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引言 隨著嵌入式系統與網絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統中引入TCP/IP協議棧，以支持嵌入式設備接入網絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。µC/OS II是近年來發展迅速的一個開放源碼實時操作系統，但它只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的支持，如沒有文件系統、網絡協議、圖形界面。筆者在多個嵌入式項目的開發過程中，以開源TCP/IP協議棧LwIP為基礎，給µC/OS II加上了網絡支持。下面就以µC/OS II ＋LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實現為例進行說明。 需要說明的是，筆者使用的ez80系統是Zilog公司的ez80190開發板，自帶網絡芯片。而ARM7系統是使用筆者參與開發的Skyeye，一個基于GDB的ARM7TDMI指令級軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網絡芯片，可以運行帶網絡支持的µcLinux和µC/OS II。以下的全部相關程序和代碼都可以在Skyeye網站（hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/）下載。 1 基于µC/OS II的網絡平臺概述 嵌入式操作系統µC/OS II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內核RTOS，其性能和安全性可以與商業產品競爭。µC/OS II的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好。可裁剪，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個任務。µC/OS II自1992年的第一版（µC/OS）以來已經有好幾百個應用，是一個經實踐證明好用且穩定可靠的內核。目前國內對µC/OS II的研究和應用都很多。 TCP/IP是Internet的基本協議，以其實用性、高效性已經成為事實上的工業標準。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。目前嵌入式設備上TCP/IP方案有很多種，但面向低端應用的開源嵌入式網絡平臺還很少見。 µC/OS II 是一個富有開放色彩的RTOS，只要買一本書就可獲得源代碼，對學校和教育的使用完全免費，商業應用的費用相對也很低。但是它目前的一些第三方 TCP/IP支持都是完全商業化的，用戶需要付費才能獲得，很少給出源代碼，這影響了µC/OS II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協議棧LwIP移植到µC/OS II上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網絡軟件平臺。 2 開源TCP/IP協議棧LwIP簡介 LwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協議。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP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，一般它只需要幾十K的RAM和 40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。 LwIP的特性如下： (1) 支持多網絡接口下的IP轉發 (2) 支持ICMP協議 (3) 包括實驗性擴展的的UDP（用戶數據報協議） (4) 包括阻塞控制，RTT估算和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（多線程情況下） 我們目前使用的是LwIP的最新穩定版V0.5.3。有關LwIP的詳細內容，可以參考其代碼和網站上的文檔。 3 LwIP在µC/OS II下的實現 3.1 概述 LwIP 協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在µC /OS II上的實現就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。下面分幾部份分別說明相應文件的實現原理和過程。具體的代碼限于篇幅沒有給出，Skyeye網站上有完整的代碼和說明。 3.2 與CPU或編譯器相關的include文件 /src/arch/include/arch目錄下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數據長度，字的高低位順序等。這應該與用戶實現µC/OS II時定義的數據長度等參數是一致的。 #define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認為小端存儲系統 //數據類型長度的定義 typedef unsigned char u8_t; typedef signed char s8_t; typedef unsigned short u16_t; typedef signed short s16_t; typedef unsigned int u32_t; typedef signed int s32_t; 此外還有一點：一般情況下C語言的結構體struct是4字節對齊的，但是在處理數據包的時候，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，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節對齊。LwIP也考慮到了這個問題，所以，在它的結構體定義中有幾個PACKED_FIELD_xxx宏，默認的時候這幾個宏都是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應的_packed關鍵字。比如在Skyeye（ARM7）上對應gcc編譯器的定義： #define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed)) #define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed)) #define PACK_STRUCT_BEGIN #define PACK_STRUCT_END 3.3 sys_arch操作系統相關部份 sys_arch.[ch]中的內容是與OS相關的一些結構和函數，主要可以分為四個部份： (1) sys_sem_t 信號量 LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch中應實現信號量結構體和處理函數： struct sys_sem_t sys_sem_new（） //創建一個信號量結構 sys_ sem _free（） //釋放一個信號量結構 sys_ sem _signal（） //發送信號量 sys_ arch_sem _wait（） //請求信號量 由于µC/OSII已經實現了信號量OS_EVENT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/OSII的函數重新包裝成上面的函數，就可以直接使用了。 (2) sys_mbox_t 消息 LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數： sys_mbox_new（） //創建一個消息隊列 sys_mbox_free（） //釋放一個消息隊列 sys_mbox_post（） //向消息隊列發送消息 sys_arch_mbox_fetch（） //從消息隊列中獲取消息 µC/OSII同樣實現了消息隊列結構OSQ及其操作，但是µC/OSII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/OSII的基礎上重新實現。