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LwIP协议在μC/OS操作系统中的实现

来源:电子设计信息网/作者:李 宏 马晓军?? 2007年10月18日 ?? 收藏0

  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。

系统示意图

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。


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