引言

当今的信息时代,是一个构筑在网络基础之上的时代,互联网已经渗透到人们工作和生活的各个角落。随着计算机的发展,嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。将嵌入式系统与Internet 结合起来,就可以在两者之间实现方便、低廉的信息交流。

但是,目前大多数嵌入式系统的网络功能还十分有限：以MCU为核心,与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。在一些工业和汽车应用中,利用CAN、RS-232、RS-485 等总线将MCU组网,实现多个MCU之间的信息交流,但这种网络的有效半径比较有限,有关的通信协议也比较少,并且一般是孤立于Internet以外的,所以局限性较大。把嵌入式系统连接到Internet上,已成为嵌入式系统今后发展的一个重要方向,而且也将成为今后嵌入式系统必须具备的功能之一。

嵌入式TCP/IP协议栈的实现方式

目前Internet上的通信实现方式大都是基于TCP/IP协议,嵌入式设备要与Internet网络直接交换信息,就必须支持TCP/IP协议。嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现方式有硬件固化和软件实现两种。

硬件方式是指利用TCP/IP协议栈的硬件芯片,由它实现协议的转化,从而实现相应的网络功能。但这样做的缺点是增加了硬件成本,对一些功能单一的嵌入式设备来说是很大的浪费,而且所增加的成本有时是难以接受的。

本文提出了一种软件实现嵌入式系统网络化的方法,通过简化的TCP/IP协议LwIP实现嵌入式系统与网络的互联。单片机要在完成原来控制系统功能的前提下,同时实现网络通信,既要发送又要接收,没有RTOS操作系统支持简直不可想象,所以将其移植到嵌入式实时操作系统μC/OS中,由操作系统对其进行任务的管理与调度。

LwIP 协议简介

LwIP是Light Weight (轻型)IP协议,有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用,一般它只需要几百字节的RAM和40K左右的ROM就可以运行,这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

其主要特性如下：

①支持多网络接口下的IP转发;

②支持ICMP协议;

③包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议);

④包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议);

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 (在多线程情况下使用) 。

μC/OS操作系统

μC/OS是专门为单片机嵌入式应用设计的实时操作系统内核,被广泛应用到各种嵌入式系统中。其特点可以概括为以下几个方面：源代码公开,代码结构清晰、明了,注释详尽;可移植性好;可裁剪,可固化;最多可以管理60个任务,覆盖定时器、信号量、事件标志、邮箱、队列和内存管理,还支持互斥型信号量(Mutual Exclusion Semaphore);μC/OS除对商业应用收取少量许可费用外,其它用途的应用都是免费的。但是缺少对外围设备和接口的支持,没有文件系统、网络协议、图形界面,这些需要用户自己去实现。

由于LwIP 会为每个网络连接动态分配一些信号量和消息队列,当连接断开时会删掉这些信号量和消息队列。较低的版本如μC/OS-2.0不支持信号量和消息队列的删除,所以要选择高一些的版本,本文中选用的是μC/OS-2.51版本。

LwIP协议的移植

整个系统的结构如图1所示,由MCU、网卡、网络设备驱动、μC/OS操作系统、LwIP协议栈和应用程序6 个部分组成。下面从与MCU 的接口、与网卡接口、与高层应用程序接口等几部分,说明LwIP 移植的具体方法和实现过程。

图1系统示意图

与M.CORE 2107 接口的实现

基于X86平台的PC机是小端字节顺序,而M.CORE 2107默认为大端存储系统。因而为了保证数据的正确传输,对int、uint16、uint32等多于1 字节类型的数据变换其存储顺序。字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,通常有小端、大端两种字节顺序。小端字节序是指低字节数据存放在内存低地址处,高字节数据存放在内存高地址处;大端字节序是指高字节数据存放在低地址处,低字节数据存放在高地址处。

C编译器修改

在LwIP中各个报头的定义使用struct结构,默认情况下C编译器为结构的每个成员按其自然对界条件分配空间,但是LwIP使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应的数据的,所以必须对编译器进行修改,让它放弃字节对齐。