為了實現對消息的管理，我們定義了以下結構： typedef struct { OS_EVENT* pQ; void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES]; } sys_mbox_t； 在以上結構中，包括OS_EVENT類型的隊列指針（pQ）和隊列內的消息（pvQEntries）兩部分，對隊列本身的管理利用µC/OSII自己的 OSQ操作完成，然后使用µC/OSII中的內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。 (3) sys_arch_timeout 函數 LwIP中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的 timeout時間長度，以及超時后應調用的timeout函數，該函數會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空（NULL），說明該線程對連接做永久的等待。 timeout結構體已經由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實現的是如下函數： struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void) 這個函數的功能是返回目前正處于運行態的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，因此是OS相關的函數，只能由用戶實現。 (4) sys_thread_new 創建新線程 LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程（tcpip_thread），負責處理所有的tcp/ucp連接，各種網絡程序都通過tcpip線程與網絡交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程復雜度。這時就需要用戶實現創建新線程的函數： void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg); 在µC/OS II 中，沒有線程（thread）的概念，只有任務（Task）。它已經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 II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。 3.4 lib_arch中庫函數的實現 LwIP協議棧中用到了8個外部函數，這些函數通常與用戶使用的系統或編譯器有關，因此留給用戶自己實現。如下： u16_t htons(u16_t n); //16位數據高低字節交換 u16_t ntohs(u16_t n); u32_t htonl(u32_t n); //32位數據大小頭對調 u32_t ntohl(u32_t n); int strlen(const char *str); //返回字符串長度 int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len); //字符串比較 void bcopy(const void *src, void *dest, int len); //內存數據塊之間的互相拷貝 void bzero(void *data, int n); //內存中指定長度的數據塊清零 前四個函數通常由用戶自己實現。Skyeye（ARM7）中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫里已經有了后四個函數。而ez80的編譯器函數庫中缺少bcopy和bzero兩個，需要自己編寫。用戶在其它CPU上實現時應根據自己的編譯器來決定。 3.5 網絡設備驅動程序 ez80開發板自帶的網絡芯片為RealTek的8019as芯片，這是ISA 10BASE－T的以太網芯片，與Ne2k兼容。而我們在AT91模擬器Skyeye中所仿真的網絡芯片也是Ne2k，所以目前實現的網絡設備驅動是針對Ne2k的，其它類型的網絡芯片驅動可以在LwIP的網站上找到。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。 在LwIP中可以有多個網絡接口，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。在驅動中主要做的，就是實現網絡接口的收、發、初始化以及中斷處理函數。驅動程序工作在IP協議模型的網絡接口層，它提供給上層（IP層）的接口函數如下： //網卡初始化函數 void ethernetif_init(struct netif *netif) //網卡接收函數，從網絡接口接收以太網數據包并把其中的IP報文向IP層發送 //在中斷方式下由網卡ISR調用 void ethernetif_input(struct netif *netif) //網卡發送函數，給IP層傳過來的IP報文加上以太網包頭并通過網絡接口發送 err_t ethernetif_output(struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr) //網卡中斷處理函數ISR void ethernetif_isr(void); 以上的函數都可以分為協議棧本身的處理和對網絡接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對上層屏蔽的，具體參見RTL8019as、DM9008等Ne2k網絡芯片的數據手冊。驅動程序可以到Skyeye或LwIP的網站下載。 4 應用實例的建立和測試 做完上面的移植修改工作以后，就可以在µC/OSII中初始化LwIP，并創建TCP或UDP任務進行測試了。這部份完全是C語言的實現，因此這部份在ez80和ARM7上基本都是一樣的。值得注意的是LwIP的初始化必須在µC/OSII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OS相關的操作。關鍵部份的代碼和說明如下： main(){ OSInit(); OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo11, &lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0); OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1); OSStart(); } 主程序中創建了lwip_init_task初始化LwIP任務（優先級0）和usr_task用戶任務（優先級1）。lwip_init_task任務中除了初始化硬件時鐘和LwIP之外，還創建了tcpip_thread（優先級5）和tcpecho_thread（優先級6）。實際上 tcpip_thread才是LwIP的主線程，多線程的Berkley API也是基于這個線程實現的，即上面的tcpecho_thread線程也要依靠tcpip_thread線程來與外界通信，這樣做的好處是編程簡單，結構清晰。 實用Berkley API實現的tcpecho_thread是一個TCP echo服務器，監聽7號端口，程序框架如下： void tcpecho_thread(void *arg){ conn = netconn_new(NETCONN_TCP); //創建新的連接標識 netconn_bind(conn, NULL, 7); //綁定到7號端口 netconn_listen(conn); //開始監聽端口 while(1){ newconn = netconn_accept(conn); //接收外部到來的連接 buf = netconn_recv(newconn) //獲取數據 ……. //處理數據 netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發送數據 netconn_delete(newconn); //釋放本次連接 } } 編譯運行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply響應。用telnet ip地址 7（登錄7號端口）命令可以看到echo server的回顯效果。說明ARP、ICMP、IP、TCP協議都已正確運行。 參考文獻 1. Labrosse Jean J.邵貝貝 μ C/OS-Ⅱ-源碼公開的實時嵌入式操作系統 2001 2. Adam Dunkels. LwIP source code 3. Adam Dunkels. sys_arch.txt in LwIP source code 作 者：上海貝嶺公司 楊曄 來 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（7） |
