件成本,對一些功能單一的嵌入式設備來說是很大的浪費,而且所增加的成本有時是難以接受的。
本文提出了一種軟件實現嵌入式系統網絡化的方法,通過簡化的TCP/IP協議LwIP實現嵌入式系統與網絡的互聯。單片機要在完成原來控制系統功能的前提下,同時實現網絡通信,既要發送又要接收,沒有RTOS操作系統支持簡直不可想象,所以將其移植到嵌入式實時操作系統μC/OS中,由操作系統對其進行任務的管理與調度。
LwIP 協議簡介
LwIP是Light Weight (輕型)IP協議,有無操作系統的支持都可以運行。LwIP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用,一般它只需要幾百字節的RAM和40K左右的ROM就可以運行,這使LwIP協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。
其主要特性如下:
①支持多網絡接口下的IP轉發;
②支持ICMP協議;
③包括實驗性擴展的UDP(用戶數據報協議);
④包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢復和快速轉發的TCP(傳輸控制協議);
⑤提供專門的內部回調接口(Raw API),用于提高應用程序性能;
⑥可選擇的Berkeley接口API (在多線程情況下使用) 。
μC/OS操作系統
μC/OS是專門為單片機嵌入式應用設計的實時操作系統內核,被廣泛應用到各種嵌入式系統中。其特點可以概括為以下幾個方面:源代碼公開,代碼結構清晰、明了,注釋詳盡;可移植性好;可裁剪,可固化;多可以管理60個任務,覆蓋定時器、信號量、事件標志、郵箱、隊列和內存管理,還支持互斥型信號量(Mutual Exclusion Semaphore);μC/OS除對商業應用收取少量許可費用外,其它用途的應用都是免費的。但是缺少對外圍設備和接口的支持,沒有文件系統、網絡協議、圖形界面,這些需要用戶自己去實現。
由于LwIP 會為每個網絡連接動態分配一些信號量和消息隊列,當連接斷開時會刪掉這些信號量和消息隊列。較低的版本如μC/OS-2.0不支持信號量和消息隊列的刪除,所以要選擇高一些的版本,本文中選用的是μC/OS-2.51版本。
LwIP協議的移植
整個系統的結構如圖1所示,由MCU、網卡、網絡設備驅動、μC/OS操作系統、LwIP協議棧和應用程序6 個部分組成。下面從與MCU 的接口、與網卡接口、與高層應用程序接口等幾部分,說明LwIP 移植的具體方法和實現過程。
圖1 系統示意圖
與M.CORE 2107 接口的實現
基于X86平臺的PC機是小端字節順序,而M.CORE 2107默認為大端存儲系統。因而為了保證數據的正確傳輸,對int、uint16、uint32等多于1 字節類型的數據變換其存儲順序。字節順序是指占內存多于一個字節類型的數據在內存中的存放順序,通常有小端、大端兩種字節順序。小端字節序是指低字節數據存放在內存低地址處,高字節數據存放在內存高地址處;大端字節序是指高字節數據存放在低地址處,低字節數據存放在高地址處。
C編譯器修改
在LwIP中各個報頭的定義使用struct結構,默認情況下C編譯器為結構的每個成員按其自然對界條件分配空間,但是LwIP使用的是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據的,所以必須對編譯器進行修改,讓它放棄字節對齊。
與μC/OS操作系統接口的實現
與操作系統相關的結構和函數主要可以分為信號量、消息隊列、定時器函數和創建新線程函數,下面從4個部分對移植的過程進行詳細地論述。
(1) 信號量
LwIP中需要使用信號量進行通信,所以在sys_arch中應實現相應的信號量結構體struct sys_semt和處理函數sys_sem_new() 、sys_sem_free() 、sys_sem_signal ( ) 和sys_arch_sem_wait ( ) 。由于μC/OS已經實現了信號量OSEVENT的各種操作,并且功能和LwIP上面幾個函數的目的功能是完全一樣的,所以只要把μC/OS的函數重新包裝成上面的函數,就可直接使用。
(2) 消息隊列
LwIP 使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文,因此要實現消息隊列結構sys_mbox_t ,以及相應的操作函數:sys_mbox_new() 、sys_mbox_free () 、sys_mbox _post () 和sys_arch_mbox_fetch() 。μC/OS實現了消息隊列結構OSQ 及其操作,但是μC/OS沒有對消息隊列中的消息進行管理,因此不能直接使用,必須在μC/OS的基礎上重新實現。具體實現時,對隊列本身的管理利用μC/OS自己的OSQ操作完成,然后使用μC/OS中的內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除和回收,兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。
(3) 定時器函數
LwIP中每個和TCP/IP相關的任務的一系列定時事件組成一個單向鏈表,每個鏈表的起始指針存在lwip_timeouts 的對應表項中,如圖2所示。移植時需要實現struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts (void) 函數,該函數返回目前正處于運行態的線程所對應的timeout 隊列指針。
圖2 定時事件鏈表
(4) 創建新線程函數
在μC/OS 中,沒有線程(thread) 的概念,只有任務(Task) 。它提供了創建新任務的系統API調用OSTaskCreate,因此只要把OSTaskCreate封裝一下,就可以實現sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有μC/OS 中優先級的概念,實現時要由用戶事先為LwIP中創建的線程分配好優先級。
網絡設備驅動程序的移植
本系統中選擇的以太網控制芯片是RTL8019AS ,它是8/16 位ISA總線的網卡,遵循IEEE802. 3 協議。
RTL8019AS內部按鏈路數的不同,可以劃分為遠程DMA通道和本地DMA 兩個部分。當主處理器要向網上發送數據時,先將一幀數據通過遠程DMA 通道送到RTL8019AS中的發送緩沖區,然后發送傳送命令。RTL8019AS在完成上一幀的發送后,再進行此幀的發送。RTL8019AS接收到的數據通過MAC比較、CRC 校驗后,由FIFO存到接收緩沖區,收滿一幀后,以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器,主處理器再通過遠程DMA 通道讀取這一幀數據。
在LwIP中有多個網絡接口,每個網絡接口都對應了一個struct netif,這個netif包含了相應網絡接口的屬性、收發函數。LwIP 調用netif 的方法netif->input() 及netif->output() 進行以太網packet的收、發等操作。LwIP的網絡驅動有一定的模型,/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅動的模板,用戶為自己的網絡設備實現驅動時應參照此模板。
LwIP 協議的測試
為了進行應用程序的測試,首先在μC/OS中初始化LwIP,創建相應的任務,值得注意的是LwIP的初始化必須在μC/OS完全啟動之后,也就是在任務中進行,因為它的初始化用到了信號量等與操作系統相關的操作。
本系統使用EVB2107(Evaluation Board2107) 評估板進行應用程序的調試,該評估板是輔助用戶開發調試M.CORE系列中的MMC2107 微控制器的一種電路板,外擴2MB FLASH和1MB SRAM存儲器,利用EVB 2107用戶可以開發應用程序的代碼。測試時,可以把網卡的IP地址設置為任意值,在CodeWarrior IDE 的控制臺窗口中運行ping IP地址-l2000-t,不間斷用長度為2000的數據報進行ping測試,同時使用tftp 客戶端軟件給該IP 地址下載一個幾兆的程序,發現一切工作正常,說明ARP、ICMP、IP、TCP 協議都已正確運行。
總 結
本設計方案兼顧了小容量和通用性的要求,可以在多種硬件平臺上實現,并且便于移植。