与μC/OS操作系统接口的实现

与操作系统相关的结构和函数主要可以分为信号量、消息队列、定时器函数和创建新线程函数,下面从4个部分对移植的过程进行详细地论述。

(1) 信号量

LwIP中需要使用信号量进行通信,所以在sys_arch中应实现相应的信号量结构体struct sys_semt和处理函数sys_sem_new() 、sys_sem_free() 、sys_sem_signal ( ) 和sys_arch_sem_wait ( ) 。由于μC/OS已经实现了信号量OSEVENT的各种操作,并且功能和LwIP上面几个函数的目的功能是完全一样的,所以只要把μC/OS的函数重新包装成上面的函数,就可直接使用。

(2) 消息队列

LwIP 使用消息队列来缓冲、传递数据报文,因此要实现消息队列结构sys_mbox_t ,以及相应的操作函数：sys_mbox_new() 、sys_mbox_free () 、sys_mbox _post () 和sys_arch_mbox_fetch() 。μC/OS实现了消息队列结构OSQ 及其操作,但是μC/OS没有对消息队列中的消息进行管理,因此不能直接使用,必须在μC/OS的基础上重新实现。具体实现时,对队列本身的管理利用μC/OS自己的OSQ操作完成,然后使用μC/OS中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除和回收,两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。

(3) 定时器函数

LwIP中每个和TCP/IP相关的任务的一系列定时事件组成一个单向链表,每个链表的起始指针存在lwip_timeouts 的对应表项中,如图2所示。移植时需要实现struct sys_timeouts* sys_arch_timeouts (void) 函数,该函数返回目前正处于运行态的线程所对应的timeout 队列指针。

图2定时事件链表

(4) 创建新线程函数

在μC/OS 中,没有线程(thread) 的概念,只有任务(Task) 。它提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate,因此只要把OSTaskCreate封装一下,就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并没有μC/OS 中优先级的概念,实现时要由用户事先为LwIP中创建的线程分配好优先级。

网络设备驱动程序的移植

本系统中选择的以太网控制芯片是RTL8019AS ,它是8/16 位ISA总线的网卡,遵循IEEE802. 3 协议。

RTL8019AS内部按链路数的不同,可以划分为远程DMA通道和本地DMA 两个部分。当主处理器要向网上发送数据时,先将一帧数据通过远程DMA 通道送到RTL8019AS中的发送缓冲区,然后发送传送命令。RTL8019AS在完成上一帧的发送后,再进行此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC 校验后,由FIFO存到接收缓冲区,收满一帧后,以中断或寄存器标志的方式通知主处理器,主处理器再通过远程DMA 通道读取这一帧数据。

在LwIP中有多个网络接口,每个网络接口都对应了一个struct netif,这个netif包含了相应网络接口的属性、收发函数。LwIP 调用netif 的方法netif->input() 及netif->output() 进行以太网packet的收、发等操作。LwIP的网络驱动有一定的模型,/src/netif/ethernetif.c 文件即为驱动的模板,用户为自己的网络设备实现驱动时应参照此模板。

LwIP 协议的测试

为了进行应用程序的测试,首先在μC/OS中初始化LwIP,创建相应的任务,值得注意的是LwIP的初始化必须在μC/OS完全启动之后,也就是在任务中进行,因为它的初始化用到了信号量等与操作系统相关的操作。

本系统使用EVB2107(Evaluation Board2107) 评估板进行应用程序的调试,该评估板是辅助用户开发调试M.CORE系列中的MMC2107 微控制器的一种电路板,外扩2MB FLASH和1MB SRAM存储器,利用EVB 2107用户可以开发应用程序的代码。测试时,可以把网卡的IP地址设置为任意值,在CodeWarrior IDE 的控制台窗口中运行ping IP地址-l2000-t,不间断用长度为2000的数据报进行ping测试,同时使用tftp 客户端软件给该IP 地址下载一个几兆的程序,发现一切工作正常,说明ARP、ICMP、IP、TCP 协议都已正确运行。

总结

本设计方案兼顾了小容量和通用性的要求,可以在多种硬件平台上实现,并且便于移植。